CN100412369C - 对工具进行气动操作的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于工具的气动操作的装置，包括大致封闭的压力流体回路(2)，至少一个用来增加在所述回路内压力流体的压力的压缩机(5)，所述压缩机(5)具有入口和出口，以及被所述回路内的压力流体驱动的工具，并且经过所述工具，压力流体在所述回路内从所述压缩机(5)的出口被输送至所述入口。由所述压缩机产生的压力以及所述工具(8)所采用的载荷被设置成使得在所述工具(8)下游的回流压力流体的压力高于周围大气的压力。

Description

对工具进行气动操作的方法和装置
技术领域
本发明涉及对工具进行气动操作的方法。更具体地讲，本发明涉及用来在气动装置内控制压力流体流动的方法。
本发明还涉及用来实现所述方法的装置。更具体地讲，本发明涉及用于工具的气动操作的装置。
本发明可适用于所有种类的气动装置，例如发动机以及通过空气或任何其他气体操作的工具。在此所指的工具应该被认为是在广泛意义上的，包括任何工业使用的装置、用于车辆气动操作的装置、用于发动机阀门的气动激发致动器、所有类型的作业工具等。
“大致封闭”指的是一种回路尽可能地封闭，也就是这样一种回路，通过其形成从压缩机的出口、经过所操作的工具到达压缩机的入口的连续压力流体管路。优选地，此种回路不包括被有意地布置的可使所述压力流体泄漏到周围大气中去的通路。
背景技术
气动系统通常包括用来压缩流体、空气或任何其他气体的压缩机，以及与所述压缩机连通的容箱和用来引导流体至一个或多个使用场所的管路。通常，所述使用场所是气动构件，例如气动工具或气动发动机。
在压缩空气时会产生热量，在目前的气动系统内，该热量通常并且大体上，在所述空气已经到达使用场所之前被传递至外界环境。应该注意的是关于空气的具有300K温度以及1巴绝对值至10巴绝对值的压力的所谓绝热压缩(与环境没有任何热交换，并且在此被认为是与活塞式压缩机有关，其是一种在本技术领域常见类型的压缩机)，最终温度大约为579K。如果在使用场所的温度下降到300K，则使用场所的空气的体积，即所述工具使用的空气的体积，下降(1-300/579)×100％＝48％。通常，热量至环境的传递仅是一种很大的能量损耗。偶尔，压缩热量被利用为加热水的目的，从而导致总经济状况的显著改善。然而，装置的尺寸，即压缩机的尺寸及其容量保持相同。此外，用于存储空气的容箱，以及空气管路，可被绝缘到特定程度，这也对于减小能量消耗具有积极的作用。根据使用场所所需的空气以及热量的损耗来确定所述压缩机和所述容箱的尺寸。
除了由所述热量损耗构成的最主要的损耗源之外，也存在其他损耗。所述热量损耗负面地影响能量效率。过多的能量必须用于压缩机的操作，才能将例如压缩空气供给至特定功率的工具。
发明内容
本发明的主要目的是提供使出现在回路中热量损耗最小化的同时、可满足用来操作工具所需的压力流体、空气或其他气体的方法和装置。
本发明另一目的是提供对于特定工具的操作允许使用相对低容量的压缩机、即空气能量的低消耗的方法和装置。
通过技术领域部分中限定的方法并结合以下特征，即由压缩机产生压力，并且在工具处的载荷被以下述方式控制，即在所述工具的下游，回路内的回流压力超过周围大气压力；回路包括回流管路，并且利用第二热交换器来冷却存在于所述回流管路内的压力流体，以及技术领域部分中限定的装置并以下特征，即还包括压力流体源，经过所述压力流体源，压力流体被引导至压缩机的入口，在所述压力流体源内的压力高于回流管路内的压力，可以实现本发明的主要目的。
本发明是基于这样的结论，即如果经过压缩同时没有热量产生来获得必须的压力流体，则热量损耗可被减小到相应的程度，并且压缩机可显著被制造得很小，这在一些场合具有很重要的优势。
根据本发明，在压缩过程由提高、并高于周围大气的压力来实现时，由压缩机所致的温度增加非常微小，同时对于特定的绝对温度增加而言导致非常小的热量损耗。一个条件是从所述压缩机将压力流体引导至所述工具的管路的环境具有特定的最大温度，其低于在压缩时压力流体从大气压力直至必须的压力时所具有的温度。此外，所述管路的长度应使得其造成热量交换，这将通常使得所述压力流体的温度降低到环境的温度。实施本发明可导致显著降低的压缩温度，即压缩气体的温度，而这会导致减小热量损耗的潜能以及增大热量供应的潜能。
