AT524763A1 - Device and method for the controlled supply of high-pressure fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid. Um die Nachteile im Stand der Technik hinsichtlich einer komplizierten Bauart, eines bemerkenswerten Verschleißes, einer aufwändigen Regelbarkeit mit geringer Geschwindigkeit zu minimieren und einen wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Druckerzeuger (D) jeweils einen elektrischen Linearmotor (L) mit Stator (9) und Forcer (10) für einen Antrieb des Hochdruckplungers (17) im Hochdruckzylinder (15) aufweist und der/die elektrischen Linearmotor(en) (L, L‘) mit einer elektrischen Steuerungseinheit (12) verbunden ist (sind).The invention relates to a device for the regulated provision of high-pressure fluid. In order to minimize the disadvantages of the prior art in terms of a complicated design, noticeable wear, complex controllability at low speed and to achieve economical operation, the invention provides that the pressure generator (D) each have an electric linear motor (L) with a stator (9) and forcer (10) for driving the high-pressure plunger (17) in the high-pressure cylinder (15) and the electric linear motor(s) (L, L') is (are) connected to an electric control unit (12).
Description
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Vorrichtung und Verfahren zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid Device and method for the controlled supply of high-pressure fluid
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid mittels Druckerzeugers gebildet mit einer Fluidversorgung und einem Fluidzulauf im Hochdruckzylinder und in diesem bewegbaren Hochdruckplunger mit einem Antrieb derselben und einer Zuführung von Hochdruckfluid in eine Hochdruckleitung, gegebenenfalls mit Pulsationsdämpfer in dieser, mit Druckaufnehmer für eine Steuerung des Antriebes und gegebenenfalls einem The invention relates to a device for the regulated provision of high-pressure fluid by means of a pressure generator formed with a fluid supply and a fluid supply in the high-pressure cylinder and in this movable high-pressure plunger with a drive of the same and a supply of high-pressure fluid in a high-pressure line, optionally with a pulsation damper in this, with a pressure sensor for a control of the drive and possibly a
schaltbaren Druckentlastungsventil. switchable pressure relief valve.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid für Verbraucher, beispielsweise Wasserstrahl-Schneidanlagen mit regelbaren Parametern bei Verwendung von Druckerzeugern mit Hochdruckzylinder und Hochdruckplunger gemäß obiger Vorrichtung. The invention also relates to a method for providing high-pressure fluid for consumers, for example water jet cutting systems with controllable parameters when using pressure generators with high-pressure cylinders and high-pressure plungers according to the above device.
Vorrichtungen zur Herstellung von Hochdruckfluid unterschiedlicher Art bekommen in der Verfahrenstechnik in zunehmendem Maße einen erhöhten Stellenwert, wobei diese Vorrichtungen Forderungen nach höchster Präzision bei gleichzeitig steigender Geschwindigkeit der Regelungen genügen müssen. Devices for the production of high-pressure fluid of different types are becoming increasingly important in process engineering, with these devices having to meet demands for maximum precision while at the same time increasing the speed of the controls.
Insbesondere bei hohen Fluiddrücken sind Druckschwankungen, die von Druckübersetzern herrühren können, aus verfahrenstechnischen Gründen, aber auch aus werkstofftechnischen Gründen, von Anlagenkomponenten zu minimieren, weil diese Druckschwankungen eine wechselnde mechanische Belastung von Teilen der Vorrichtung begründen und zu Materialermüdungen bzw. Dauerbrüchen führen Especially at high fluid pressures, pressure fluctuations that can result from pressure intensifiers must be minimized for process engineering reasons, but also for material reasons, of plant components because these pressure fluctuations cause alternating mechanical stress on parts of the device and lead to material fatigue or fatigue fractures
können. be able.
Bei einem Hydraulikantrieb zur Bereitstellung von Hochdruckfluid wurde nach EP 2 610 490 B1 vorgeschlagen, die Menge und/oder den Druck desselben bei Verwendung eines zwei Plunger aufweisenden Druckübersetzers sowie eines Schaltblocks mit einer Pumpe angetrieben von einem steuerbaren Servomotor zu In a hydraulic drive for providing high-pressure fluid, it was proposed according to EP 2 610 490 B1 to increase the quantity and/or the pressure thereof using a pressure intensifier having two plungers and a switching block with a pump driven by a controllable servo motor
regeln. regulate.
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Um einen Druckabfall im Hochdruckfluid während der Umschaltung eines Druckübersetzers für Anlagen zum Wasserstrahlschneiden mit zwei Plunger gering zu halten, wurde gemäß EP 3 012 453 A2 angeregt, dass der Servoantrieb für eine Hydraulikpumpe bidirektional, also mit einem reversiblen Motor gebildet ist und In order to keep a pressure drop in the high-pressure fluid low during the switching of a pressure intensifier for systems for water jet cutting with two plungers, it was suggested according to EP 3 012 453 A2 that the servo drive for a hydraulic pump should be bidirectional, i.e. with a reversible motor and
derart eine direkte Beaufschlagung eines hydraulischen Druckübersetzers erfolgt. such a direct application of a hydraulic pressure intensifier takes place.
