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Die
Erfindung betrifft eine pneumatische Vorrichtung, die mindestens
einen Entlüftungskanal
aufweist und mit mindestens einer zur Umwandlung von Druckluftenergie
in elektrische Energie dienenden Energiewandlereinrichtung ausgestattet
ist.
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Die
WO 01/18405 A1 beschreibt
eine pneumatische Vorrichtung dieser Art, die beispielsweise als
Ventilanordnung oder pneumatischer Antrieb ausgebildet ist. Da derartige
Vorrichtungen zu ihrem Betrieb neben Druckluft häufig auch elektrische Energie benötigen, die
in manchen Fällen
am Einsatzort nicht unmittelbar zur Verfügung steht, ist die bekannte
Vorrichtung mit einer beispielsweise aus einer Mikroturbine und
einem elektrischen Generator bestehenden Energiewandlereinrichtung
ausgestattet, die eingangsseitig an die Druckluftzufuhr der Vorrichtung angeschlossen
ist. Es wird also von der für
den Betrieb der pneumatischen Vorrichtung verwendeten Druckluft
ein gewisser Anteil abgezweigt und dadurch die Mikroturbine betrieben,
um über
den zugeordneten Generator elektrische Energie zu erzeugen, die
für den
Betrieb elektrischer Komponenten der Vorrichtung, beispielsweise
Sensoren, genutzt wird. Bei Bedarf kann die pneumatische Vorrichtung
auch mit einer zur vorübergehenden
Speicherung der erzeugten elektrischen Energie nutzbaren Speichereinrichtung
ausgestattet sein. Die beim Betrieb der Vorrichtung anfallende Abluft
wird über
einen Entlüftungskanal
zur Atmosphäre
ausgestoßen.
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Mit
der bekannten Vorrichtung ist zwar ein von der Zufuhr externer elektrischer
Energie unabhängiger
Betrieb möglich.
Damit verbunden ist jedoch in der Regel ein bedingt durch die Umwandlungsverluste
höherer
Energieverbrauch als bei externer elektrischer Energieversorgung
seitens einer zentralen Energiequelle.
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Aus
der
DE 196 32 691
A1 ist eine beispielsweise als Mehrfach-Ventilblock ausgebildete,
elektropneumatische Wandlervorrichtung bekannt, die mindestens ein
Wandlerelement aufweist, das elektrische Eingangssignale in fluidische
Ausgangssignale umformen kann.
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Die
DE 36 20 752 C2 offenbart
eine hydraulische Vorrichtung, die mit einem Energieumwandler ausgestattet
ist, der in der Lage ist, aus der Energie des über eine Druckleitung zugeführten Druckmediums
elektrische Energie zu erzeugen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen
vorzuschlagen, die einen energiesparenden Betrieb einer pneumatischen
Vorrichtung ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer pneumatischen Vorrichtung der eingangs
genannten Art die Energiewandlereinrichtung eingangsseitig an den
mindestens einen Entlüftungskanal
angeschlossen.
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Auf
diese Weise wird in der Abluft der pneumatischen Vorrichtung enthaltene
Restenergie zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Üblicherweise
wird die im Betrieb einer pneumatischen Vorrichtung anfallende Druckluft
ungenutzt zur Atmosphäre
ausgegeben. Erfindungsgemäß wird die
in der Abluft enthaltene Druckluftenergie wenigstens zum Teil in
elektrische Energie umgewandelt, die dann entweder von der pneumatischen
Vorrichtung selbst oder anderweitig genutzt werden kann, so dass
eine optimierte Energiebilanz vorliegt. Auch wenn also die pneumatische
Vorrichtung auch mit von außen
eingespeister elektrischer Energie betrieben wird, also kein autarker
elektrischer Betrieb angestrebt ist, kann eine vorteilhafte Energieumwandlung
und anschließende
Rückführung der
gewonnenen elektrischen Energie zu einem elektrischen Verbraucher
vorgenommen werden. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung in Verbindung
mit einer als Ventilvorrichtung ausgebildeten pneumatischen Vorrichtung
einsetzen, wenngleich sie sich aber auch für andere Arten pneumatischer
Vorrichtungen eignet, beispielsweise für pneumatische Antriebe.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Um
die Druckluftenergie der Abluft optimal nutzen zu können, ist
es von Vorteil, wenn der zugeordnete Entlüftungskanal mit Strömungsrückstaumitteln
versehen ist, die das Abströmen
der Abluft zur Atmosphäre
verlangsamen und eine Druckerhöhung hervorrufen,
die sich in dem Entlüftungskanal
stromauf der Strömungsrückstaumittel
abgreifen lässt.
