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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energieumwandlungseinheit zur
Umwandlung pneumatischer Energie in elektrische Energie sowie ein
Verfahren zur Umwandlung pneumatischer Energie in elektrische Energie.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solch eine Energieumwandlungseinheit,
die in der Lage ist, die einem pneumatischen Ventil, einer Ventileinheit
oder einer Ventil-Zylinder-Einheit ohnehin zur Verfügung gestellte
Art von pneumatische Energie beispielweise in Form von Druckluft
kontinuierlich in elektrische Energie umzuwandeln, um damit beispielsweise
ein zugehöriges Vorsteuerventil
elektrisch schalten zu können.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann somit folglich ein separater
elektrischer Anschluss für
das pneumatische Ventil, die Ventileinheit oder die Ventil-Zylinder-Einheit,
die im Folgenden kumulativ als Ventileinheit bezeichnet werden,
oder ein separater elektrischer Anschluss für ein zugehöriges Vorsteuerventil eingespart
werden. Letztendlich ist es somit möglich, die gesamte Energieversorgung
auf lediglich einen pneumatischen Anschluss zu reduzieren, was verschiedene
mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Vorteile wie beispielweise
Kostensenkung bei der Installation, ein einfacheres und sichereres
Anschließen
der Energieleitungen sowie geringerem Platzbedarf für die Energieleitungen
mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil besteht ferner darin, dass
aufgrund der ausschließlichen
Energieversorgung mit pneumatischer Energie die Energieversorgung
auch durch brand- und/oder explosionsgefährdete Bereiche geführt werden
kann.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zur
Steuerung der Beaufschlagung einer an sich bekannten Ventil-Zylinder-Einheit
mit pneumatischer Energie werden üblicherweise pneumatische Ventile
oder Ventileinheiten verwendet, die je nach gewünschter Hubrichtung der Ventil-Zylinder-Einheit den
Kolben derselben von unterschiedlichen Seiten mit pneumatischer
Energie beaufschlagen. Zur Schaltung dieser Ventileinheiten benötigen diese
drei unterschiedliche Anschlüsse:
einen ersten Anschluss zur Bereitstellung pneumatischer Energie
in Form von Druckluft, einen zweiten Anschluss zur Bereitstellung
elektrischer Energie für
eine zugehörige elektropneumatische
Vorsteuerung und einen dritten Anschluss für die zum Schalten der Ventileinheit
erforderliche, elektronische Datenübertragung.
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Eine
derartige Anlage ist in der 1 dargestellt,
die drei Ventil-Zylinder-Einheiten 1 zeigt, welche über eine
Systemprozesssteuerung 2 sowie einen pneumatischen Anschluss 3 gesteuert
und betrieben werden. Die drei Ventil-Zylinder-Einheiten 1 werden über drei
Ventileinheiten 4 mit pneumatischer Energie versorgt, wobei
zur Steuerung der Ventileinheiten 4 jedem einzelnen ein
zugehöriges
Vorsteuerventil 6 zugeordnet ist, welches seinerseits mit
elektrischer Energie versorgt wird. Diese elektrische Energie sowie
die zur Steuerung der Vorsteuerventile 6 erforderlichen
Daten werden von der Systemprozesssteuerung 2 über die
kombinierten Energie- und Datenleitungen 5 bereit gestellt,
die beispielsweise als 4–24
mA Zweileiterschleife ausgeführt
sein können.
Wie der 1 somit deutlich entnommen werden
kann, ist zur Steuerung einer jeden Ventil-Zylinder-Einheit 1 zumindest
sowohl ein pneumatischer Anschluss 3 sowie eine separate
Energie- und Datenleitung 5 erforderlich, die hier jedoch
bereits zu einer Leitung 5 zusammengefasst sind.
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Die 2 zeigt
eine Vision eines weiteren bereits theoretisch angedachten und weiterentwickelten
Systems, bei dem die drei Ventil-Zylinder-Einheiten 1 über eine
kombinierte Energie- und Datenübertragungsleitung 7 gesteuert
werden. Diese kombinierte Leitung 7 integriert wie bereits
zuvor die elektrische Energieversorgung mit der Datenübertragung
in einem gemeinsamen Kabel. Im Unterschied zu dem System der 1 ist
hier jedoch bereits die kombinierte Energie- und Datenübertragungsleitung 7 körperlich
mit dem pneumatischen Anschluss 3 zu einer körperlichen
Einheit in Form eines Druckschlauches vereint ist, welcher beispielsweise
in seiner Schlauchhülle
die zur Energie- und
Datenübertragung
benötigten
Leiter aufnehmen kann. Dennoch ist es, wie auch bei dem in der 1 dargestellten System,
auch bei der in der 2 dargestellten Anordnung immer
noch erforderlich, sowohl eine pneumatische als auch eine separate
elektrische Energieversorgung bereitzustellen.