Aus der EP 3 012 075 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zum Wasserstrahlschneiden mit einer mehrere Tauchkolben aufweisenden, an einem Wasserbehälter angeschlossenen Hochdruckpumpe bekannt geworden, wobei die Tauchkolben der Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle bewegt wird, von einem Antrieb mittels eines Servomotors stillgesetzt und wieder in Betrieb genommen werden. Ein Lagerspiel an der Kurbelwelle und auch der Tauchkolbengelenke sowie die Massenkräfte bei einem Beschleunigen und Verzögern im Zuge einer Regelung des Antriebes kann nachteilig wirksam sein. EP 3 012 075 B1 discloses a method for operating a system for water jet cutting with a high-pressure pump that has several plungers and is connected to a water tank, with the plungers of the high-pressure pump being moved via a crankshaft, stopped by a drive using a servomotor and then again be put into operation. Bearing play on the crankshaft and also on the plunger piston joints and the inertial forces during acceleration and deceleration in the course of controlling the drive can have a disadvantageous effect.
Die bekannten dem Stand der Technik zuzuordnenden Vorrichtungen können Nachteile hinsichtlich einer komplizierten Bauart, eines bemerkenswerten Verschleißes, einer aufwändigen Regelbarkeit mit gegebenenfalls zu geringer Geschwindigkeit und einer verbesserbaren Wirtschaftlichkeit aufweisen. The known devices that can be assigned to the prior art can have disadvantages in terms of a complicated design, noticeable wear, complicated controllability with the speed possibly being too low, and improved economics.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden. It is now the object of the invention to create a new device for the regulated provision of high-pressure fluid of the type mentioned at the outset, with which the disadvantages of the prior art are overcome.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckerzeuger oder mehrere kooperierende Druckerzeuger Jeweils einen elektrischen Linearmotor mit Stator und Forcer für einen Antrieb des Hochdruckplunger im Hochdruckzylinder aufweist und der/die elektrische(n) Linearmotor(en) mit einer elektrischen Steuerungseinheit, welche eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für elektrische Linearmotoren, eine programmierbare Recheneinheit und The object is achieved according to the invention in that the pressure generator or several cooperating pressure generators each have an electric linear motor with a stator and forcer for driving the high-pressure plunger in the high-pressure cylinder and the electric linear motor(s) with an electric control unit, which has an electric power supply, a servo converter for electric linear motors, a programmable computing unit and
Messwertzuführungen umfasst, verbunden ist (sind). Measured value feeds includes connected (are).
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer einfachen Bauart, einem wirtschaftlichen Betrieb, einer umfassenden Regelbarkeit und einer hohen Regelgeschwindigkeit der Vorrichtung. The advantages achieved with the invention consist in particular in a simple design, economical operation, comprehensive controllability and a high control speed of the device.
Die gegebenenfalls kooperierenden Druckerzeuger weisen jeweils einen elektrischen Linearmotor mit Stator und Forcer auf, wobei die Bezeichnungen „Stator und Forcer“ nicht eine Ausführungsform einer Krafteinleitung darlegen, sondern eine Festlegung der relativ zueinander bewegbaren Motorteile in der Vorrichtung beschreibt. The possibly cooperating pressure generators each have an electric linear motor with stator and forcer, whereby the designations “stator and forcer” do not describe an embodiment of a force introduction, but describe a definition of the motor parts that can be moved relative to one another in the device.
Für einen Druckerzeuger mit einem Hochdruckzylinder und in diesen bewegbar ein Hochdruckplunger hat eine axgleiche Anordnung eines elektrischen Linearmotors wesentliche funktionstechnische Vorteile. For a pressure generator with a high-pressure cylinder and a high-pressure plunger that can be moved in this cylinder, an axially identical arrangement of an electric linear motor has significant functional advantages.
Ein Kraftfluss erfolgt direkt in Bewegungsrichtung des Hochdruckplungers ohne einen üblichen Weg mit einer Umwandlung von Rotationsenergie in translatorische Energie, wodurch die Massenkräfte bei Beschleunigung oder Verzögerungen der A power flow takes place directly in the direction of movement of the high-pressure plunger without a usual path with a conversion of rotational energy into translational energy, whereby the inertial forces during acceleration or deceleration of the
Übertragungsteile minimiert sind Transmission parts are minimized
Bei einer gesicherten Bereitstellung von Hochdruckfluid im Hochdruckzylinder stellt für alle Betriebsarten und Förderungen des Fluids ein Antrieb des Hochdruckplungers mittels eines elektrischen Linearmotors eine hochwirtschaftliche Lösung dar. With a secure provision of high-pressure fluid in the high-pressure cylinder, a drive of the high-pressure plunger by means of an electric linear motor represents a highly economical solution for all operating modes and pumping of the fluid.
Elektrische Linearmotoren weisen für eine direkte translatorische Arbeitsbewegung eine einfache Bauart und eine unmittelbare genaue Regelbarkeit unter Verwendung Electric linear motors have a simple design and direct, precise controllability for a direct translational working movement
einer elektrischen Steuerungseinheit auf. an electrical control unit.