Da pneumatische Vorrichtungen, insbesondere bei Ausgestaltung als
Ventilvorrichtungen, über
eine getaktete Betriebsweise verfügen, können die Strömungsrückstaumittel
verstärkt
dazu beitragen, Druckimpulse innerhalb des Entlüftungskanals hervorzurufen, die
dann durch einen entsprechend angepassten Konverter in elektrische
Energie umwandelbar sind. So verfügen beispielsweise Ventilvorrichtungen
in aller Regel über
ein oder mehrere Arbeitsmittel in Form von Steuerventilen, deren
Abluftkanäle
an den mindestens einen Entlüftungskanal
angeschlossen werden können
und die, wenn sie eine entsprechende Schaltstellung aufweisen, die
von einem Verbraucher stammende Abluft in den Entlüftungskanal
einspeisen, wo die Abluft erfindungsgemäß für den impulsartigen Antrieb
einer Energiewandlereinrichtung ausgenutzt werden kann.
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Um
einen gewünschten
Strömungsrückstau innerhalb
des Entlüftungskanals
hervorzurufen, kann schon ein Schalldämpfer genügen, der üblicherweise verwendet wird,
um das Abluftgeräusch
der ausströmenden
Druckluft zu verringern. Man ist somit nicht gezwungen, die Abluft über das
durch den Einsatz von Schalldämpfern
notwendige Maß hinaus
rückzustauen,
so dass der Betrieb der pneumatischen Vorrichtung nicht beeinträchtigt wird.
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Eine
besonders vorteilhafte pneumatische Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art
ist als Ventilvorrichtung ausgebildet, die mehrere von Steuerventilen
gebildete Arbeitsmittel beinhaltet und die über mindestens einen Entlüftungskanal
verfügt,
an den die Abluftkanäle
mehrerer und vorzugsweise sämtlicher
Steuerventile der Ventilvorrichtung angeschlossen sind. Versuche
haben gezeigt, dass bei einer Ventilvorrichtung, die über eine
Mehrzahl von Steuerventilen verfügt
und die aus einer Druckluftquelle mit einem Betriebsdruck von etwa
6 bar gespeist wird, Abluft-Druckimpulse in der Größenordnung
von 3 bis 5 bar erzeugbar sind, die eine sehr gute Energierückgewinnung
ermöglichen.
Die Höhe
der abluftseitigen Druckimpulse hängt bei einer Mehrfachanordnung von
Steuerventilen unter anderem davon ab, wie viele Ventile gleichzeitig
in eine Entlüftungsstellung
geschaltet werden, so dass der Wirkungsgrad umso größer sein
dürfte,
je mehr Ventile im Gleichtakt arbeiten.
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Bei
einer Ausgestaltung als Ventilvorrichtung ist die pneumatische Vorrichtung
zweckmäßigerweise
als modulare Baugruppe aufgebaut und verfügt über ein oder mehrere Ventilmodule,
die jeweils mindestens ein Steuerventil aufweisen und die mit mindestens
einem die Energiewandlereinrichtung definierenden Energiewandlermodul
zu der Baugruppe zusammengefasst sind. Die diversen Module können beispielsweise
in einer Aufreihungsrichtung aneinander angebaut sein. Besonders
zweckmäßig ist
eine Bauweise, bei der sowohl das mindestens eine Ventilmodul als
auch das mindestens eine Energiewandlermodul von ein und demselben
mindestens einen Entlüftungskanal
durchsetzt werden, so dass die von den Steuerventilen ausgegebene
Abluft durch das Energiewandlermodul hindurchtritt und hierbei zur Energieumwandlung
nutzbar ist.
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Wird
die von der Energiewandlereinrichtung erzeugte elektrische Energie
nicht sofort benötigt, kann
sie in mindestens einem elektrischen Energiespeicher der pneumatischen
Vorrichtung zwischengespeichert werden. Zusätzlich oder alternativ besteht
die Möglichkeit,
die elektrische Energie aus der pneumatischen Vorrichtung abzuführen, um
sie an anderer Stelle zu nutzen. In diesem Fall erhält die pneumatische
Vorrichtung geeignete elektrische Abgriffskontaktmittel für den Anschluss
entsprechender Energieführungsleitungen.
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Die
pneumatische Vorrichtung kann mindestens eine elektrisch betätigte Komponente
aufweisen, die zur elektrischen Versorgung an einen internen elektrischen
Bus der pneumatischen Vorrichtung angeschlossen ist. Der interne
Bus kann für
den Transfer von reiner Versorgungsenergie und/oder von elektrischen
Steuersignalen ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere für eine Ventilvorrichtung,
die ein oder mehrere elektrisch betätigbare Steuerventile beinhaltet.