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Bei
größeren Anlagen,
wie sie in der Industrie häufig
anzutreffen sind, entsteht durch diese beiden separaten Energieleitungen
häufig
ein zeit- und kostenaufwendiger Verschlauchungs- und Verkabelungsaufwand, welcher auch
beim Austausch von Ventilen von Nachteil ist, da insbesondere beim
Austausch von Ventilen häufig
Folgeausfälle
infolge falscher Installation der Verkabelung verursacht werden.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ausgehend
von den zuvor beschriebenen Problemen, die bei der Versorgung von
Ventileinheiten mit pneumatischer und elektrischer Energie entstehen,
liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zu Grunde, eine
Möglichkeit
zu schaffen, den umfangreichen sowie sehr zeit- und kostenaufwendigen
Verschlauchungs- und Verkabelungsaufwand, der bei der Installation
von für
die Steuerung von Ventil-Zylinder-Einheiten erforderlichen Ventileinheiten
entsteht, zu minimieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit
einer Energieumwandlungseinheit gelöst, die die zum Betrieb einer
Ventil-Zylinder-Einheit ohnehin erforderliche pneumatische Energie
kontinuierlich in elektrische Energie umwandelt. Ein mit der vorliegenden
Erfindung erreichbarer Vorteil besteht somit darin, dass zusätzlicher
Verkabelungsaufwand für
die elektrische Energie vollkommen entfällt. Die erfindungsgemäße Energieumwandlungseinheit
umfasst hierzu ein Gehäuse,
das seinerseits eine Arbeitskammer bildet. In der Arbeitskammer
des Gehäuses
mündet
zumindest ein erster Druckmittelanschluss, welcher kontinuierlich
mit konstantem Druck beaufschlagt wird. Diese Druckbeaufschlagung
kann mit Dücken
in beliebigen Druckbereichen erfolgen, wobei es sich bei Versuchen
jedoch als günstig
erwiesen hat den Druck auf ungefähr
3 bis 6 bar einzustellen. In der Arbeitskammer des Gehäuses ist
ein mit einem Kolben einer Ventil-Zylinder-Einheit vergleichbarer Stößel eingepasst,
um infolge einer wechselseitigen Kraftbeaufschlagung in der Arbeitskammer
eine translatorische, periodische Pendelbewegung auszuführen. Dieser
Stößel unterteilt
die Arbeitskammer in jeder Stellung in einen ersten und zweiten
Arbeitskammerabschnitt.
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Die
Kraftbeaufschlagung des Stößels kann beispielsweise
mittels einer Druckbeaufschlagung über den Druckmittelanschluss
erfolgen, wobei die Rückstellung
des Stößels selbstverständlich auch über eine
Feder erfolgen kann. In der Arbeitskammer des Gehäuses ist
ferner eine Spule, wie beispielsweise eine Tauchspule mit einer
Vielzahl von Windungen angeordnet. Diese Tauchspule umfasst einen
Magneten, wie beispielsweise einen Dauermagneten, der derart mit
dem Stößel verbunden
ist, um gemeinsam mit dem Stößel die
bereits genannte translatorische, periodische Pendelbewegung auszuführen. Dabei
ist der Magnet derart zur Bewegung mit dem Stößel angeordnet, um infolge
eines über
den ersten Druckanschluss auf den Stößel aufbringbaren Druckimpulses in
die Spule einzutauchen. Selbstverständlich ist es mittels einer
einfachen kinematischen Umkehr ebenso möglich, den Magneten stationär und die
Spule verschieblich anzuordnen. Durch die gegenseitige Eintauchbewegung
des Magneten in die Spule wird in der selben eine elektrische Spannung
induziert, wodurch das Ziel erreicht wird, aus der der Energieumwandlungseinheit
zugeführten
pneumatischen Energie elektrische Energie in Form der hier in der Spule
induzierten elektrischen Spannung zu erzeugen.
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Die
Energieumwandlung erfolgt dabei in zwei Schritten: In einem ersten
Schritt wird die pneumatische Energie in einem ersten Umwandlungsschritt
in mechanische Energie in Form kinetischer Bewegungsenergie des
Stößels umgewandelt.
Hierbei wird im Unterschied zu einer Ventil-Zylinder-Einheit der
Stößel, der
hier vergleichbar mit dem Kolben einer Ventil-Zylinder-Einheit ist, nicht kontinuierlich von
einer Seite mit Druckluft versorgt, sondern nur in den Endlagen
der beiden Schaltstellungen des Stößels mit lediglich einem kurzen
Druckimpuls beaufschlagt, wodurch die schwingende Pendelbewegung eingeleitet
wird. Dieser in einem kurzen Schaltbereich in einen ersten Arbeitskammerabschnitt
eingespeiste Druckimpuls entspannt sich im Verlaufe des Schaltvorgangs,
wohingegen in dem gegenüberliegenden
zweiten Arbeitskammerabschnitt die Luft infolge der Bewegung des
Stößels komprimiert
wird. Hierbei ist die thermodynamische Auslegung der beiden, durch
den Stößel voneinander
getrennten Arbeitskammerabschnitte von besonderer Bedeutung, um
einen rechtzeitigen Stillstand des Stößels zu gewährleisten, so dass dieser in
den Endlagen nicht an den begrenzenden Wandungen der Arbeitskammer anschlägt. Bei
der thermodynamischen Auslegung der Druckkammern gilt es ferner
zu beachten, dass der sich infolge der Bewegung des Stößels entspannende
Druck in dem impulsseitig druckbeaufschlagten Arbeitskammerabschnitt
nicht auf den Druck in dem impulsartig entlüfteten und wieder komprimierten
Arbeitskammerabschnitt abfällt.