为了获得气动操作工具的有用功输出，需要有高压源和低压源。在当前的系统中，低压源由周围大气构成，其压力大约为1巴。通过将大气的空气压缩成特定的压力，例如在下例中为10巴，来获得高压源。通过所述高压源与低压源之间的压差来驱动气动工具，在这种情况下大约为9巴。如果低压源例如为11巴并且高压源为20巴，则将有相同的压力差。从1巴至10巴的压缩时的温度增加显著高于从11巴至20巴的压缩时的温度增加。因此，对后一种情况，由于压缩时温度增加显著低，因此热量损耗的潜能显著更小。与第一种情况(9/1)相比，在第二种情况(20/11)中，压力比即高压源与低压源之间的比例关系很小。压力比(30/21)，(40/31)等越小，则温度增加越少。在由于压缩之后的相对低的温度减小了热损耗的潜能时，增加了热量供应的潜能。
有助于实现本发明目的的方法的优选实施方式限定为：
可选地，来自压力流体源的压力流体在所述工具的下游被供应至所述回路，用来补充在所述回路内损耗的压力流体；
可选地，所述回路包括从所述压缩机延伸到所述工具的压力流体管路，并且所述管路被隔离，以减小所述压力流体与周围环境的热交换；
可选地，所述回路包括从所述压缩机延伸至所述工具的压力流体管路，并且从外部热源将热量供应至所述管路，用来维持或增加所述管路内压力流体的温度；
以及，一种用于工具的气动操作的装置，包括大致封闭的压力流体回路，至少一个用来增加在所述回路内压力流体的压力的压缩机，所述压缩机具有入口和出口，被所述回路内的压力流体驱动的工具，并且经过所述工具，压力流体在所述回路内从所述压缩机的出口被输送至所述入口，其特征在于，由所述压缩机产生的压力以及所述工具所采用的载荷以下述方式设置，即在所述工具下游的压力流体的回流压力高于周围大气的压力；以及通过所述回流管路而布置的热交换器，用于冷却所述回流管路内的压力流体。如果所述装置设置于或者包括内燃机或在操作时具有高于周围大气温度的温度的其他产热部件，则热交换器沿在压缩机与工具之间延伸的压力流体管路的部分被有利布置，用来从所述内燃机或产热部件将热量传递至压力流体从而用来进一步减小热量损耗，或甚至用来加热所述压力流体。
在以下所述内容中限定了有助于实现本发明的目的的装置的优选实施方式。
可选地，根据本发明的装置还包括热交换器，通过所述热交换器，所述回路内的压力流体在所述压缩机下游和所述工具上游与外部热源之间热量进行交换。
可选地，所述装置被设置在内燃机上，并且所述热源包括被所述内燃机加热的流体或部件。
在以下详细说明中指出根据本发明的方法和装置的其他特征和优点。
在以上、以下，单独或作为其他词组一部分时，流体指的是气体或气体混合物，优选为空气。
在目前用于操作工具的压缩机结构中，空气通常取自大气并且被压缩成在6至10巴绝对值范围内的最终压力。在空气已经被用于操作工具后，其被回流到大气。根据本发明，空气不应被回流到大气，而实际上，它应在封闭的系统内被回流到压缩机。对于本发明而言，其特征在于，回流空气应具有超过大气压力的压力。作为结果，在压缩机的空气应该被压缩成一定压力，该压力高于通过用来将空气回流至大气的开放系统操作特定工具从而由该工具获得必须量的功所需的压力。根据本发明，从封闭系统泄漏的空气被来自大气或存储器的空气补偿。以下，通过一个实例将说明这些优点。
在本发明的以下实例中，示出了如何将热量损耗的潜能显著程度地减小。大气空气的1巴绝对值且300K温度至10巴绝对值的压力的绝热压缩，即9巴的压力差，导致大约579K的最终温度。直至具有300K的周围温度的使用场所的热量损耗潜能(差值)，是579减去300，即279度。在根据本发明的封闭系统内，在那里，在绝热压缩上升到20巴绝对值之前，空气压力为11巴并且温度为300K，即9巴的压力差，得到大约356K的最终温度。直至使用场所的热量损耗潜能(差值)为356-300，即56度。在第一种情况中，温度为279度高于环境温度，并且在第二种情况中，其为56度也高于环境温度。后一种、即本发明的情况导致了热量损耗至环境的潜能的显著降低。同时，增加了热量供应的潜能。根据该实例，具有超过356K温度的热源可被用来增加在空气压缩到20巴的过程中的温度。这反过来导致了体积的增加，这意味着对于特定的需求需要产生更小量的20巴的空气，反过来同时导致了对压缩机作功需求的减小。