Die Energiewandlereinrichtung kann in diesem Fall ausgangsseitig
an den internen Bus angeschlossen sein, um die erzeugte elektrische
Energie über
den internen elektrischen Bus hinweg an eine Stelle zu leiten, wo
sie genutzt wird.
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Ein
besonders vorteilhafter Aufbau der Energiewandlereinrichtung sieht
eine Arbeitskammer vor, die an den mindestens einen Entlüftungskanal
angeschlossen ist, so dass in ihr zumindest im Wesentlichen die
gleichen Druckverhältnisse
wie im Entlüftungskanal
herrschen. Die Arbeitskammer kann insbesondere über einen Abzweigkanal an den
Entlüftungskanal
angeschlossen sein. Allerdings kann der Entlüftungskanal unter Umständen auch
unmittelbar selbst als Arbeitskammer fungieren. Um nun die Druckenergie
der Abluft zu nutzen, ist die Arbeitskammer mit einer als Stellglied
fungierenden beweglichen Wand versehen, die durch die im Entlüftungskanal erzeugten
und folglich auch in der Arbeitskammer auftretenden Druckimpulse
beaufschlagt wird und somit eine Arbeitsbewegung ausführt, die
in einem Konverter der Energiewandlereinrichtung in elektrische
Energie umgewandelt wird.
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Bei
der durch Abluftimpulse des Stellgliedes hervorgerufenen Bewegung
handelt es sich insbesondere um eine hin und hergehende bzw. oszillierende
Bewegung, deren eine Bewegungsrichtung insbesondere durch die getaktet
auftretenden Druckimpulse hervorgerufen wird und deren entgegengesetzte
Bewegungsrichtung durch eine auf das Stellglied einwirkende Federkraft
erzeugt oder zumindest unterstützt
wird. Am einfachsten lässt
sich eine solche Anordnung in Verbindung mit einer linearen Arbeitsbewegung
verwirklichen, wobei das Stellglied zweckmäßigerweise vergleichbar einem
Stößel ausgebildet
ist.
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Der
für die
Energiewandlung verantwortliche Konverter der Energiewandlereinrichtung
enthält zweckmäßigerweise
ein bewegliches Arbeitsglied, dessen Bewegung eine elektrische Spannung
erzeugt und das durch in der Arbeitskammer auftretende Abluft-Druckimpulse
angetrieben wird. Prinzipiell könnte
das Arbeitsglied unmittelbar von dem auch von den Druckimpulsen
beaufschlagten Stellglied gebildet sein. Als vorteilhafter wird
jedoch eine Bauform eingeschätzt,
bei der das Arbeitsglied eine bezüglich dem Stellglied eigenständige Komponente
ist, wobei es mit dem Stellglied in einer geeigneten Weise bewegungsgekoppelt
ist, so dass es durch das Stellglied angetrieben wird. Die Realisierung
kann insbesondere so erfolgen, dass das Stellglied lediglich stoßend bzw.
drückend
auf das Arbeitsglied einwirkt und zwischen den beiden Komponenten
lediglich ein Berührkontakt
vorliegt, ohne feste Verbindung. Dadurch wird etwaigen Toleranzproblemen
vorgebeugt.
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Bei
dem die elektrische Energie unmittelbar erzeugenden Konverter handelt
es sich insbesondere um einen piezoelektrischen Konverter, in dem
der sogenannte piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Besonders
vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist ein als Piezo-Biegewandler
ausgebildetes Arbeitsglied, dessen Auslenkung eine elektrische Spannung generiert.
Andere piezoelektrische Aktortypen sind jedoch ebenfalls denkbar,
beispielsweise sogenannte Stapeltranslatoren.
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Darüber hinaus
besteht aber auch die Möglichkeit
zur Nutzung anderer Konvertertypen, beispielsweise eine Spule-Magnetanker-Kombination, bei
der eine Komponente feststehend ist und die andere Komponente als
Arbeitsglied fungiert, so dass bei der Relativbewegung eine Spannung
indiziert wird. Die in der Abluft auftretenden Druckimpulse werden
somit also letztlich bei allen vorerwähnten Konvertertypen in einem
mechanisch-elektrischen Konverter in elektrische Energie gewandelt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 eine
als Ventilvorrichtung ausgebildete pneumatische Vorrichtung erfindungsgemäßer Bauart
in einer vorteilhaften Ausgestaltung und in einer Draufsicht,
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2 einen
Querschnitt durch die Vorrichtung aus 1 im Bereich
einer Energiewandlereinrichtung gemäß Schnittlinie II-II,
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3 den
in 2 umrahmten Ausschnitt III in einer vergrößerten Darstellungsweise,
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4 eine
Draufsicht auf die Energiewandlereinrichtung mit Blickrichtung gemäß Pfeil
IV aus 2 bei abgenommener Abdeckhaube, und
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5 eine
Einzeldarstellung eines insgesamt vier Steuerventile enthaltenden
Ventilmoduls der in 1 abgebildeten pneumatischen
Vorrichtung und mit einer Schrägansicht
entsprechend Schnittlinie V-V aus 1.