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In
einem zweiten Energieumwandlungsschritt wird schließlich die
mechanische Energie des Stößels in
einer Spule durch elektromagnetische Induktionen in elektrische
Energie umgewandelt. Zwar erweist es sich als vorteilhaft, den zur
Induktion erforderlichen Magneten zur Bewegung mit dem Stößel so anzuordnen,
dass dieser infolge der Pendelbewegung in die Spule eintauchen kann,
jedoch ist es selbstverständlich
ebenso möglich,
die Spule beweglich und den Magneten stationär anzuordnen. Um die Energieumwandlung
durch Induktion zu optimieren, gilt es, sämtliche Parameter, wie beispielsweise
Spulendurchmesser, Spulenlänge,
Wicklungszahl oder Feldstärke
sowie sämtliche
weitere Parameter, die auf den Induktionsvorgang Einfluss nehmen
können, zu
optimieren, was jedoch für
den hier heranzuziehenden Fachmann sich durch übliche Optimierungsaufgaben
ergibt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Stößel entweder
mittels O-Ringen
oder durch eine exakte Formgebung des Stößels in die Arbeitskammer zur
Bewegung zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage
eingepasst , wobei die Mündung
des ersten Druckanschlusses nur in der ersten Endlage freigegeben
ist und ansonsten von dem Stößel dicht
verschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden,
dass der Stößel in der
ersten Endlage über
den freigegebenen ersten Druckanschluss, der kontinuierlich mit
konstantem Druck beaufschlagt wird, mit einem ersten Druckimpuls
in Richtung der zweiten Endlage beaufschlagt wird. Es ist somit
nicht erforderlich, den Druck, der über den ersten Druckanschluss
dem ersten Arbeitskammerabschnitt zugeführt wird, über die Zeit zu verändern, um
beispielsweise einzelne Druckimpulse der Arbeitskammer zuzuführen.
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Diese
Druckimpulszufuhr zu der Arbeitskammer wird einzig und allein durch
die Ausgestaltung des Stößels erreicht.
Hierfür
ist der Stößel so ausgestaltet,
dass der erste Druckanschluss lediglich in der ersten Endlage durch
den Stößel selbst
freigegeben wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass der Stößel in seiner
Außenumfangsfläche eine
oder mehrere Aussparungen aufweist, die in der ersten Endlage des
Stößels mit
der Mündung
des ersten Druckanschlusses in die Arbeitskammer fluchten. Sobald
sich der Stößel aus
der ersten Endlage herausbewegt hat, fluchtet die Mündung des
ersten Druckanschlusses nicht mehr mit einer solchen Aussparung
in der Außenumfangsfläche des
Stößels, so dass
die Mündung
des Druckanschlusses von dem Stößel selbst
verschlossen wird. Durch diese, nur temporäre Freigabe der Mündung des
Druckanschlusses wird durch die Bewegung des Stößels selbst eine periodische
Druckimpulszufuhr zu der Arbeitskammer gewährleistet, ohne dass die Druckzufuhr
zu dem Druckanschluss über
die Zeit verändert werden
müsste.
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Um
die thermodynamische Auslegung der Arbeitskammer, welche durch den
Stößel in eine
ersten und einen zweiten Arbeitskammerabschnitt unterteilt wird,
zu gewährleisten,
besitzt die Arbeitskammer zumindest eine Abluftöffnung, die die Arbeitskammer
während
der Pendelbewegung des Stößels von
der ersten in die zweite Endlage entlüftet. Diese Abluftöffnung kann
je nach Ausführungsform
der Energieumwandlungseinheit entweder nur temporär oder bei
einer federrüggestellten
Ausführungsform auch
während
des gesamten translatorischen Schwingungsvorgangs des Stößels freigegeben sein.