通过实施本发明，可用更小的例如具有更佳流动能力但以低压缩比操作的旋转式压缩机来代替活塞式压缩机，从而将效率维持在很高的级别上。所需的移动随增加的回流压力而减小，反过来导致了更小的摩擦以及更小的热传递表面。优选地，废弃的热量或任何其他热源被用来加热所述空气或至少使其冷却最小化，这是在其被供应至作业工具之前而实现的。然后，在压缩之前也需要对流体进行冷却。有利地，从被最终冷却前的回流空气中再次获得的热量，这是在进行对其的压缩(如果温度高于压缩之后，这能导致从所述工具上游的热源供应过多的热量)之前并且在任何热量从热源被供应之前来进行的。通过这种加热和冷却，提出一种气动能量转化器，并且借助于外部热量源，与由所述压缩机供应的情况相比，通过例如作业工具或膨胀机所产生的功更多。在封闭的系统内，对于排除冷凝水的需要被最小化。
在以下详细的说明以及在剩下的权利要求书中将说明本发明的其他优点和特征。
附图说明
以下，通过参看附图，并通过实施例，将更加详细说明本发明，其中：
图1是示意图，其示出了根据本发明装置的气动回路，
图2是示意图，其示出了根据本发明装置的第二实施方式的装置的气动回路，
图3是示意图，其示出了根据本发明装置的第三实施方式的装置的气动回路，以及
图4是示意图，其示出了根据本发明装置的第四实施方式的装置的气动回路。
具体实施方式
图1示出了带有大致封闭的压力流体回路2的装置1，其包括至少一个压缩机5，该压缩机以低压缩比和高压来压缩和泵送流体。在压缩的过程中，所述流体经过压缩机5从其入口4被输送至其出口3。对于在所述压缩机内压力的特定的绝对值增加，出口3的压力与入口4的压力之间的关系与目前的方法/装置相比显著低，这是由于入口4的压力大于周围大气的压力，并且因为目前的装置以大致与周围大气压力一致的入口压力进行操作。优选地，所述入口压力是周围大气压力的1.5倍以上、优选2.0倍以上。
流体从压缩机5经过管路6被引导到至少一个流体操作的工具8的入口7。所述工具8可包括往复式活塞，用作于活塞式膨胀机或者用来操作内燃机的阀门的气动激发致动器中。大体上，工具8是发动机，作业工具或任何其他气动操作的装置。管路6内的压力在压缩机的出口3处与在工具8的入口7处大致相同。流体经过工具8被引导至其出口9。在工具8内，所供应的流体在其经过所述工具到达出口9时作功。经过管路10，出口9与压缩机5的入口4连通。通过压缩机与工具之间的管路6内的流体与在回流管路10内的和/或经过流体经由入口7从管路6再经由出口9至管路10膨胀的流体之间的压力差来作功。在管路10内，工具8的出口9处的压力与在压缩机5的入口4处的压力大致相同。经由回流管路10，流体从工具的出口9回流到压缩机5的入口4。经由压缩机5或回流管路10内的另一入口11，或可选地，通向管路6的另一入口，流体被供应，以便作为对泄漏到系统以外的流体的补充。新添加的流体取自大气或存储器12，存储器里的压力优选高于周围大气。
图2示出了根据图1的装置的另一个实施方式。除了第一压缩机5，根据图2的装置还包括第二压缩机13。所述第二压缩机13被这样设置，即与泄漏到系统即装置1以外的流体的量相应的流体间接经过回流管路10或直接被供应至所述第一压缩机。经过第二压缩机13的入口14，流体从周围大气或存储器12被抽吸进来，并且经过压缩机13经由出口15被引导至第一压缩机5，用来在后者中进一步压缩。
图3示出了根据图1和图2的另一个实施方式。根据图3的装置包括至少一个热交换器16，其具有高于周围大气的温度，并且通过其，在管路6内的流体被加热，或至少防止冷却到就好像仅仅利用周围大气冷却载有压力流体的管路6的程度。所述装置还包括热交换器17，其具有低于周围大气的温度或具有相对于周围大气提高的热传导性，并且通过该热交换器，与如果仅仅由周围大气作用的情况相比，在回流管路10内的流体被更加快速地冷却。供应至第一热交换器16并且用于该热交换器的热量可由废弃的热量构成，例如来自内燃机或锅炉或任何工业过程的废气。出于操作作为气动能量转化器的装置1的目的，热量也可从任何其他热源供应。
