用于压缩流体的设备及方法与流程

本发明涉及一种用于压缩流体的设备。具体而言，本发明涉及压缩机，且具体但非排他地涉及振荡压缩机，且尤其是涉及液压驱动压缩机。本发明涉及活塞压缩机或离子压缩机，以及单级或多级压缩机。本发明主要涉及此压缩机内的密封件，具体是轴向密封件，其可作为杆密封件或活塞密封件两者执行。本发明还延伸到压缩流体且尤其是气体的方法。

背景技术：

配有泄漏释放装置的压缩机中的气体密封件在压缩过程期间承受全部气体压力(相当于实际气体压力)，这将不可避免地在连续使用期间导致磨损。此外，在压缩机内的密封件上背压上升的情况下，密封件上的磨损也由于预应力升高而增大。经验示出，在给定足够尺寸的情况下，承受这种应力的气体密封件的使用寿命在2500-3000km的范围内。

因此，需要提供改善的压缩机设计，其延长密封件的使用寿命。本发明源自发明人试图克服与现有技术相关联的问题的工作。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于压缩第一流体的设备，该设备包括压缩机活塞，其包括活塞缸和可滑动地安装在其中的活塞组件，其中活塞组件包括限定其间的空间的间隔开的第一活塞部件和第二活塞部件，该空间构造成容纳用于引起第一流体的压缩的第二流体，以及用于将第二流体供给至第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间的装置。

在现有技术的压缩机中，与压缩流体接触的流体密封件暴露于与实际气体压力相等的压力，这引起密封件上的显著磨损。然而，相反，在本发明的设备中，活塞组件包括两个间隔开的活塞部件，导致压缩机中的流体密封件暴露于仅2bar的减小的压力。因此，设备导致流体密封件上的负载显著减小，导致磨损和损耗减少。因此，有利地，由于活塞组件与缸管之间产生的优异润滑，故设备导致了活塞密封件的延长的磨损时间。这提供了加强的防腐蚀和针对压缩机爆震的机械保护，且导致低噪音排放。其它优点包括导致较低维护成本的较长使用寿命，这导致提高的设备的可用性。

优选地，设备包括构造成将第二流体储存在其中的储存罐。优选地，用于将第二流体供给至第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间的装置包括泵，以及优选在储存罐与活塞部件之间的空间之间延伸的流体沿其供给的至少一个第二流体供给导管。

优选地，第一活塞部件(本文称为"浮动活塞")构造成在缸管内振荡，且优选由第一径向密封件与缸管密封。第一径向密封件可为杆密封件或活塞密封件。优选地，第一活塞部件大致居中地安装在第二活塞部件上，且由此同心地受引导。优选地，第二活塞部件(本文称为"主活塞")构造成在缸管内振荡，且优选由第二径向密封件与缸管密封。第二径向密封件可为杆密封件或活塞密封件。

优选地，待压缩的第一流体接触第一活塞部件的一侧，且第二流体接触第一活塞部件的相反侧。优选地，第二流体在设置在活塞组件的第一活塞部件与第二活塞部件之间时用作润滑流体，因为其用于减小第一径向密封件与缸管之间的摩擦。优选地，第二流体在设置在活塞组件下方时用作驱动流体，因为其用于引起活塞组件在缸管内振荡，从而压缩第一流体。

优选地，设置在第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间中的第二流体优选经由至少一个第二流体泄漏导管流体连接到储存罐上。因此，经由第二密封件泄漏的任何第二流体供给至储存罐。有利地，因此，设备包括到第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间的泄漏循环回流线，因为在压缩机活塞的使用期间，第二密封件处的第二流体的任何泄漏由第二流体的补充流自动地平衡。

优选地，第二活塞部件包括阀，其构造成控制第二流体经由至少一个第二流体供给导管流入活塞部件之间的空间中。优选地，阀包括偏压装置，其构造成将阀偏压到第二流体供给导管中的闭合构造。偏压装置优选包括弹簧，且更优选是螺旋弹簧或杯形弹簧。