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Zwar
ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung eine Energieversorgungseinheit
mit einem beidseitig wechselseitig und periodisch beaufschlagten
Stößel, jedoch
kann eine höhere
Betriebssicherheit der Energieumwandlungseinheit mittels einer federrückgestellten Ausführungsform
sichergestellt werden, bei der der Stößel lediglich einseitig und
periodisch mit Druckimpulsen beaufschlagt wird. Hierzu kann beispielsweise
in der Arbeitskammer eine zur Erzeugung einer Rückstellkraft erforderliche Feder
angeordnet werden, um die kinematische Energie des Stößels kurzfristig
zu speichern. Die Feder ist dabei derart in der Arbeitskammer angeordnet,
um den Stößel in einer
aus der ersten Endlage ausgelenkten Stellung mit einer Kraft in
Richtung der ersten Endlage zu beaufschlagen, was durch die in Folge der
in die Feder durch die Stößelbewegung
eingespeicherten potentiellen Federenergie gewährleistet werden kann.
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Beispielsweise
ist es möglich,
die Feder als Druckfeder auszubilden. In diesem Falle ist die Feder in
dem Arbeitskammerabschnitt anzuordnen, welcher infolge einer Bewegung
des Stößels aus
einer ersten Endlage heraus verkleinert wird. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Feder als Zugfeder auszubilden. In diesem ist
die Feder in dem Abschnitt der Arbeitskammer anzuordnen, welcher
infolge einer Bewegung aus der ersten Endlage heraus vergrößert wird.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Stößel zumindest
einen becherförmigen
Abschnitt mit wenigstens einer Öffnung
durch seine Becherwandung auf, die in der ersten Endlage des Stößels mit
der Mündung
des ersten Druckanschlusses fluchtet. Hierdurch kann, wie bereits
zuvor erläutert
wurde, sichergestellt werden, dass infolge des an dem zumindest
einen Druckanschluss anliegenden, konstanten Druckes der becherförmige Abschnitt
des Stößels mit
einem ersten Druckimpuls beaufschlagt wird. Die Mündung des
Druckanschlusses wird somit nur in dem Zeitpunkt freigegeben, in
dem die zumindest eine Öffnung
in der Becherwandung des Stößels mit
der Mündung
des Druckanschlusses fluchtet, so dass nur in diesem Zeitpunkt ein
Druckimpuls in die Arbeitskammer bzw. in den Becherhohlraum des
Stößels eindringen
kann. Sobald dieser Druckimpuls auf den Stößel aufgebracht wurde, bewegt
sich dieser infolge der Druckbeaufschlagung aus der ersten Endlage
wieder heraus, wodurch die Mündung
des ersten Druckanschlusses in der Arbeitskammer durch die Becherwandung
des Stößels wieder
verschlossen wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Spule sowie
die Feder in der Arbeitskammer der Energieumwandlungseinheit konzentrisch
zueinander angeordnet, wobei bei Bedarf durch Kontaktierung der
Windungen der Feder mit der Spule selbstverständlich auch die Windungen der
Feder zur Erhöhung
der Induktivität
mit herangezogen werden können.
Selbstverständlich
ist es jedoch ebenfalls möglich,
die Spule außerhalb
der Arbeitskammer anzuordnen. In diesem Falle wäre es beispielsweise erforderlich,
die Bewegung des Stößels vergleichbar
mit der Bewegung des Kolbens einer Ventil-Zylinder-Einheit über eine
Stößelstange nach
außerhalb
der Arbeitskammer zu übertragen, so
dass beispielsweise ein außerhalb
der Arbeitskammer an der Stößelstange
angebrachter Dauermagnet infolge der Bewegung der Stößelstange
periodisch in die außerhalb
der Arbeitskammer angeordnete Spule ein- und auch austauchen kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist jedoch die Spule sowie die Feder innerhalb der Arbeitskammer
angeordnet, wobei die Arbeitskammer mit einem Deckel verschlossen
ist, von dessen Innenfläche
ein zylindrisches Spulengehäuse in
den Innenraum der Arbeitskammer ragt, um welches die einzelnen Windungen
der Spule gewickelt sind. Bei dieser Ausführungsform umgibt die in der Arbeitskammer
angeordnete Feder die Spule und stützt sich einerseits an der
Innenfläche
des Deckels und andererseits an einer Unterkante des Stößels ab, wodurch
die Feder den Stößel in einer
aus der ersten Endlage ausgelenkten Stellung mit einer Druckkraft beaufschlagt
und den Stößel somit
in die erste Endlage zurückdrängt.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es im Gegensatz zu
der bereits beschriebenen Ausführungsform
mittels eines federrückgestellten
Stößels ebenfalls
möglich,
die Pendelbewegung des Stößels hervorzurufen,
indem der Stößel in der Arbeitskammer
der Energieumwandlungseinheit abwechselnd in der ersten Endlage
und in der zweiten Endlage des Stößels in der Arbeitskammer mit
kurzen Druckimpulsen beaufschlagt wird. Bei dieser Ausführungsform
mittels eines beidseitig pneumatisch betätigten Stößels umfasst das Gehäuse neben
dem ersten in den ersten Abschnitt der Arbeitskammer mündenden
Druckanschluss einen zweiten in den zweiten Abschnitt der Arbeitskammer
mündenden,
mit konstantem Druck beaufschlagten Druckanschluss. Dieser zweite
Druckanschluss ist so angeordnet, dass seine Mündung in die Arbeitskammer
nur in der zweiten Endlage des Stößels freigegeben ist und ansonsten
von dem Stößel dicht verschlossen
ist, so dass der Stößel in der
zweiten Endlage über
diesen freigegebenen Druckanschluss mit einem zweiten Druckimpuls
wieder in Richtung der ersten Endlage beaufschlagt wird.