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Die 1 zeigt
in Draufsicht eine mit Druckluft betriebene pneumatische Vorrichtung 1,
bei der es sich exemplarisch konkret um eine Ventilvorrichtung 2 handelt.
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Die
Ventilvorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise modular aufgebaut.
Sie setzt sich aus mehreren in Achsrichtung einer Hauptachse 3 insbesondere
lösbar
aneinandergesetzten Modulen 4 zusammen die unterschiedliche
Funktionen haben. Eines der Module 4 ist ein pneumatischen
Einspeisemodul 4a, das mit eifern Einspeiseanschluss 5 ausgestattet
ist, an den über
eine schematisch angedeutete Leitung eine Druckluftquelle P angeschlossen
werden kann. Die Druckluftquelle P liefert die für den Betrieb der Ventilvorrichtung 2 genutzte
Druckluft, die unter einem Nenn-Betriebsdruck steht, der beispielsweise
6 bar beträgt.
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Bei
mindestens einem der Module 4 handelt es sich um ein Ventilmodul 4b.
Exemplarisch sind zwei solcher Ventilmodule 4b vorhanden,
eines davon ist aus 5 ersichtlich. Jedes Ventilmodul 4b weist
mindestens ein Steuerventil 6 auf, das in Abhängigkeit
von seiner Schaltstellung in der Lage ist, Fluidverbindungen in
einem gewissen Muster herzustellen oder voneinander abzutrennen.
Die Ventilmodule 4b des Ausführungsbeispiels sind mit jeweils vier
Steuerventilen 6 ausgestattet, können aber auch eine andere
Anzahl von Steuerventilen 6 enthalten und beispielsweise
auch nur über
ein einziges Steuerventil 6 verfügen.
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Jedes
Steuerventil 6 verfügt über einen
Eingangskanal 7, zwei Ablüftkanäle 8a, 8b und
zwei Arbeitskanäle 9a, 9b.
Diese Kanäle
sind in 5 gestrichelt angedeutet.
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Sämtliche
Module 4 sind in Achsrichtung der Hauptachse 3 von
einem Speisekanal 12 und zwei Entlüftungskanälen 13a, 13b durchsetzt.
Eine andere Anzahl dieser Kanäle
ist aber ebenfalls möglich.
Die Eingangskanäle 7 sämtlicher
Steuerventile 6 sind gemeinsam an den Speisekanal 12 angeschlossen,
außerdem
kommunizieren die einen, ersten Abluftkanäle 8a gemeinsam mit
dem einen, ersten Entlüftungskanal 13a und
kommunizieren die anderen, zweiten Abluftkanäle 8b mit dem anderen,
zweiten Entlüftungskanal 13b.
Sämtliche
Abluftkanäle
könnten auch
mit ein und demselben, dann insbesondere einzigen Entlüftungskanal
kommunizieren. Jedes Steuerventil 6 könnte außerdem auch über nur
einen Abluftkanal verfügen.
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Jeder
Arbeitskanal 9a, 9b kommuniziert mit einem von
mehreren außen
am Ventilmodul 4b angeordneten Verbraucheranschlüssen 14.
Die Verbraucheranschlüsse 14 ermöglichen,
wie dies in 5 schematisch angedeutet ist,
den fluidischen Anschluss pneumatisch betätigbarer Verbraucher, insbesondere
pneumatisch betätigbare
Antriebe, beispielsweise Linearantriebe oder Drehantriebe. Exemplarisch
sind jedem Steuerventil 6 zwei Verbraucheranschlüsse 14 zugeordnet.
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Der
Einspeiseanschluss 5 steht innerhalb des pneumatischen
Einspeisemoduls 4a mit dem Speisekanal 12 in Verbindung,
an den die Eingangskanäle 7 sämtlicher
Steuerventile 6 angeschlossen sind. Somit können sämtliche
Steuerventile 6 aus ein und derselben Druckluftquelle gespeist
werden.