优选地，第二活塞部件包括促动装置，其构造成响应于第一密封件上的压力变化，或响应于第一活塞部件相对于促动设置点的位置来启动阀。优选地，促动装置构造成响应于第一密封件中的压力变化，或响应于第一活塞部件相对于促动设置点的位置来启动泵。优选地，促动装置构造成在第一密封件上的压力增大时开启阀，并且优选启动泵来将第二流体泵送穿过阀。相反，优选地，促动装置构造成在第一密封件上的压力减小时闭合阀，并且优选停用泵来防止第二流体的泵送。

举例来说，因此，当第一密封件的第一流体侧上的压力由于第二流体穿过第二密封件的泄漏而增大时，第一活塞部件优选构造成朝第二活塞部件被推动，从而导致促动装置开启阀。

在另一个优选实施例中，促动装置构造成在第一活塞部件的位置到达促动设置点时开启阀，和/或促动装置构造成在第一活塞部件的位置移动超过促动设置点时闭合阀。将认识到，当浮动活塞的位置降到低于促动设置点(这可能由于流体损失或夹带的可压缩气体发生)时，阀和泵可由促动装置启动。这可能不一定导致第一密封件上的压力降低或增加。

优选地，泵构造成将第二流体从储存罐，经由通过促动装置启动的开启阀，且沿一个或多个导管泵送到第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间中。优选地，第二活塞部件包括一个或多个导管，其从阀沿径向向外延伸至活塞部件之间的空间。优选地，一个或多个导管从阀对角地延伸至活塞部件之间的空间。

有利地，第二流体的大致恒定深度保持在第一活塞部件与第二活塞部件之间。第二流体可在压缩过程中的任何阶段泵送到活塞部件之间的空间中。然而，优选地，在非压缩阶段期间启动泵，即，在活塞组件设置在缸管的底部处或附近时。

优选地，设备构造成使得第一活塞部件的第一流体侧与第二流体之间的压力大致平衡。优选地，施加到促动装置上的偏压装置的预应力张力大致对应于第一活塞部件的重量和缸管与第一密封件之间产生的摩擦。

优选地，接触第一流体的第一活塞部件的侧与接触第二流体的侧之间的压差小于75bar，更优选小于50bar，甚至更优选小于25bar，且仍更优选小于15bar。更优选地，接触第一流体的第一活塞部件的侧与接触第二流体的侧之间的压差小于10bar，优选小于5bar，且最优选小于3bar。

结果，第一活塞部件与第一径向密封件之间的小径向力导致较少的磨损和损耗。有利地，设备构造成使第一密封件仅承受由密封件限定的预张紧压力，以便最小化其上的磨损。

优选地，压缩机活塞包括未压缩的第一流体经由其供给到活塞中的入口，以及压缩的第一流体经由其流出的出口。优选地，入口流体的压力为大约1-200barg；更优选为大约1-30barg；且最优选为大约3-10barg。

优选地，压缩机活塞构造成将第一流体的压力增大到100bara至1500bara之间。更优选地，压缩机活塞构造成将第一流体的压力增大到150bara至1250bara之间。最优选地，压缩机活塞构造成将第一流体的压力增大到300bara至1000bara之间。优选地，出口流体的压力大约为350bar。

可认识到，第一流体的期望压力取决于使用的第一流体变化。因此，当第一流体是氢时，压缩机活塞可构造成将第一流体的压力增大到500bara至1500bara之间，更优选到700bara至1400bara之间，且最优选到800bara至1300bara之间。

备选地，当第一流体是天然气时，压缩机活塞可构造成将气体的压力增大到100bara至700bara之间，更优选到200bara至600bara之间，且最优选到300bara至500bara之间。

第一流体可包括液体。然而，优选地，第一流体包括气体，如天然气、燃料气体、氢、气态烃、液化燃烧气体、氮、氦、氧和如氩的惰性气体，或其混合物。更优选地，第一流体包括燃料气体，例如，天然气或氢。