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Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Stößel in seiner
Außenumfangsfläche eine
oder mehrere weitere Aussparungen aufweist, die in der zweiten Endlage
des Stößels mit
der Mündung
des zweiten Druckanschlusses in die Arbeitskammer fluchten. Sobald
sich der Stößel aus
der zweiten Endlage dann herausbewegt hat, fluchtet die Mündung des
zweiten Druckanschlusses nicht mehr mit einer solchen Aussparung
in der Außenumfangsfläche des
Stößels, so
dass die Mündung
des zweiten Druckanschlusses wieder von dem Stößel selbst verschlossen wird.
Durch diese, nur temporäre
Freigabe der Mündung
des zweiten Druckanschlusses wird durch die Bewegung des Stößels selbst
eine periodische Druckimpulszufuhr zu dem zweiten Abschnitt der
Arbeitskammer gewährleistet,
ohne dass die Druckzufuhr zu dem zweiten Druckanschluss zeitlich
verändert
werden müsste.
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Wie
schon aus den bisherigen Ausführungen zu
der erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit
hervorgeht, kann mittels einem einfachen Verfahren pneumatische
Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Bei diesem Energieumwandlungsverfahren
wird ein in einer Arbeitskammer zur Ausführung einer translatorischen,
periodischen Pendelbewegung eingepasster Stößel, zumindest einseitig periodisch über einen
mit konstantem Druck beaufschlagtem Druckanschluss mit durch die Schaltbewegung
des Stößels ausgelösten Druckimpulsen
beaufschlagt. Durch diese Druckbeaufschlagung des Stößels wird
der Stößel in der
Arbeitskammer zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage
periodisch hin- und herbewegt, wodurch ein mit dem Stößel zur
gemeinsamen Bewegung angeordneter Magnet in eine Spule ein- und
austaucht, wodurch in der Spule eine elektrische Spannung induziert
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
folgenden werden zum besseren Verständnis und zur weiteren Erläuterung
mehrere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben,
wobei die 1 und die 2 jedoch bereits
bekannte Systeme zeigen.
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1 zeigt
eine bekannte Ansteuerung dreier pneumatisch betriebener Ventil-Zylinder-Einheiten;
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2 zeigt
eine Vision einer weiteren bereits theoretisch angedachten weiterentwickelten
Ansteuerung dreier Ventil-Zylinder-Einheiten mittels einer kombinierten
Energie- und Datenleitung;
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3a – 3c zeigen
schematisierte Schnitte eines pneumatischen Schwingers zur Umwandlung
pneumatischer Energie in mechanische Energie in unterschiedlichen
Schaltstellungen;
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4a – 4d zeigen
vier unterschiedliche mögliche
Ausführungsformen
eines pneumatischen Schwingers zur Umwandlung pneumatischer Energie
in mechanische Energie;
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit;
und
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6a – 6c zeigen
jeweils eine räumliche
Darstellung der erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit
der 5 in unterschiedlichen Schaltstellungen im Schnitt.
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In
allen Figuren hinweg sind gleiche oder funktionell übereinstimmende
Bauteile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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BESCHREIBUNG
DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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In
den 3a – 3c sind
zur Erläuterung des
Energieumwandlungsvorgangs bei dem pneumatische Energie in mechanische
Energie in Form von kinetischer Energie umgewandelt wird, die einzelnen
Schaltstellungen des Stößels 9 in
dem Gehäuse 11 während des
thermodynamischen Kreisprozesses schematisch dargestellt. Die in
den 3a – 3c gezeigte
Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 11, das eine zylindrische
Arbeitskammer 10 umfasst. Die Arbeitskammer 10 besteht
aus einer größeren Kammer,
an deren beiden Enden sich zwei kleinere zylindrische Kammern anschließen. In die
Arbeitskammer 10 ist ein Stößel 9 eingepasst,
der im Wesentlichen aus drei Abschnitten besteht, die untereinander über Verbindungsstege 15 miteinander
verbunden sind. Der größere Abschnitt
des Stößels 9 ist
in den größeren Abschnitt
der Arbeitskammer 10 verschieblich eingepasst, wohingegen
sich die beiden kleineren Abschnitte des Stößels 9 in den kleineren
Abschnitten der Arbeitskammer 10 erstrecken, wobei die
beiden kleineren Abschnitte des Stößels 9 zur gemeinsamen
Bewegung mit dem größeren Abschnitt
des Stößels 9 über die
Verbindungsstege 15 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 11 weist
ferner zwei Druckanschlüsse 12, 13 sowie
eine Abluftöffnung 14 auf.