在第二热交换器内的冷却介质可以是例如诸如水的液体，与围绕所述回流管路的大气的空气相比，具有更低的温度和/或更高的热容量。
图4示出了图3的另一个实施方式，其中，布置了用来从回流管路10内的流体向管路6内的流体回收热量的热交换器18，所述热交换器通过管路6被设置在压缩机5的出口3与工具8的入口7之间。热交换器18在管路6中被布置在用于热量供应的第一热交换器16的上游的位置。
根据本发明特定、优选的实施方式，该装置被设置成连通内燃机。所述工具包括一个或多个气动操作即无需凸轮轴的、用于发动机气缸的入口和出口阀门的致动器。第一压缩机5是活塞式压缩机或螺旋式压缩机。如果发动机包括用来压缩通过燃烧同燃料一起使用的空气的压缩机，则该压缩机优选形成根据本发明的第二压缩机。第一热交换器优选与用来使用热废气作为热交换介质的废气系统连通。
应该清楚，在不脱离本发明保护范围的前提下，本领域技术人员将能对根据本发明的装置的上述实施方式进行多种改型，这是因为本发明是由说明书和附图所支持的所附的权利要求书限定。

Claims (8)

1. 用来在气动装置(1)内控制压力流体流动的方法，该气动装置包括：
-大致封闭的压力流体回路(2)，
-至少一个压缩机(5)，用来增加在所述回路内压力流体的压力，所述压缩机具有入口(4)和出口(3)，
-被所述回路内的压力流体驱动的工具(8)，并且经过所述工具，压力流体在所述回路内从所述压缩机的出口(3)被输送至所述入口(4)，其特征在于，由所述压缩机(5)产生压力，并且在所述工具(8)处的载荷被以下述方式控制，即在所述工具(8)的下游，所述回路内的回流压力超过周围大气压力；所述回路包括回流管路(10)，并且利用第二热交换器(17)来冷却存在于所述回流管路内的压力流体。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，来自压力流体源(12)的压力流体在所述工具(8)的下游被供应至所述回路，用来补充在所述回路内损耗的压力流体。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述回路包括从所述压缩机(5)延伸到所述工具(8)的压力流体管路(6)，并且所述管路被隔离，以减小所述压力流体与周围环境的热交换。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回路包括从所述压缩机(5)延伸至所述工具(8)的压力流体管路(6)，并且从外部热源(16)将热量供应至所述管路，用来维持或增加所述管路内压力流体的温度。
5. 用于工具的气动操作的装置，包括
-大致封闭的压力流体回路(2)，
-至少一个用来增加在所述回路内压力流体的压力的压缩机(5)，所述压缩机具有入口(4)和出口(3)，
-被所述回路内的压力流体驱动的工具(8)，并且经过所述工具，压力流体在所述回路内从所述压缩机(5)的出口(3)被输送至所述入口(4)，其特征在于，由所述压缩机(5)产生的压力以及所述工具(8)所采用的载荷以下述方式设置，即在所述工具(8)下游的压力流体的回流压力高于周围大气的压力；以及
-通过所述回流管路(10)而布置的热交换器，用于冷却所述回流管路(10)内的压力流体。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括压力流体源(12)，经过所述压力流体源，压力流体被引导至所述压缩机(5)的入口，在所述压力流体源(12)内的压力高于所述回流管路(10)内的压力。
7. 根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，还包括热交换器(16)，通过所述热交换器，所述回路内的压力流体在所述压缩机(5)下游和所述工具(8)上游与外部热源之间热量进行交换。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置被设置在内燃机上，并且所述热源包括被所述内燃机加热的流体或部件。
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