Eine elektrische Steuerungseinheit, welche eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für einen oder mehrere elektrische Linearmotore, welche auch in kooperierenden Druckerzeugern positioniert sein können, eine programmierbare Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst, kann in zeitlicher Abstimmung die jeweilige Bewegung der einzelnen elektrischen Linearmotore mit den An electrical control unit, which includes an electrical power supply, a servo converter for one or more electrical linear motors, which can also be positioned in cooperating pressure generators, a programmable computing unit and measured value feeds, can coordinate the respective movement of the individual electrical linear motors with the
Hochdruckplungern präzise regeln. Precise control of high-pressure plungers.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist bei gesichertem Fluidzulauf in den Hochdruckzylinder der Forcer des Linearmotors und damit der Hochdruckplunger mit erhöhter Geschwindigkeit in jede Füllposition im Hochdruckzylinder mittels der elektrischen Steuerungseinheit bewegbar und derart für einen programmierbaren In one embodiment of the invention, the forcer of the linear motor and thus the high-pressure plunger can be moved at increased speed into any filling position in the high-pressure cylinder by means of the electrical control unit and in such a way for a programmable with secured fluid supply into the high-pressure cylinder
oder regelbaren Hochdruckhub positionierbar. or adjustable high-pressure stroke.
Nach der vorgenannten Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid mit zwei oder mehr als zwei Druckerzeugern gebildet sein, welche mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung in Verbindung stehen. Ein Anschluss der elektrischen Linearmotoren an eine elektrische Steuerungseinheit ermöglicht eine funktionstechnische Kombinierbarkeit der Druckerzeuger im Hinblick auf eine Reduzierung von Druckschwankungen in der According to the aforementioned embodiment of the invention, the device for the regulated provision of high-pressure fluid can be formed with two or more than two pressure generators, which are connected to a common high-pressure line. Connecting the electric linear motors to an electric control unit enables the pressure generators to be combined in terms of function with a view to reducing pressure fluctuations in the
Hochdruckleitung beziehungsweise ein Erfordernis eines Pulsationsdämpfers. High-pressure line or a requirement for a pulsation dampener.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckerzeuger mit zwei in Axrichtung distanziert gegengleich gegenüberliegenden Hochdruckzylindern mit Hochdruckplunger gebildet und zwischen diesen Hochdruckzylindern ist ein mit einer elektrischen Steuerungseinheit verbundener elektrischer Linearmotor positioniert. Der Forcer beziehungsweise der bewegte Teil des Linearmotors weist Befestigungsmittel beziehungsweise Kraftanschlüsse für die Hochdruckplunger auf. In a further embodiment of the invention, the pressure generators are formed with two high-pressure cylinders with high-pressure plungers located opposite one another at a distance in the axial direction, and an electric linear motor connected to an electric control unit is positioned between these high-pressure cylinders. The forcer or the moving part of the linear motor has fastening means or power connections for the high-pressure plunger.
Mit Vorteil kann derart bei den Bewegungen des Forcers des elektrischen Linearmotors jeweils gleichzeitig eine Füllung mit einem Fluid eines Hochdruckzylinder und eine Druckeinspeisung von Hochdruckfluid in eine Hochdruckleitung aus dem gegenüberliegenden Hochdruckzylinder mit einem Advantageously, during the movements of the forcer of the electric linear motor, a filling with a fluid from a high-pressure cylinder and a pressure feed of high-pressure fluid into a high-pressure line from the opposite high-pressure cylinder with a
zwischenliegenden steuerbaren elektrischen Linearmotor erfolgen. intermediate controllable electric linear motor take place.
Es kann auch für eine Bereitstellung von Hochdruckfluid mit geringen Druckschwankungen vorteilhaft sein, wenn zwei oder mehrere Anlagen mit einer Fluidhochdruckleitung in Verbindung stehen und die elektrischen Linearmotoren von einer elektrischen Steuerungseinheit phasenverschoben aktivierbar sind. It can also be advantageous for providing high-pressure fluid with low pressure fluctuations if two or more systems are connected to a high-pressure fluid line and the electric linear motors can be activated phase-shifted by an electric control unit.
Zur Intensivierung der Krafteinwirkungen der Hochdruckplunger in den To intensify the force effects of the high-pressure plunger in the
Hochdruckzylindern kann, beziehungsweise können mit Vorteil der oder die High-pressure cylinders can, or can with advantage, or the
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Druckerzeuger mit zwei oder mehreren gekoppelten elektrischen Linearmotoren mit einer elektrischen Steuerungseinheit geregelt antreibbar sein, wobei zur Erhöhung der translatorischen Kräfte eine parallele oder eine serielle Anordnung der Forcer von Linearmotoren im Drucksystem auf die Hochdruckplunger verwendbar ist. Pressure generators with two or more coupled electric linear motors can be driven in a regulated manner with an electric control unit, with a parallel or serial arrangement of the forcers of linear motors in the pressure system on the high-pressure plunger being usable to increase the translatory forces.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid mit regelbaren Parametern für Verbraucher der eingangs genannten Art, beispielsweise für Wasserstrahl-Schneidanlagen. The present invention also relates to a method for providing high-pressure fluid with controllable parameters for consumers of the type mentioned initially, for example for water jet cutting systems.