Die beiden Drückanschlüsse 12, 13 werden
jeweils mit einem konstanten Druck beaufschlagt.
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In
der 3a befindet sich der Stößel 9 in seiner ersten
Endlage, wobei der Stößel 9 von
der Gehäuseinnenwandung
beispielweise durch hier nicht dargestellte, auf der Oberfläche des
Stößels angeordnete
Noppen oder Ausnehmungen um ein geringes Maß beabstandet ist, damit der
Schwingungsvorgang einleitet werden kann. In der 3a ist
die Mündung
des Druckanschlusses 12 in die Arbeitskammer 10 durch
die durch den Verbindungssteg 15 gebildete Beabstandung
der Stößelabschnitte
freigelegt, wodurch es möglich
ist, den Stößel 9 über den Druckanschluss 12 mit
einem Druckimpuls zu beaufschlagen. In dieser ersten Endlage des
Stößels 9 ist gleichzeitig
die Abluftöffnung 14 der
Arbeitskammer 10 geöffnet,
wodurch es möglich
ist, den unteren zweiten Abschnitt der Arbeitskammer 10 zu
entlüften. Infolge
des gemäß der 3a auf
den Stößel 9 aufgebrachten
Druckimpuls bewegt sich der Stößel 9 aus
der ersten Endlage in Richtung seiner gegenüberliegenden zweiten Endlage,
die in der 3d gezeigt ist. Während dieses
Bewegungsvorgangs vergrößert sich
der obere ersten Abschnitt der Arbeitskammer 10, wodurch
sich das Druckmedium in der oberen ersten Arbeitskammer 10 entspannt.
Gleichzeitig verkleinert sich der untere zweite Abschnitt der Arbeitskammer 10,
wodurch das darin befindliche Druckmedium komprimiert wird.
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Während des
gesamten Bewegungsablaufs des Stößels aus
der in der 3a gezeigten ersten Endlage
in die zweite Endlage sind sowohl die beiden Druckanschlüsse 12, 13 als
auch die Abluftöffnung 14 verschlossen.
Durch eine geeignete thermodynamische Auslegung der Arbeitskammer 10 ist
es möglich,
dass sich der Stößel 9 gerade
so weit bewegt, dass er in seiner zweiten Endlage nicht an der Gehäuseinnenwandung
anschlägt.
Sobald der Stößel 9 seine
zweite Endlage eingenommen hat, wie es in der 3c dargestellt
ist, wird durch die durch den Verbindungssteg 15 gebildete
Beabstandung des großen
Stößelabschnitts
von dem unteren, kleineren Stößelabschnitt
die Mündung
des zweiten Druckanschlusses 13 freigelegt, wodurch der
Stößel 9 erneut, diesmal
jedoch mit entgegengesetzter Kraftrichtung, mit einem zweiten Druckimpuls
beaufschlagt wird. Durch diesen zweiten Druckimpuls wird die Bewegung
des Stößels 9 zurück in seine
erste Endlage eingeleitet. Die hierbei ablaufenden Vorgänge entsprechend
denen, die bei der Bewegung des Stößels 9 aus der in
der 3a in die in der 3c dargestellten
Lage ablaufen, so dass an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen
verzichtet und nach oben verwiesen werden kann.
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Die
in den 3a bis 3c schematisch dargestellten
Schaltstellungen des Stößels 9 erläutern lediglich
die Energieumwandlung der der Energieumwandlungseinheit zugeführten pneumatischen Energie
in mechanische Energie des Stößels 9.
Der Energieumwandlungsvorgang, bei dem die kinetischen Energie des
Stößels 9 in
elektrische Energie umgewandelt wird, ist hier jedoch aus Zwecken
der Vereinfachung noch nicht dargestellt. Wie bereits zuvor angedeutet
wurde, muss sich der Stößel 9 bei
Beginn der Druckversorgung in seiner ersten oder zweiten Endlage
befinden. Dies kann beispielsweise über das Gewicht des Stößels und
eine definierte Einbaulage der Energieumwandlungseinheit erzielt
werden.
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Um
die Betriebssicherheit der Energieumwandlungseinheit zu verbessern,
kann die genaue Position des Stößels 9 bei
Beginn der Druckversorgung beispielsweise auch über eine Feder sichergestellt
werden, die die Rückstellung
des Stößels aus der
zweiten Endlage in die erste Endlage mittels des zweiten Druckanschlusses 13 ersetzt.
Eine derartige federrückgestellte
Ausführungsform
ist in der 4b gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
wird der Stößel 9 mittels
einer in dem unteren zweiten Abschnitt der Arbeitskammer 10 eingepassten
Feder 8 in einer aus der ersten Endlage ausgelenkten Stellung
mit einer Druckkraft in Richtung der ersten Endlage beaufschlagt.