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Jedem
Steuerventil 6 sind elektrisch betätigbare Antriebsmittel 15 zur
Vorgabe ihrer Schaltstellung zugeordnet. Exemplarisch sind die Antriebsmittel 15 als
elektromagnetische oder piezoelektrische Vorsteuerventilmittel ausgebildet,
die mindestens einem internen Ventilglied 16 des zugeordneten
Steuerventils 6 durch Fluidbeaufschlagung eine gewünschte Schaltstellung
vorgeben. Prinzipiell könnten
die Steuerventile 6 aber auch elektrisch direkt betätigte Ventile
sein.
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Ein
als pneumatisch betätigter
Antrieb ausgebildeter Verbraucher 11 enthält beispielsweise eine
erste Antriebskammer 11a und eine durch einen Kolben 11c davon
abgetrennte zweite Antriebskammer 11b. Jede dieser Antriebskammern 11a, 11b ist an
einem der Verbraucheranschlüsse 14 eines
Steuerventils 6 angeschlossen. Je nach Schaltstellung des
Ventilgliedes 16 des betreffenden Steuerventils 6 wird
in die eine Antriebskammer 11a oder 11b Druckluft
aus dem Speisekanal 12 eingespeist, während bei gleichzeitiger Bewegung
des Kolbens 11c aus der anderen Antriebskammer 11b oder 11a Druckluft
verdrängt
wird, die über
einen der beiden Abluftkanäle 8a, 8b in
einen der beiden Entlüftungskanäle 13a, 13b eingeleitet
wird.
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Während der
Speisekanal 12 durch stirnseitige Abschlussmodule 4c der
Ventilvorrichtung 12 stirnseitig abgesperrt ist, sind die
beiden Entlüftungskanäle 13a, 13b nur
auf der einen Seite durch eines der Abschlussmodule 4c verschlossen
und stehen über
das andere der beiden Abschlussmodule 4c mit der Atmosphäre in Verbindung.
In 1 sind die zur Atmosphäre führenden Austrittsöffnungen
der Entlüftungskanäle 13a, 13b bei 17 ersichtlich.
Um das mit dem Ausströmen
der Druckluft verbundene Strömungsgeräusch zu
minimieren, münden
die Austrittsöffnungen 17 nicht
direkt zur Atmosphäre,
sondern sind mit jeweils einem Schalldämpfer 18 versehen.
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Zur
elektrischen Aktivierung der Antriebsmittel 15 erstreckt
sich innerhalb der Ventilvorrichtung 2 in Achsrichtung
der Hauptachse 3 ein interner elektrischer Bus 22.
Der interne Bus 22 kann sich aus mehreren elektrischen
Verkettungselementen 23 zusammensetzen, die jeweils eines
der Module 4 durchsetzen und die miteinander in elektrischer
Verbindung stehen, wenn die Module 4 aneinander angesetzt sind.
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Eines
der Module 4 ist als elektrisches Kommunikationsmodul 4d ausgebildet,
das einerseits an den internen Bus 22 angeschlossen ist
und andererseits an seiner Außenseite
mindestens eine elektrische Schnittstelleneinrichtung 24 aufweist, über die den
Antriebsmitteln 15 zuzuführende elektrische Energie
und/oder elektrische Steuersignale eingespeist werden kann bzw.
können.
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Die
Ventilvorrichtung 2 ist außerdem mit mindestens einer
Energiewandlereinrichtung 25 ausgestattet, die so ausgebildet
ist, dass sie Druckluftenergie in elektrisch Energie konvertieren
kann. Die beispielhafte Ventilvorrichtung 2 enthält insgesamt
zwei solcher Energiewandlereinrichtungen 25, die zweckmäßigerweise
von jeweils einem als Energiewandlermodul 4e ausgebildeten
Modul 4 der Ventilvorrichtung 2 gebildet sind.
Prinzipiell könnte
die Ventilvorrichtung 2 auch mit nur einer Energiewandlereinrichtung 25 bzw.
mit nur einem Energiewandlermodul 4e ausgebildet sein,
ebenso könnte
eine größere als
die vorhandene Anzahl realisiert sein. Sind mehrere Energiewandlermodule 4e vorhanden,
ist zwischen ihnen zweckmäßigerweise
mindestens ein weitere Modul 4 platziert, beispielsweise
ein Ventilmodul 4b.
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Die
Energiewandlereinrichtung 25 ist eingangsseitig an die
beiden Entlüftungskanäle 13a, 13b angeschlossen
und ist in der Lage, aus der in der Abluft enthaltenen Druck- und/oder
Strömungsenergie
elektrische Energie zu generieren, die für interne Zwecke der Ventilvorrichtung 2 und/oder
für externe Zwecke
nutzbar ist. Auf diese Weise kann der energetische Wirkungsgrad
der pneumatischen Vorrichtung 1 optimiert werden. Die Abluft
strömt
nicht ungenutzt ins Freie, sondern wird zur Erzeugung elektrischer
Energie genutzt. Da für
diese Energieerzeugung bzw. Energiewandlung nur Druckluft verwendet wird,
die als Abluft vom angeschlossenen Verbraucher 11 zurückströmt, bleibt
der Luftverbrauch der pneumatischen Vorrichtung 1 insgesamt
unbeeinflusst.