第二流体可包括液体，其优选是大致不可压缩的。优选地，第二流体包括离子液体、lohc(液体有机氢载体)、半重水(hdo)、氧化氘(重水)、水或液压油，或其混合物。最优选地，第二流体包括lohc或离子液体。离子液体大致仅由离子构成，且是一类在低于100℃的温度下是液体的材料。lohc是性质很类似于离子液体的碳基液体。离子液体和lohc的优点在于它们展示出低或无蒸气压力、良好润滑性质、基本上没有气体可熔性、高热稳定性和高热容量。

在一个实施例中，且优选是其中第二流体是离子液体的实施例，设备构造成使用设置在活塞组件与待压缩的第一流体之间的离子液体缓冲物。优选地，离子液体缓冲物设置在第一个(即，浮动活塞部件)的顶部上，且在处于压缩阶段时填充所有死空间(deadspace)。离子液体缓冲物优选包括具有低蒸气压力的流体，且可包括大致纯离子液体或离子液体和lohc的混合物，或由它们构成。

优选地，设备包括振荡压缩机。优选地，设备包括液压驱动压缩机。在一个优选实施例中，设备包括活塞压缩机。优选地，设备包括液体活塞压缩机，其中第二流体(优选液体)用于驱动第一流体(优选气体)的压缩。在另一个优选实施例中，设备包括离子压缩机。

在一个实施例中，设备包括单级压缩机。优选地，设备包括柱塞，其在功能上连接到构造成在壳体内振荡的一个或多个位移活塞，且该活塞构造成使第二流体位移到压缩机活塞和从压缩机活塞位移，从而压缩其中的第一流体。位移活塞可串联连接。由柱塞驱动的该或每个位移活塞的振荡由经由至少一个入口供给到壳体中的润滑剂促进。在一些实施例中，用于柱塞的润滑剂可为液压油、lohc或离子液体，或其混合物。

在另一个实施例中，设备优选包括多级压缩机(例如，2级、3级或4级)，包括串联连接的多个压缩机级。优选地，设备包括一个到二十个之间的压缩机级。更优选地，设备包括两个到十个之间的压缩机级。最优选地，设备包括三个到五个之间的压缩机级。在最优选的实施例中，设备包括串联连接的四个压缩机级。

设备可包括多级压缩机，其包括并联连接的多个压缩机级。有利地，这将提高压缩机的吞吐量。

因此，在一个实施例中，设备可包括多个系列，其中每个系列包括串联连接的多个压缩机级，且多个系列并联连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种压缩第一流体的方法，该方法包括：

-将第一流体供给到包括活塞缸和可滑动地安装在其中的活塞组件的压缩机活塞，其中活塞组件包括在其间限定空间的间隔开的第一活塞部件和第二活塞部件，该空间构造成容纳用于引起第一流体的压缩的第二流体；以及

-将第二流体供给到第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间，且压缩第一流体。

优选地，第二方面的方法包括使用第一方面的设备。

优选地，该方法包括将第二流体泵送至第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间，优选沿在第二流体储存罐与活塞部件之间的空间之间延伸的至少一个第二流体供给导管。

优选地，该方法包括将经由设置在第二活塞部件与缸管之间的第二径向密封件泄漏的任何第二流体供给至储存罐中。

优选地，该方法包括控制第二流体经由设置在至少一个第二流体供给导管中的阀流过至少一个第二流体供给导管进入活塞部件之间的空间中。优选地，该方法包括将阀偏压到第二流体供给导管中的闭合构造。偏压装置优选包括弹簧，且更优选是螺旋弹簧。

优选地，该方法包括响应于第一径向密封件上的压力变化，或响应于第一活塞部件相对于促动设置点的位置来启动阀。优选地，该方法包括响应于第一径向密封件上的压力变化，或响应于第一活塞部件相对于促动设置点的位置来启动泵。优选地，该方法包括在第一径向密封件上的压力增大时开启阀，且优选将第二流体泵送穿过阀。优选地，该方法包括在第一径向密封件上的压力减小时闭合阀，且优选停用阀以防止第二流体的泵送。