Die Feder 8 ersetzt somit im Vergleich zu der in der 4a dargestellten
Ausführungsform
den zweiten Druckanschluss 13.
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Da
bei den in den 4a und 4b gezeigten
Ausführungsformen
die wirksame Stößelfläche jeweils
um die Fläche
des kleineren Stößelabschnitts
gemindert wird, kann die Leistungsdichte bei der Umwandlung von
pneumatischer in mechanische Energie weiter verbessert werden, indem
der Stößel 9 als
Hohlstößel ausgebildet
wird, wie es in den 4c und 4d gezeigt
ist. Bei der Ausführungsform
der 4c ist der Stößel 9 als
Doppelhohlstößel mit
zwei sich gegenüberliegenden
becherförmigen Abschnitten
ausgestaltet, so dass keine Druckanteile entgegen der Bewegungsrichtung
des Stößels wirken.
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Bei
der in der 4d gezeigten Ausführungsform
ist ebenfalls im Vergleich zu der in der 4b gezeigten
Ausführungsform
der Stößel 9 durch
ein Hohlstößelprofil
mit becherförmigem
Querschnitt ersetzt worden, so dass der gesamte, in dem Hohlraum
des Stößels 9 eingebrachte
Druckimpuls in Bewegungsenergie umgesetzt werden kann.
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Bei
den bisherigen Erläuterungen
wurde der Einfachheit halber auf die zur Umwandlung der mechanischer
Energie in elektrische Energie verzichtet. Die 5 zeigt
nun eine konkrete beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit
im Schnitt einschließlich
der zur Umwandlung in elektrische Energie erforderlichen Komponenten.
Die Energieumwandlungseinheit ist in ein massives Gehäuse 11 eingehaust,
in dem eine unregelmäßig geformte
Arbeitskammer 10 gebildet ist. Das Gehäuse 11 ist auf einer
Seite mit einem Deckel 19 dicht verschlossen, an dessen
Innenfläche ein
zylindrisches Spulengehäuse 20 in
die Arbeitskammer 10 ragt, um welches die einzelnen Wicklungen
der zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie notwendige
Spule 21 gewickelt sind. In einem oberen Bereich der Arbeitskammer 10 ist
ein zylindrischer Hohlstößel 9 mit
einem becherförmigen Abschnitt
eingepasst, welcher in seiner Außenumfangswandung eine ringförmige Nut
mit Öffnungen 22 in
den Stößelhohlraum
aufweist. Die Ringnut in der Becherwandung des Hohlstößels 9 ist
so angeordnet, dass sie in der in der 5 dargestellten
ersten Endlage des Stößels 9 mit
der Mündung
des Druckanschlusses 12 in die Arbeitskammer 10 fluchtet.
Der Druckanschluss 12 wird über eine pneumatische Energiequelle
kontinuierlich mit konstantem pneumatischem Druck beaufschlagt,
so dass in der in der 5 dargestellten ersten Endlage
des Hohlstößels 9 ein
Druckimpuls über
den Druckanschluss 12 in den Hohlraum des Stößels 9 eindringen
kann, wodurch der Stößel 9 aus
seiner hier dargestellten ersten Endlage nach unten gedrückt wird.
Hierdurch wird die Mündung
des Druckanschlusses 12 durch die Becherwandung des Stößels 9 selbst verschlossen,
so dass kein weiterer Druck mehr in den Hohlraum des Stößels 9 eindringen
kann.
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Zwischen
dem Stößel 9 und
dem Gehäusedeckel 19 ist
eine Druckfeder 8 angeordnet, welche infolge der Abwärtsbewegung
des Stößels 9 in
Richtung des Deckels 19 zusammengepresst wird und somit
die kinetische Energie des Stößels 9 als
potentielle Energie der Fehler 8 speichert. An der Unterseite
des Stößels 9 ist
ein Dauermagnet 16 angeordnet, welcher von einer zylindrischen,
magnetischen Flussführung 23 umgeben
ist. Bei der Abwärtsbewegung
des Stößels 9 taucht
der Dauermagnet 16 in den von dem Spulengehäuse 20 gebildeten
Hohlraum ein, wobei zur Verstärkung
der magnetischen Flussdichte die magnetische Flussführung 23 bei
der Abwärtsbewegung
des Stößels 9 die
Spule 21 sukzessive umgibt. Durch diese Eintauchbewegung
des Dauermagneten 16 in die Spule 21 wird in der
Spule 21 eine elektrische Spannung induziert, welche an den
Kontaktstiften 24, die durch den Deckel 19 des Gehäuses 11 nach
außen
ragen, abgegriffen werden kann.