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Die
Energiewandlung erfolgt unmittelbar in der Ventilvorrichtung 2,
nämlich
direkt in dem mindestens einen Energiewandlermodul 4e,
das wie das mindestens eine Ventilmodul 4b von dem mindestens
einen Entlüftungskanal 13a, 13b durchsetzt
ist. Eine hierzu besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Energiewandlermoduls 4e geht
aus 2 und 3 hervor.
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Vorzugsweise
basiert die Energiewandlung innerhalb einer jeweiligen Energiewandlereinrichtung 25 auf
den Druckimpulsen, die in den Entlüftungskanälen 13a, 13b aufgrund
der Umschaltvorgänge
der Steuerventile 16 durch die vom angeschlossenen Verbraucher 11 zurückströmende Abluft
hervorgerufen werden. Jedes Mal, wenn eine Antriebskammer 11a oder 11b eines
Verbrauchers 11 durch entsprechende Betätigung eines Steuerventils 6 entlüftet wird,
baut sich innerhalb des zugeordneten Entlüftungskanals 13a, 13b ein
kurzzeitiger Abluft-Druckimpuls auf.
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Begünstigt wird
der Aufbau dieses Druckluftimpulses beim Ausführungsbeispiel durch die ausgangsseitig
an die Entlüftungskanäle 13a, 13b angeschlossenen
Schalldämpfer 18,
die als Strömungsrückstaumittel 26 fungieren
und die Ausströmrate
der Abluft zur Atmosphäre
begrenzen, so dass pro Zeiteinheit weniger Druckluft zur Atmosphäre ausströmen kann
als über
einen angeschlossenen Verbraucher 11 in einen angeschlossenen
Entlüftungskanal 13a, 13b zurückströmt. Das
Druckniveau hängt
hierbei natürlich
von der Größe des bzw.
der angeschlossenen Verbraucher 11 ab und auch insbesondere
davon, wie viele Steuerventile 6 gleichzeitig schalten bzw.
in welcher zeitlichen Abfolge die Steuerventile 6 betätigt werden.
Die Höhe
der während
des Betriebes der Ventilvorrichtung 2 in den Entlüftungskanälen 13a, 13b auftretenden
Druckimpulse kann also zeitlich variieren und es können sich
insbesondere höhere
mit geringeren Druckluftimpulsen abwechseln. Versuche haben gezeigt,
dass in der Spitze Druckluftimpulse in der Größenordnung bis zu 3 bis 5 bar ohne
Weiteres auftreten können.
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Wird
die pneumatische Vorrichtung 1 ohne Schalldämpfer 18 betrieben,
können
bei Bedarf auch andere Strömungsrückstaumittel 26 eingesetzt
werden, die den Abströmquerschnitt
begrenzen, beispielsweise Kanalverengungen. Die Nutzung der sowieso
vorhandenen Schalldämpfer 18 als
Strömungsrückstaumittel 26 hat
jedoch den Vorteil, dass keine zusätzliche künstliche Einschränkung des
Abluftdurchsatzes hervorgerufen werden muss, so dass das Betriebsverhalten
der Ventilvorrichtung 2 nicht von demjenigen einer Ventilvorrichtung
abweicht, die keine Energiewandlereinrichtung 25 aufweist.
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Die
Energiewandlereinrichtung 25 verfügt zweckmäßigerweise über ein Wandlergehäuse 27, das
von dem mindestens einen Entlüftungskanal 13a, 13b durchsetzt
ist und zweckmäßigerweise auch
von dem Speisekanal 12. Von beiden Entlüftungskanälen 13a, 13b zweigt
quer zu der Hauptachse 3 ein erster bzw. zweiter Abzweigkanal 28a, 28b ab,
und diese beiden Abzweigkanäle
führen
zu einer zweckmäßigerweise
ebenfalls im Inneren des Wandlergehäuses 27 ausgebildeten
Arbeitskammer 32. Die Arbeitskammer 32 ist also
ständig
mit mindestens einem und vorzugsweise sämtlichen Entlüftungskanälen 13a, 13b fluidisch
verbunden. Somit treten in den Entlüftungskanälen 13a, 13b auftretende
Abluft-Druckimpulse auch in der Arbeitskammer 32 auf.