Auf Grund der allgemeinen Technologieentwicklung in der Verfahrenstechnik, insbesondere auch in oben genannten Anlagen, sind auch die Mängel der bisherigen Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid mit regelbaren Parametern für Verbraucher bei Verwendung von Druckerzeugern mit Hochdruckzylindern und in diesen bewegbaren Hochdruckplunger zu beseitigen, was das weitere Ziel der Erfindung darstellt. Due to the general technological development in process engineering, especially in the above-mentioned systems, the shortcomings of the previous methods for providing high-pressure fluid with controllable parameters for consumers when using pressure generators with high-pressure cylinders and high-pressure plungers that can be moved in these must be eliminated, which is the further goal of the invention.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der (die) Hochdruckplunger vom (von) elektrischen Linearmotor(en) bewegt wird (werden), wobei die Regelung der Verfahrensparameter durch eine elektrische Steuerungseinheit erfolgt. Die Steuereinheit umfasst eine Energieversorgung, einen Servoumrichter für den (die) elektrischen Linearmotor(en), eine programmierbare Recheneinheit mit MesswertEingaben von zumindest Fluidhochdruck und Plungerposition in dem (den) Hochdruckzylinder(n) und führt eine Regelung des Servoumrichters durch. This goal is achieved in that the high-pressure plunger(s) is (are) moved by the electric linear motor(s), with the regulation of the process parameters being carried out by an electric control unit. The control unit includes a power supply, a servo converter for the electric linear motor(s), a programmable computing unit with measured value inputs of at least high fluid pressure and plunger position in the high-pressure cylinder(s) and regulates the servo converter.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass durch den (die) elektrischen Linearmotor(en) ein Direktantrieb des (der) Hochdruckplunger erfolgt, also eine vorteilhafte direkte translatorische Bewegung von Hochdruckplunger und Forcer bzw. Antrieb erreicht wird. The advantages achieved with the method according to the invention can essentially be seen in the fact that the electric linear motor(s) drives the high-pressure plunger(s) directly, ie an advantageous direct translational movement of the high-pressure plunger and forcer or drive is achieved.
Der Kraftfluss in den Hochdruckplunger wird also in günstiger Weise ohne eine Umwandlung von Rotationsenergie in lineare Energie erreicht, wobei auch eine einfache robuste kompakte Bauart der Übertragungsmittel, eine hohe Genauigkeit wegen gesteigerter Erkennung der aktuellen Lage der Teile, eine verbesserte The power flow in the high-pressure plunger is thus achieved in a favorable manner without converting rotational energy into linear energy, with a simple, robust, compact design of the transmission means, high accuracy due to increased recognition of the current position of the parts, improved
Präzision der Bewegungsregelung mit hoher Geschwindigkeit und allerdings auch Precision of motion control at high speed and albeit too
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Kraftstößen des Stators in eine Verankerung desselben bei einer hohen Beschleunigung des Forcers die in Bruchteilen von Millisekunden gegeben sind. Force impacts of the stator in an anchoring of the same at a high acceleration of the forcer that are given in fractions of milliseconds.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Hochdruckplunger bei einem Erreichen einer festlegbaren Eindringtiefe in den Hochdruckzylinder ein Signal der Steuerungseinheit übermittelt und der Servoumrichter derart geregelt wird, dass der Forcer des Linearmotors den Hochdruckplunger mit erhöhter Geschwindigkeit in eine geänderte Position, In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the high-pressure plunger transmits a signal to the control unit when a definable penetration depth into the high-pressure cylinder is reached, and the servo converter is regulated in such a way that the forcer of the linear motor moves the high-pressure plunger at increased speed into a changed position,
insbesondere in die Ausgangsposition für einen maximalen Druckhub, verbringt. in particular in the starting position for a maximum pressure stroke.
Mittels obiger Ausführungsform des Verfahrens ist es mit Vorteil möglich, eine Füllzeit eines Hochdruckzylinders des Druckerzeugers zu verringern und dadurch bei Verwendung eines hochvolumigen Pulsationsdämpfers den Druckabfall im Hochdruckfluid zu begrenzen. Using the above embodiment of the method, it is advantageously possible to reduce the filling time of a high-pressure cylinder of the pressure generator and thereby to limit the pressure drop in the high-pressure fluid when using a high-volume pulsation damper.
Bei einer Verwendung von zwei Druckerzeugern im System, die durch eine Steuerungseinheit gephast mit nach obigem Verfahren geregelten Linearmotoren betrieben werden, kann auf einen Pulsationsdämpfer in der Hochdruckleitung verzichtet werden, weil durch eine raschere Füllung des Hochdruckzylinders mit einer folgenden Druckbeaufschlagung durch den Hochdruckplunger der Druck im When using two pressure generators in the system, which are operated phased by a control unit with linear motors controlled according to the above procedure, there is no need for a pulsation damper in the high-pressure line, because faster filling of the high-pressure cylinder with subsequent pressurization by the high-pressure plunger increases the pressure in the
Hochdruckfluid auch bei Förderungswechsel der Druckerzeuger erhalten bleibt. High-pressure fluid is retained even when the pressure generator is changed in funding.