在使用中，当第一径向密封件的第一流体侧上的压力由于穿过第二径向密封件的第二流体的泄漏而增大时，该方法包括朝第二活塞部件推动第一活塞，从而导致阀的开启。

该方法可包括在第一活塞部件的位置到达促动设置点时开启阀，和/或在第一活塞部件的位置移动超过促动设置点时闭合阀。

优选地，该方法包括将第二流体从储存罐经由开启阀且沿一个或多个导管泵送入第一活塞部件与第二活塞部件之间的空间中。优选地，该方法包括沿一个或多个导管泵送第二流体，导管从阀沿径向向外延伸至活塞部件之间的空间。

优选地，该方法包括保持第一活塞部件与第二活塞部件之间大致恒定的深度。该方法可包括在压缩过程中的任何阶段处将第二流体泵送入活塞部件之间的空间中。然而，优选地，该方法包括在非压缩阶段期间启动泵，即，在活塞组件设置在缸管的底部处或附近时。

优选地，该方法包括平衡第一活塞部件的第一流体侧与第二流体之间的压力。优选地，接触第一流体的第一活塞部件的侧与接触第二流体的侧之间的压差小于75bar，更优选小于50bar，甚至更优选小于25bar，且再更优选小于15bar。更优选地，接触第一流体的第一活塞部件的侧与接触第二流体的侧之间的压差小于10bar，优选小于5bar，且最优选小于3bar。

优选地，该方法包括将未压缩的第一流体经由入口供给至压缩机活塞，且将压缩流体供给穿过出口。优选地，该方法包括液体活塞压缩机的使用，其中第二流体(优选为液体)用于驱动第一流体(优选为气体)的压缩。在另一个优选实施例中，设备包括离子压缩机。

优选地，该方法包括借助于构造成在壳体内振荡的一个或多个位移活塞，使第二流体位移到压缩机活塞和从压缩机活塞位移，从而压缩其中的第一流体。

第一流体可包括液体。优选地，第一流体包括气体，如天然气、燃料气体、氢、气态烃、液化燃烧气体、氮、氦、氧和如氩的惰性气体，或其混合物。

第二流体可包括液体，其优选是大致不可压缩的。优选地，第二流体包括离子液体、lohc(液体有机氢载体)、半重水(hdo)、氧化氘(重水)、水或液压油，或其混合物。最优选地，第二流体包括lohc或离子液体。

在一个实施例中，且优选是其中第二流体是离子液体的实施例，该方法包括使用设置在活塞组件与待压缩的第一流体之间的离子液体缓冲物。优选地，离子液体缓冲物设置在第一个活塞部件的顶部上，且在处于压缩阶段时填充所有死空间。离子液体缓冲物优选包括具有低蒸气压力的流体，且可包括大致纯离子液体或离子液体和lohc的混合物，或由它们构成。

附图说明

本文所述的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以除了至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合之外的任何组合来与上述任何方面组合。现在将仅通过举例，参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1为根据本发明的气体压缩机的第一实施例的示意图，其具有各自具有活塞组件的两个间隔开的活塞压缩机(左手侧和右手侧)，活塞组件可滑动地安装在缸管中；

图2为根据本发明的气体压缩机的第二实施例的示意图，具有分别具有可滑动地安装的活塞组件的两个间隔开的活塞压缩机(左手侧和右手侧)。每个压缩机中的活塞组件使用其上的离子液体缓冲物，且左手侧活塞压缩机的活塞组件已移动到其缸管的顶部，从而经由离子缓冲物压缩其中的气体，且右手侧活塞压缩机的活塞组件朝其缸管的中部定位，使得气体保持大致未受压缩；

图3是图1中所示的压缩机的截面侧视图，其中左手侧活塞压缩机的活塞组件已经移动到其缸管的顶部，从而压缩其中的气体，且右手侧活塞压缩机的活塞组件定位在其缸管的底座处，使得气体保持未受压缩。新鲜气体朝下止点吸入；