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Die
Arbeitskammer 32 ist außer vom Wandlergehäuse 27 auch
von einem beweglichen Wandabschnitt begrenzt, der ein Stellglied 33 bildet. Das
Stellglied 33 besitzt eine der Arbeitskammer 32 zugewandte
Beaufschlagungsfläche 34,
die von dem mit der Arbeitskammer 32 herrschenden Fluiddruck beaufschlagt
ist.
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Eine
bevorzugt zusätzlich
vorhandene Federeinrichtung 25 stützt sich einerseits am Wandlergehäuse 27 ab
und drückt
andererseits ständig
auf das Stellglied 33 in Richtung einer Grundstellung.
Die Grundstellung ist beim Ausführungsbeispiel
durch eine am Wandlergehäuse 27 ausgebildete
Anschlagfläche 36 vorgegeben.
Die Kraftrichtung der Federeinrichtung 35 ist entgegengesetzt
zu der Druckkraft, die die auf die Beaufschlagungsfläche 34 einwirkenden
Abluft-Druckimpulse hervorrufen.
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Exemplarisch
ist das Wandlergehäuse 27 mehrteilig
ausgebildet und verfügt über einen
vom Speisekanal 12 und von den beiden Entlüftungskanälen 13a, 13b durchsetzen
Hauptkörper 37,
in dem sich auch die Abzweigkanäle 28a, 28b und
die Arbeitskammer 32 befinden. Das Stellglied 33 verfügt über einen
die Beaufschlagungsfläche 34 aufweisenden
Kolbenabschnitt 39, der in einer sich axial an die Arbeitskammer 32 anschließenden Aufnahmevertiefung 38 des
Hauptkörpers 37 aufgenommen
ist, die zu einer quer zur Hauptachse 3 orientierten Hauptfläche 42 des
Hauptkörpers 37 ausmündet.
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An
die Hauptfläche 42 ist
ein Trägerkörper 43 des
Wandlergehäuses 27 angesetzt,
der von einem Stößelabschnitt 44 des
Stellgliedes 33 gleitverschieblich durchsetzt ist. Der
Stößelabschnitt 44 steht
mit seinem Endabschnitt 45 über den Trägerkörper 43 vor.
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In
der Aufnahmevertiefung 38 ist zweckmäßigerweise auch die Federeinrichtung 35 untergebracht,
die das Stellglied 33 zweckmäßigerweise koaxial umschließt und die
sich zweckmäßigerweise einenends
an dem Kolbenabschnitt 39 und anderenends an dem Trägerkörper 43 abstützt.
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Jedes
Mal, wenn in der Arbeitskammer 32 ein Abluft-Druckimpuls
auftritt, wird das Stellglied 33 zu einer Arbeitsbewegung 46 veranlasst,
die sich aus einem Arbeitshub und einem Rückhub zusammensetzt. Der Arbeitshub
resultiert aus der Druckbeaufschlagung der Beaufschlagungsfläche 34,
der Rückhub
aus der Rückstellkraft
der Federeinrichtung 35 nach Wegfall des Druckimpulses.
Mit anderen Worten ist die Arbeitsbewegung 46 eine hin
und hergehende, alternierende Bewegung, und zwar insbesondere eine
Linearbewegung in Achsrichtung der Längsachse 47 des Stellgliedes 33.
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Prinzipiell
könnte
die Arbeitsbewegung 46 auch eine rotative Bewegung oder
eine Schwenkbewegung sein, zweckmäßigerweise aber jedenfalls eine
hin und hergehende Bewegung.
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An
den Trägerkörper 43 ist
ein mechanisch-elektrischer Konverter 48 angebaut. Er verfügt über ein
gemäß Doppelpfeil 52bewegliches
Arbeitsglied 53, das mit dem Stellglied 33 in
Antriebsverbindung steht und durch letzteres derart antreibbar ist, dass
aus der Bewegung eine elektrische Spannung resultiert, die an Abgriffskontaktmitteln 54 abgreifbar ist.
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Bei
dem Konverter 48 handelt es sich vorzugsweise um einen
piezoelektrischen Konverter. Sein Arbeitsglied 53 ist von
einem piezoelektrischen Wandlerelement gebildet, exemplarisch von
einem Piezo-Biegewandler 53a. Der Piezo-Biegewandler 53a ist
mit seinem einen Ende an dem Trägerkörper 43 befestigt
und ragt mit seinem anderen Ende – im Folgenden als Antriebsende 55 bezeichnet – über den
Endabschnitt 45 des Stößelabschnittes 44 hinweg,
der ihn von unten her beaufschlagen kann.