Um bei zwei oder mehr als zwei zusammenwirkenden Vorrichtungen, welche jeweils mit in Axrichtung distanziert gegengleich gegenüberliegende Hochdruckzylinder mit Hochdruckplunger gebildet sind und zwischenliegend Linearmotoren aufweisen, welche die Hochdruckplunger bewegen, ein mit geringsten Schwankungen behaftetes Hochdruckfluid bereitzustellen, ist in günstiger Weise vorgesehen, dass eine Steuerungseinheit mit einem Servoumrichter die Linearmotorbewegungen der einzelnen Vorrichtungen synchronisiert und entsprechend einer IST-Druckermittlung In order to provide a high-pressure fluid with minimal fluctuations in the case of two or more than two interacting devices, which are each formed with high-pressure cylinders with high-pressure plungers located opposite one another at a distance in the axial direction and have linear motors in between, which move the high-pressure plungers, it is advantageously provided that a control unit the linear motor movements of the individual devices are synchronized with a servo converter and according to an actual pressure determination
in der Hochdruckleitung und den eingestellten Vorgaben regelt. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Prinzipskizzen und schematischen in the high-pressure line and the set specifications. In the following, the invention is based on basic sketches and schematic
Darstellungen, die allenfalls nur einen Ausführungsweg aufzeigen, näher erläutert Representations that only show one way of execution are explained in more detail
werden. will.
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Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Hochdruckpumpe mit einem Druckerzeuger und el. Linearmotorantrieb Fig. 1 high-pressure pump with a pressure generator and el. Linear motor drive
Fig. 1A Hochdruckverlauf Pumpe gem. Fig. 1 Fig. 1A High-pressure curve pump according to Fig. 1
Fig. 2 Hochdruckpumpe mit gephastem Druckerzeuger Fig. 2 high-pressure pump with phased pressure generator
Fig. 2A Hochdruckverlauf Pumpe gem. Fig. 2 Fig. 2A High-pressure curve pump according to Fig. 2
Fig. 3 Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüberliegenden Druckerzeugern mit el. Linearmotorantrieb Fig. 3 High-pressure pump with two opposite pressure generators in the axial direction with an electric linear motor drive
Fig. 3A Hochdruckverlauf Pumpe gem. Fig. 3 Fig. 3A High-pressure curve pump according to Fig. 3
Fig. 4 Hochdruckpumpe mit synchronisierten Druckerzeugern Fig. 4 high-pressure pump with synchronized pressure generators
Fig. 5 Hochdruckpumpe mit gekoppeltem Linearmotorantrieb Fig. 5 high-pressure pump with coupled linear motor drive
Fig. 6 Hochdruckpumpe mit längs gekoppeltem Linearmotorantrieb Fig. 6 high-pressure pump with longitudinally coupled linear motor drive
Fig. 7 Hochdruckpumpe mit zweistufiger Druckerhöhung Fig. 7 high-pressure pump with two-stage pressure increase
Eine leichtere Zuordnung der Teile und Komponenten in den Darstellungen und Skizzen soll die nachfolgende Bezugszeichenliste ermöglichen: The following list of reference symbols is intended to make it easier to allocate the parts and components in the illustrations and sketches:
D, D‘, D“, D“* Druckerzeuger D, D', D", D"* pressure generator
L, L‘, L“ Elektrischer Linearmotor P1, P2 Erzeugerdruck L, L', L" Electric linear motor P1, P2 Generating pressure
[p] Druck im Hochdruckfluid [{f] Zeit [p] pressure in high-pressure fluid [{f] time
1 Fluidzulauf 1 fluid inlet
2 Absperrventil 2 shut-off valve
3 Druckminderer 3 pressure reducers
4 Vordruckpumpe 4 booster pump
5 Filtereinheit 5 filter unit
6 Grundplatte 6 base plate
7 Führungsschiene 7 guide rail
8 Führungswagen 8 guide carriages
9 Stator 9 stator
10 Forcer 10 forcers
11 Steuerleitung 11 control line
12 Elektrische Steuerungseinheit 13 Saugventil 12 Electrical control unit 13 Suction valve
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14 Druckventil 14 pressure valve
15 Hochdruckzylinder 16 Anschlussflansch 15 high-pressure cylinder 16 connection flange
17 Hochdruckplunger 18 Plungerbefestigung 19 Verbindungsplatte 20 Pulsationsdämpfer 21 Druckaufnehmer 17 High-pressure plunger 18 Plunger attachment 19 Connection plate 20 Pulsation dampener 21 Pressure sensor
22 Hochdruckanschluss 23 Druckentlastungsventil 24 Drainageanschluss 22 High-pressure connection 23 Pressure relief valve 24 Drainage connection
Fig. 1 zeigt eine Hochdruckpumpe mit einem Fluidzulauf 1, einem Druckerzeuger D, einem elektrischen Linearmotor L und einem Hochdruckanschluss 22. Fig. 1 shows a high-pressure pump with a fluid inlet 1, a pressure generator D, an electric linear motor L and a high-pressure connection 22.
Weil die in den Prinzipskizzen (Fig. 1 bis Fig. 7) dargestellten Hochdruckpumpen auch vorteilhaft als Hochdruckpumpen für Wasserstrahl-Schneidanlagen einsetzbar sind, wurde für die Fluidversorgung schematisch eine Wasserversorgung in üblicher Art eingezeichnet. Because the high-pressure pumps shown in the schematic diagrams (FIGS. 1 to 7) can also be used advantageously as high-pressure pumps for water jet cutting systems, a water supply in the usual way has been drawn in schematically for the fluid supply.