图4为图3中所示的左手侧活塞压缩机的顶部的放大截面侧视图，其中定位在其缸管的顶部处的活塞组件已经压缩气体；以及

图5为存在于本发明的压缩机中的活塞压缩机的一个活塞组件的放大截面侧视图。

具体实施方式

参看图1-3，示出了用于压缩气体14(如，天然气(cng)、燃料气体、氢、气态烃、液化燃烧气体、氮、氦、氧和如氩的惰性气体)的压缩机2的实施例。例如，压缩机2可用于压缩氢，氢用作氢驱动的车辆中的燃料。如图所示，例如，借助于离子压缩机或通过活塞压缩机来液压地驱动压缩。因此，将认识到，压缩机2是液体活塞压缩机。

图1和2分别示出了压缩机2的第一实施例和第二实施例。在每个实施例中，压缩机2包括两个间隔开的并联的活塞压缩机4，未压缩的气体14经由入口40供给到压缩机4中，且压缩的气体14从压缩机经由出口41流出。入口气体14的压力大约是6bar，且出口的压缩气体14的压力大约是350bar。入口40和出口41配有多通道阀44，其具有非常低的频率期望值(压缩机频率0.1hz-5hz，更优选0.5hz-1.5hz也意味着阀的低促动频率)以允许气体14穿过其间。

如附图中可见，所示压缩机2是单级压缩机(即，1级)。所示的1级系统中的活塞压缩机4是并联的，且由单个柱塞30驱动，柱塞30引起在壳体58内的连接到柱塞30上的活塞32的往复振荡。每个活塞32连接到对应的泵42上，其布置成使设置在储存器60中的液压驱动流体16位移到其对应的压缩机活塞4和从其对应的压缩机活塞4位移，从而压缩其中的气体14。

然而，还构想出了多级压缩机，其中图3中的压缩机2中的至少两个串联连接，使得经由两个相同的压力级的压缩机4的出口41的排放连接到较高压力级的吸入入口端口40上。例如，可存在四个压缩机2级，其中进入第一压缩机2的入口气体14的压力是6bara，且出口压缩气体14的压力是16.6bara；进入第二压缩机2的入口气体14的压力是16.6bara，且出口气体14的压力是45.7bara；进入第三压缩机2的入口气体14的压力是45.7bara，且出口气体14的压力是126bara；且进入第四压缩机2的入口气体14的压力是126bara，且出口气体14的压力是350bara。

液压驱动流体16是不可压缩的，且可为任何离子液体、lohc(液体有机氢载体)、重水、氧化氘、水或液压油，或其混合物。总体液压系统需要针对重水的低润滑(例如，相比于如油的标准润滑剂)来设计。由柱塞30驱动的活塞32的振荡由润滑剂34促进，润滑剂34经由入口54供给到壳体58中。在一些实施例中，用于柱塞30的润滑剂34可为液压油34、lohc或离子液体，或其混合物。润滑剂34应当保持与驱动流体16分开，因为其需要具有不同的压缩比。

在图2和3中，示出了压缩机2，其中其左手侧活塞压缩机4是使得其压缩气体14的构造，且其中其右手侧活塞压缩机4是新鲜气体经由吸入阀40吸入之后其中气体14保持大致未受压缩的构造。连接到每个泵42上的活塞传感器46检测每个活塞压缩机4的构造，且促进其中的相应振荡，使得气体14经由入口40自动地供给到活塞压缩机4中，且被压缩，且然后经由出口41在高压下排出。

在现有技术的压缩机中，气体密封件设置受压缩的气体14，且活塞承受全部气体压力，这导致连续使用期间的磨损。然而，参看图3和4，本发明的压缩机2配有机构，通过该机构，活塞压缩机4内的气体密封件18的寿命通过减小其上的磨损和损耗而显著地延长。如图5中最清楚所见，每个活塞压缩机4包括缸管6，活塞组件7(也称为"平衡"活塞)可滑动地安装在缸管6中。每个活塞组件7由连接到间隔开的主活塞8上的浮动活塞10构成。浮动活塞10布置成在缸管6内振荡，且由如v形活塞环的径向气体密封件18密封在其中。浮动活塞10的一侧(即，图1,2和5中所示的上侧)与待压缩的气体14(例如，氢或压缩的天然气，cng)接触。在其相反侧上(即，图1,2和5中所示的下侧)，浮动活塞10与同一不可压缩的液压驱动流体16的薄层接触，该流体16由活塞32位移来引起活塞组件7在缸管6内振荡。