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Zwischen
dem Stellglied 33 und dem Piezo-Biegewandler 53a liegt
zweckmäßigerweise
keine feste Verbindung vor. Somit kann das Stellglied 33 nur
drückende,
jedoch keine ziehenden Kräfte
auf das Arbeitsglied 53 ausüben. Bei Einnahme seiner Grundstellung
kann das Stellglied 33 an dem Antriebsende 55 anliegen
oder auch einen geringen Abstand dazu aufweisen.
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Jedes
Mal, wenn das Stellglied 33 einen Arbeitshub ausübt, wird
der von ihm beaufschlagte Piezo-Biegewandler 53a gemäß Doppelpfeil 52 ausgelenkt
bzw. verbogen, so dass auf Basis des piezoelektrischen Effektes
an den Abgriffskontaktmitteln 54 eine elektrische Spannung
abgegriffen werden kann.
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Da
der Piezo-Biegewandler 53a oder auch ein anderes Arbeitsglied 53 im
ausgelenkten Zustand aufgrund der elastischen Verformung eine eigene Rückstellkraft
auf das Stellglied 33 ausübt, kann auf die zusätzliche
Federeinrichtung 35 unter Umständen auch verzichtet werden.
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Abweichend
vom Ausführungsbeispiel,
bei dem das Arbeitsglied 53 und das Stellglied 33 eigenständige Komponenten
sind, wäre
auch eine Bauform möglich,
bei der das Stellglied 33 unmittelbar selbst das Arbeitsglied 53 bildet.
Zu denken ist hier beispielsweise an einen auf dem magnetischen
Induktionsprinzip basierender Konverter, der eine stillstehende
Induktionsspule aufweist und einen diesbezüglich beweglichen Eisenkern
enthält,
der von dem Stellglied 33 gebildet ist. Der Eisenkern könnte selbstverständlich auch
als eigenständiges
Arbeitsglied 53 mit einem zusätzlichen Stellglied 33 bewegungsgekoppelt
sein.
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Der
Konverter 48 sitzt zweckmäßigerweise im Inneren eines
Aufnahmeraumes des Energiewandlermoduls 4e, der gemeinsam
von dem Hauptkörper 37 und
einer in 2 nur strichpunktiert angedeuteten
Abdeckhaube 56 begrenzt ist.
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Dichtungsmittel
zur Abdichtung zwischen dem Stellglied 33 und dem Wandlergehäuse 27 sind vorzugsweise
nicht erforderlich, da die angeschlossenen Entlüftungskanäle 13a, 13b sowieso
zur Atmosphäre
ausmünden.
Der dichtungslose Aufbau hat dabei auch den Vorteil, dass die Reibung
sehr gering ist und folglich ein gutes Ansprechverhalten des Stellgliedes 33 gewährleistet
werden kann.
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Die
an den Abgriffskontaktmitteln 54 abgreifbare elektrische
Spannung wird beim Ausführungsbeispiel über elektrische
Einspeiseleitungen 57 in den internen Bus 22 eingespeist.
Dies geschieht im Inneren des Energiewandlermoduls 4e,
insbesondere über
ein dort vorhandenes elektrisches Verkettungselement 23.
Auf diese Weise besteht die Möglichkeit,
die erzeugte elektrische Energie innerhalb der Ventilvorrichtung 2 beliebig
zu verteilen und/oder die erzeugte elektrische Energie über die
mindestens eine elektrische Schnittstelleneinrichtung 24 aus
der Ventilvorrichtung 2 auszugeben und einer externen Verwendung
zuzuführen.
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Es
sei auch noch auf die Möglichkeit
verwiesen, die pneumatische Vorrichtung 1 mit mindestens einem
in 2 strichpunktiert angedeuteten elektrischen Energiespeicher 58 auszustatten,
insbesondere ein sogenannter Akku oder Kondensator, in dem sich
die erzeugte elektrische Energie zumindest vorübergehend speichern lässt. Der
zweckmäßigerweise
auch an den internen Bus 22 angeschlossene Energiespeicher 58 kann
einen elektrischen Ladungspuffer bilden, um elektrische Komponenten
der Ventilvorrichtung 2 nach Bedarf zu versorgen.
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Die
Ausgestaltung der pneumatischen Vorrichtung 1 als Ventilvorrichtung 2 ist
besonders vorteilhaft. Prinzipiell könnte die pneumatische Vorrichtung 1 aber
auch ein anderer Vorrichtungstyp sein, beispielsweise ein mit oder
ohne Ventilvorrichtung ausgestatteter pneumatischer Antrieb, bei
dem die Abluft-Druckluftimpulse ebenfalls vor Ort in elektrische
Energie umgewandelt werden.