Es bedeuten: Absperrventil für das Fluid: 2; Druckminderungsmittel (wenn erforderlich): 3; Vordruckpumpe: 4 zur raschen Fülling des Hochdruckzylinders: 15 des Druckerzeugers: D; Filtereinheit zur Reinigung des Fluids: 5; Rückschlagsaugventil: 13. The symbols mean: shut-off valve for the fluid: 2; Pressure reducing agent (if required): 3; Booster pump: 4 for rapid filling of the high-pressure cylinder: 15 of the pressure generator: D; Filter unit for cleaning the fluid: 5; Check suction valve: 13.
Es wird jedoch ausdrücklich festgehalten, dass die erfindungsgemäßen Hochdruckpumpen für alle Fluid-Medien in günstiger Weise einsetzbar sind. However, it is expressly stated that the high-pressure pumps according to the invention can be used in a favorable manner for all fluid media.
Nach Fig.1 ist auf einer Grundplatte 6 über einen Anschlussflansch 16 ein Druckerzeuger D mit einem Hochdruckzylinder 15 und einem in diesen einschiebbar ein Hochdruckplunger 17 festgelegt. Eine Bewegung des Hochdruckplungers 17 erfolgt über eine Plungerbefestigung 18 direkt in Axrichtung desselben durch einen Forcer 10 eines elektrischen Linearmotors L, wobei ein Stator 9 mit der Grundplatte 6 According to FIG. 1, a pressure generator D with a high-pressure cylinder 15 and a high-pressure plunger 17 that can be pushed into this is fixed on a base plate 6 via a connecting flange 16 . The high-pressure plunger 17 is moved via a plunger attachment 18 directly in the axial direction thereof by a forcer 10 of an electric linear motor L, with a stator 9 being connected to the base plate 6
verbunden ist. connected is.
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Die Bezeichnungen Forcer und Stator bedeuten in der gegenständlichen Beschreibung eines elektrischen Linearmotors der bewegte Teil und der feststehende Teil unabhängig vom Aufbau der Teile! Es ist auch möglich, dass der Stator als beweglicher Teil ausgeführt wird und der Forcer feststehend ausgebildet In the description of an electric linear motor, the terms forcer and stator mean the moving part and the stationary part, regardless of the structure of the parts! It is also possible for the stator to be designed as a moving part and for the forcer to be stationary
ist. is.
Der elektrische Linearmotor L ist mit einer elektrischen Steuerungseinheit 12 verbunden, welche mindestens eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für den elektrischen Linearmotor L, eine programmierbare The electric linear motor L is connected to an electric control unit 12, which at least one electric power supply, a servo converter for the electric linear motor L, a programmable
Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst. Includes arithmetic unit and measured value feeds.
Eine elektrische Steuerungseinheit 12 regelt eine Bewegungsrichtung des Forcers und eine unmittelbare Kraftwirkung auf den Hochdruckplunger 17 in einem Hochdruckzylinder 15 eines Druckerzeugers D, wobei prinzipiell ein Rückschlagsaugventil 13 im Fluidzulauf und ein weiteres Rückschlagventil 14 für eine Förderung von Hochdruckfluid vorgesehen sind. An electrical control unit 12 regulates the direction of movement of the forcer and a direct force effect on the high-pressure plunger 17 in a high-pressure cylinder 15 of a pressure generator D, with a non-return suction valve 13 being provided in the fluid inlet and a further non-return valve 14 for conveying high-pressure fluid.
Im Bereitstellungsbereich eines Anschlusses 22 von Hochdruckfluid sollen Druckschwankungen gering gehalten werden, was durch einen Pulsationsdämpfer 20 bewerkstelligt wird. In the area where high-pressure fluid is made available at a connection 22 , pressure fluctuations are to be kept low, which is accomplished by a pulsation damper 20 .
Ein Druckaufnehmer 21 übermittelt der Steuerungseinheit 12 Messwerte für einen jeweiligen Fluiddruck im Hochdruckbereich, welche Messwerte zur Regelung der A pressure sensor 21 transmits the control unit 12 measured values for a respective fluid pressure in the high-pressure range, which measured values for controlling the
Linearmotorbewegung beitragen können. Linear motor movement can contribute.
In der Leitung 20 des Hochdruckfluids kann, wie bekannt, ein Druckentlastungsventil 23 mit einem Drainageanschluss 24 vorgesehen sein. As is known, a pressure relief valve 23 with a drainage connection 24 can be provided in the line 20 for the high-pressure fluid.
In Fig. 1A ist in einem Diagramm schematisch ein Verlauf von Druck [p] in der Hochdruckleitung 22 einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit [t] In Fig. 1A is a schematic diagram of a course of pressure [p] in the high-pressure line 22 of a device according to Fig. 1 as a function of time [t].
dargestellt. shown.