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Die
Arbeitskammer 10 der Energieumwandlungseinheit in Verbindung
mit dem darin angeordneten Stößel 9 ist
hier unter thermodynamischen Gesichtspunkten so ausgelegt, dass
der Dauermagnet 16 bei der Eintauchbewegung in die Spule 21 nicht an
der Innenfläche
des Gehäusedeckels 19 anschlägt. Damit
während
der Abwärtsbewegung
des Stößels 9 in
der Arbeitskammer 10 die darin befindliche Luft entweichen
kann, ist in dem Gehäuse 11 eine
Abluftöffnung 14 vorgesehen,
die in den unteren Bereich der Arbeitskammer 10 mündet. Diese
Abluftöffnung 14 ist
während
des gesamten Kreisprozesses mit der Außenatmosphäre verbunden, so dass in dem
unteren Bereich der Arbeitskammer 10 stets Umgebungsatmosphäre herrscht.
-
Mit
Bezugnahme auf die 6a – 6c wird
im Folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit
beschrieben. In der 6a befindet sich der Stößel 9 der
erfindungsgemäßen Energieumwandlungseinheit
in der bereits in der 5 beschriebenen Ausgangsstellung.
In dieser Ausgangsstellung wird der Innenraum des Hohlstößels 9 über den
Druckanschluss 12 mit einem Druckimpuls beaufschlagt. Dies ist
in der in der 6a gezeigten Stellung des Stößels 9 möglich, da
die Mündung
des Druckanschlusses 12 durch die in der becherartigen
Wandung des Stößels 9 gebildeten
Ringnut mit den zugehörigen Öffnungen 22 zu
dem Hohlraum des Stößels 9 freigegeben
ist, so dass über
den Druckanschluss 12 Druckluft in den Stößelhohlraum
gelangen kann. Durch diese Druckbeaufschlagung des Stößels 9 bewegt
sich dieser aus seiner in der 6a gezeigten ersten
Endlage nach unten, wodurch, wie der 6b entnommen
werden kann, die Mündung
des Druckanschlusses 12 von der Becherwandung des Stößels 12 verschlossen
wird.
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Während dieser
Abwärtsbewegung
des Stößels 9 bewegt
sich der an der Unterseite des Stößels 9 angeordnete
Dauermagnet 16 in den Innenraum der Spule 21,
wodurch in der Spule 21 eine Spannung induziert wird, welche
an den Kontaktstiften 24 abgegriffen werden kann. Außerdem wird
während der
Abwärtsbewegung
des Stößels 9 die
Feder 8 unter Spannung gesetzt. Die Abwärtsbeschleunigung des Stößels hält dabei
so lange an, bis zwischen der Druckluft in der Arbeitskammer und
der potentiellen Energie der Feder 8 Kräftegleichgewicht besteht. Diese
Stellung ist in der 6c dargestellt. Damit der Dauermagnet 16 jedoch
nicht an dem Gehäusedeckel 19 anschlägt, ist
die Feder 8 so dimensioniert, dass die Abwärtsbewegung
des Stößels 9 noch
vor einem möglichen
Anschlag des Dauermagneten 16 an dem Deckel 19 zum
Erliegen kommt. In dieser zweiten Endlage des Stößels 9 hat sich die
in der becherartigen Wandung des Hohlstößels 9 ausgebildete
Ringnut mit den darin zum Hohlraum des Stößels führenden Öffnungen 22 soweit
nach unten bewegt, dass der Hohlraum des Stößels 9 über die
Abluftöffnung 14 entlüftet wird,
um nach Rückkehr
des Stößels 9 in
seine erste Endlage wieder erneut mit einem Druckimpuls über den
Druckanschluss 12 beaufschlagt werden zu können.
-
Sobald
der Stößel 9 die
in der 6c gezeigte zweite Endlage eingenommen
hat, in der die gesamte Bewegungsenergie des Stößels 9 in potentielle
Energie der Feder 8 und elektrische Energie umgewandelt
worden ist, wird der Stößel 9 infolge der
in der Feder 8 gespeicherten potentiellen Energie wieder
zurück
in seine erste Endlage gedrückt,
so dass von da an die Pendelbewegung durch erneute Druckbeaufschlagung über den
Druckanschluss 12 erneut eingeleitet werden kann.
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- 1
- Ventil-Zylinder-Einheit
- 2
- Systemprozesssteuerung
- 3
- Pneumatischer
Anschluss
- 4
- Ventileinheit
- 5
- kombinierte
Energie- und Datenleitung
- 6
- Vorsteuerventil
- 7
- kombinierte
Energie- und Datenübertragungsleitung
- 8
- Feder
- 9
- Stößel
- 10
- Arbeitskammer
- 11
- Gehäuse
- 12
- Erster
Druckanschluss
- 13
- Zweiter
Druckanschluss
- 14
- Abluftöffnung
- 15
- Verbindungssteg
- 16
- Dauermagnet
- 19
- Gehäusedeckel
- 20
- Spulengehäuse
- 21
- Spule
- 22
- Nut
mit Öffnungen
- 23
- Magnetische
Flussführung
- 24
- Kontaktstift