浮动活塞10居中地嵌入主活塞8内，且由此同心地受引导。主活塞8也可滑动地安装在缸管6内，且由如v形活塞环的径向液压密封件20来与其密封。设置在浮动活塞10与主活塞8之间的空间中的不可压缩的液压驱动流体16经由穿过密封件20的任何泄漏的液压流体沿其供给的管26流体地连接到储存罐28上，储存罐28中储存补充液压驱动流体16，这在图1和2中示出。

参看图5，储存罐28产生至活塞8,10之间的空间的泄漏循环回流线，因为在压缩机活塞4的使用期间，液压密封件20处的液压驱动流体16的任何泄漏都可通过如下的驱动流体16的补充流来平衡。主活塞8具有液压流体补充供给阀24，其由导管38,50流体地连接到储存罐28上。阀24由作用于其上的螺旋弹簧22或杯形弹簧22偏压到闭合位置。然而，如果第一密封件18的气体侧上的压力由于穿过密封件20的驱动流体16的泄漏而增大，则朝主活塞8推动浮动活塞10，导致补充供给系统经由连接到阀24上的促动单元12启动。阀24由促动单元12开启，且液压流体16由泵48从储存罐28沿导管50,38泵送，穿过开启阀24，且沿对角导管36，对角导管36直接通向主活塞8与浮动活塞10之间的空间。因此，液压驱动流体16的恒定深度保持在浮动活塞10与主活塞8之间。替换驱动流体16可在该过程中的任何阶段泵送回浮动活塞10与主活塞8之间的空间中。然而，在附图中所示的实施例中，当活塞组件7设置在缸管6的底部处时，即，非压缩阶段，启动泵48。

浮动活塞10的气体侧与不可压缩的液压流体16之间的压力设计成不断地平衡。促动单元12上的弹簧22的预应力张力对应于浮动活塞10的重量和缸管6与气体密封件18之间产生的摩擦。接触气体14的浮动活塞10的侧与接触液压流体16的侧之间的压差小于2bar，且浮动活塞10与密封件18之间的小径向力导致较少的磨损和损耗。

因此，上文所述的系统总是试图使第一气体密封件18仅承受由密封件18限定的预张紧压力，以便最小化密封件18上的磨损。在现有技术的压缩机中，与压缩气体14接触的气体密封件暴露于等于气体压力的压力，这引起磨损，而通过将活塞组件7分成两个(即，浮动活塞10和主活塞8)，本发明的压缩机2中的气体密封件18暴露于仅2bar的减小的压力。因此，本发明导致气体密封件18上的负载的显著减小。尽管液压密封件20暴露于现有技术的压缩机中承受的相似的压力，但其不会影响整个系统，因为液压流体16的任何泄漏立即从储存罐28沿导管36再注入回活塞10,12之间的空间。图3中所示的压缩机2的实施例基本上与图2中所示的相同，只是在图3中，离子液体缓冲物56设在活塞组件7与压缩的气体14之间。这在液压驱动流体16自身是离子液体时在实施例中是有用的，且在驱动流体16是lohc时可能不是必需的。离子液体缓冲物56在浮动活塞10的顶部上，且在处于压缩阶段时填充所有死空间。离子液体缓冲物56包括具有低蒸汽压力的流体，且可由任何纯离子液体或离子液体和lohc的混合物构成。

由于活塞8,10与缸管6之间产生的很好的润滑，压缩机2的优点在于延长活塞密封件18,20的磨损时间(＞20000h)。这提供了优异的防腐蚀和针对压缩机爆震的机械保护，且所以导致低噪音排放。其它优点包括导致较低维护成本的较长使用寿命。由于较低接触压力，这继而又最小化维护成本，故这导致提高设备可用性，且降低相对的接触面上的要求。