Durch eine von der Steuerungseinheit 12 geregelte Bewegung des Forcers 10 des By a movement of the forcer 10 of the control unit 12 controlled
elektrischen Linearmotors L wird der Hochdruckplunger 17 in den Hochdruckzylinder electric linear motor L, the high-pressure plunger 17 in the high-pressure cylinder
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15 gedrückt, wobei in der Hochdruckleitung 20 der Fluiddruck [p] im Bereich a auf einen vorgesehenen Druck p+; steigt. 15 is pressed, wherein in the high-pressure line 20 the fluid pressure [p] in the region a is reduced to an intended pressure p+; increases.
Nach einer Förderphase von Fluid im Bereich ß erfolgt der Rückhub des Hochdruckplungers 17 durch den Forcer 10 des elektrischen Linearmotors L, welcher Rückhub gegebenenfalls mit erhöhter Geschwindigkeit beziehungsweise in verkürzter Zeit geregelt durch die elektrische Steuerungseinheit 12 erfolgen kann. After a fluid delivery phase in region β, the high-pressure plunger 17 is returned by the forcer 10 of the electric linear motor L, which return stroke can be done at increased speed or in a shorter time, controlled by the electric control unit 12 .
Das Druckventil 14 schließt und der Fluiddruck im Pumpensystem würde infolge einer Entnahme im Bereich v der Darstellung gemäß Fig. 1A auf einen Umgebungsdruck fallen. Mittels eines Pulsationsdämpfers 20 in der Hochdruckleitung erfolgt jedoch eine Nachlieferung von Hochdruckfluid in das The pressure valve 14 closes and the fluid pressure in the pump system would fall to an ambient pressure as a result of a withdrawal in the region v of the illustration according to FIG. 1A. However, by means of a pulsation damper 20 in the high-pressure line, high-pressure fluid is subsequently supplied to the
System, so dass ein Druckabfall p» im Bereich 6 verzögert ist. System, so that a pressure drop p» in area 6 is delayed.
Bei einem Erreichen des Hochdruckplungers 17 in der Ausgangsposition im Hochdruckzylinder 15 schließt sich unmittelbar eine neuerliche Druckphase des Forcers 10 an, wodurch der Druckabfall pz im Fluid im Bereich 5 des Diagrammes abgefangen und der vorgegebene Förderdruck p+; wieder eingeregelt wird. When the high-pressure plunger 17 reaches the starting position in the high-pressure cylinder 15, a renewed pressure phase of the forcer 10 immediately follows, as a result of which the pressure drop pz in the fluid is intercepted in area 5 of the diagram and the specified delivery pressure p+; is adjusted again.
In Fig. 2 ist eine Hochdruckpumpe mit gephastem, beziehungsweise in Phase In Fig. 2 is a high-pressure pump with phased, or in phase
betriebenem Druckerzeuger D dargestellt. operated pressure generator D shown.
Die einzelnen Druckerzeuger D, D‘, D“ sind jeweils gleich aufgebaut wie jener, der in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch sind die zugehörigen elektrischen Linearmotoren L, L‘, L“ mit einer Steuerungseinheit 12 verbunden, welche in Abhängigkeit von der Zeit die Bewegung der Hochdruckplunger 17, 17°, 17“ regelt. Derart ist eine Fluidförderung in die Hochdruckleitung 20 abgestimmt und eine Druckschwankung in dieser minimiert, wie in Fig. 2A dargestellt ist. The individual pressure generators D, D', D" are each constructed in the same way as that shown in FIG. 1, but the associated electric linear motors L, L', L" are connected to a control unit 12 which controls the movement of the high-pressure plungers 17, 17°, 17". In this way, fluid delivery into the high-pressure line 20 is balanced and pressure fluctuation therein is minimized, as illustrated in FIG. 2A.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüberliegend den Druckerzeuger D und D‘ mit einem zwischenliegenden elektrischen Linearmotor. Zwar ist eine derartige Positionierung von Druckerzeugern D, D‘ an sich bekannt, jedoch werden durch Anordnung eines zwischenliegenden 3 schematically shows a high-pressure pump with two opposite pressure generators D and D' in the axial direction, with an electric linear motor in between. Although such a positioning of pressure generators D, D 'is known per se, but by arranging an intermediate
elektrischen Linearmotors L mit einer Steuerungseinheit 12 anlagentechnisch und electric linear motor L with a control unit 12 in terms of system technology and
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verfahrenstechnisch entscheidenden Vorteile erreicht, welche Probleme im Stand der Technik auch in wirtschaftlicher Hinsicht lösen. achieves decisive advantages in terms of process technology, which also solve problems in the prior art from an economic point of view.
Im Einzelnen ist der Forcer 10 eines elektrischen Linearmotors L mittels Plungerbefestigungen 18, 18‘ mit den jeweils gegenüber liegenden Hochdruckplungern 17, 17‘ der beiden Hochdruckzylinder 15, 15‘ der Druckerzeuger D,D‘ zu einer höchst vorteilhaften, kompakten, spielfreien, leichten Einheit In detail, the forcer 10 of an electric linear motor L by means of plunger attachments 18, 18' with the opposite high-pressure plungers 17, 17' of the two high-pressure cylinders 15, 15' of the pressure generator D, D' is a highly advantageous, compact, backlash-free, lightweight unit
verbunden. tied together.
Bei einer Entnahme von Hochdruckfluid aus einem Anschluss 22 erfolgt unmittelbar durch die elektrische Steuerungseinheit 12 eine Regelung der Funktion des elektrischen Linearmotors L. Eine Linearbewegung des Forcers 10, in welche Richtung auch immer, bewirkt jeweils eine Fluidförderung eines Druckerzeugers D und gleichzeitig im gegenüber liegenden Druckerzeuger D‘ eine Füllung des Hochdruckzylinders 17°. When high-pressure fluid is removed from a connection 22, the function of the electric linear motor L is regulated directly by the electric control unit 12. A linear movement of the forcer 10, in whatever direction, causes fluid to be delivered to a pressure generator D and at the same time to the opposite pressure generator D' a filling of the high-pressure cylinder 17°.
Eine Darstellung des Druckes [p] über die Zeit [t] bei einer vorgenannten Hochdruckpumpe im Betrieb zeigt Fig. 3A. A representation of the pressure [p] over time [t] in an aforementioned high-pressure pump in operation is shown in FIG. 3A.
Die beiden alternativ fördernden und mit Fluid befüllten Hochdruckzylinder 15,15‘ bewirken einen weitgehend stabilen Förderdruck p+ im Hochdruckfluid mit geringen Druckeinbrüchen p»2, verursacht durch eine Umschaltung der beiden Druckerzeuger D, D‘. The two high-pressure cylinders 15, 15', which deliver alternatively and are filled with fluid, cause a largely stable delivery pressure p+ in the high-pressure fluid with small drops in pressure p»2, caused by a switchover of the two pressure generators D, D'.
In Fig. 4 ist schematisch eine Hochdruckpumpe mit synchronisierten Druckerzeugern entnehmbar. A high-pressure pump with synchronized pressure generators can be seen schematically in FIG.
Eine derartige, geringste Druckschwankungen im Bereich des Hochdruckanschlusses 22 aufweisende Fluidfördereinrichtung ist mit vier synchronisiert arbeitenden Druckerzeugern D, D‘, D“, D‘“ bzw. mit zwei Vorrichtungen mit in Axrichtung gegengleich gegenüber liegenden Druckerzeugern gebildet. Such a fluid delivery device, which has minimal pressure fluctuations in the area of the high-pressure connection 22, is formed with four synchronized pressure generators D, D', D", D'" or with two devices with pressure generators located opposite one another in the axial direction.
Bei einer derartigen Hochdruckpumpe, wie in Fig. 4 dargestellt ist, werden die elektrischen Linearmotoren L, L‘ mittels der elektrischen Steuerungseinheit 12 derart In such a high-pressure pump, as shown in Fig. 4, the electric linear motors L, L 'by means of the electric control unit 12 such
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synchron geregelt, dass jederzeit mindestens ein Druckerzeuger D Hochdruckfluid zu den von der elektrischen Steuerungseinheit 12 ermittelten Bedingungen fördert. synchronously regulated that at all times at least one pressure generator D promotes high-pressure fluid under the conditions determined by the electrical control unit 12 .
Im Folgenden wird eine Intensivierung der Druckkräfte auf die Hochdruckzylinder 17 vom Druckerzeuger D durch gekoppelte elektrische Linearmotoren anhand An intensification of the pressure forces on the high-pressure cylinders 17 from the pressure generator D by means of coupled electric linear motors is shown below
schematischer Darstellungen offenbart. schematic representations disclosed.
In Fig. 5 ist eine Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüber liegenden Druckerzeugern D, D‘ dargestellt, wobei zur Erhöhung der translatorischen Kräfte zwischen den hydraulischen Druckerzeugern D, D‘ eine zur Axe parallele 5 shows a high-pressure pump with two pressure generators D, D' lying opposite one another in the direction of the axis. To increase the translatory forces between the hydraulic pressure generators D, D', a
Anordnung von elektrischen Linearmotoren L vorgesehen ist. Arrangement of electric linear motors L is provided.
Fig. 6 zeigt schematisch eine serielle Anordnung von elektrischen Linearmotoren L, Fig. 6 shows schematically a serial arrangement of electric linear motors L,
L‘ zwischen den hydraulischen Druckerzeugern D, D‘. L' between the hydraulic pressure generators D, D'.
In Fig. 7 ist eine Hochdruckpumpe mit zweifacher Druckerhöhung durch zwei mit elektrischen Linearmotoren L, L‘ angetriebenen Pumpen dargestellt. 7 shows a high-pressure pump with a double pressure increase by two pumps driven by electric linear motors L, L'.
Die erste Druckerhöhung des Fluids von einem Zulaufdruck 1 in einem Hochdruckbereich erfolgt mittels eines ersten Linearmotor-Pumpensystems. Aus diesem Hochdruckbereich wird mittels eines zweiten elektrischen LinearmotorPumpensystems eine weitere Drucksteigerung des Hochdruckfluids bewirkt. Eine Regelung und Abstimmung der beiden elektrischen Linearmotoren L, L‘ der beiden Pumpen erfolgt durch die Steuerungseinheit 12. The first pressure increase of the fluid from an inlet pressure 1 in a high-pressure area takes place by means of a first linear motor pump system. From this high-pressure area, a further increase in the pressure of the high-pressure fluid is brought about by means of a second electric linear motor pump system. The control unit 12 regulates and coordinates the two electric linear motors L, L' of the two pumps.
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