DE102012016222A1

DE102012016222A1 - Kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102012016222A1
Application number: DE201210016222
Authority: DE
Inventors: Dietmar Wünsche; Jürgen Bauch; Frank Henschel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine zylinder-, kolben- und ventillose, kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten und Fördern von Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidarbeitsmaschine ein zu einem Ring geschlossenes Rohr (1) aufweist, in dessen Verlauf ein Sperrbereich (4) vorgesehen ist, auf dessen einer Seite im Rohr (1) eine Einlassöffnung (2) und der gegenüberliegenden Seite eine Auslassöffnung (3) für die Zu- und Ableitung von Gasen und Flüssigkeiten vorgesehen ist, in dem Rohr (1) Portionen aus einer magnetisierbaren ionischen Flüssigkeiten fungierend als flüssige Schieber (6), angetrieben durch ein magnetisches Transportfeld 7, ausgehend von einer Seite des Sperrbereich (4, 8) durch das Rohr (1) zur gegenüberliegenden Seite des Sperrbereiches (4) gas- oder flüssigkeitsdicht gleiten und auf jegliche bewegte Mechanik verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine zylinder-, kolben- und ventillose, kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten und Fördern von Gasen und Flüssigkeiten, die über keinerlei bewegte Mechanik wie Hilfspumpen, Ventile, Reibung Feststoff-Feststoff verfügt.
In der DE 10 2009 020 925 bzw. WO2010130356 wird ein Kolbenkompressor für z. B. Erdgas beschrieben, dessen Kolben aus einer ionischen Flüssigkeit besteht bzw. bestehen, der bzw. die jeweils zwischen zwei Zylindern durch eine herkömmliche Pumpe hin und her gepumpt wird. Diese Konstruktion verfügt über folgende Nachteile: a) Diskontinuierliche Arbeitsweise. b) Eine externe Pumpe für die ionische Flüssigkeit und c) mechanische Ein- und Auslassventile sind zwingend erforderlich.
In BR200805683 , JP2009152322 , US2009175021 , CN101162634 , EP2150963 , WO2008131528 , US20100277820 , JP2005026320 , KR20090122845 , CN101471166 werden magnetische bzw. magnetisierbare ionische Flüssigkeiten und ihre Herstellungstechnologien beschrieben. Zumeist werden magnetische bzw. magnetisierbare Nanopartikel einer ionischen Matrixflüssigkeit beigemischt. Eine andere Variante besteht darin, die ionische Flüssigkeit selbst magnetisch bzw. magnetisierbar zu machen, indem als positives Ion der Salzschmelze ein solches eingesetzt wird, welches die gewünschten magnetischen Eigenschaften besitzt, z. B. Seltenerdmetallionen.
In EP2122169 bzw. WO2008074428 bzw. DE 10 2006 060 147 wird eine Weiterentwicklung des o. g. Kolbenkompressors DE 10 2009 020 925 bzw. WO2010130356 beschrieben, indem die externe Pumpe für die ionische Flüssigkeit durch einen ”Linearmotor” ersetzt wird, der den Kolben aus einer magnetischen bzw. magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit oder einen festen Kolben innerhalb der ionischen Flüssigkeit hin und her bewegt. Nach wie vor besitzt diese Konstruktion die Nachteile der diskontinuierlichen Arbeitsweise und das Erfordernis von Ventilen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine zylinder-, kolben- und ventillose, kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten, Dosieren und Fördern von Gasen und Flüssigkeiten anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Fluidarbeitsmaschine (1) mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße, kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine besitzt ein zum Ring geschlossenes Rohr 1, welches über seinen Umfang einen unterschiedlichen Querschnitt besitzen kann, aber nicht muss. Das zu fördernde oder zu verdichtende Medium gelangt durch einen Einlass 2 in das ringförmig geschlossene Rohr hinein und wieder durch einen Auslass 3 heraus. Dieses ringförmige Rohr (Förderrohr) besteht aus einem Material, das Magnetfelder nicht abschirmt, z. B. Messing, Glas, Kunststoff. Das Förderrohr wird durch eine Magneteinheit 7 umschlossen. Diese Magneteinheit kann aus Spulen (ähnlich einem zum Kreis geschlossenem Linearmotor) oder aus starken Hartmagneten bestehen, die mittels einer geeigneten Vorrichtung rotieren. Diese Spulen oder Hartmagnete erzeugen bzw. bewegen einen oder mehrere sogenannte Schieber 6 aus einer magnetischen oder magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit. Mit Hilfe dieser flüssigen Schieber wird das zu fördernde bzw. zu verdichtende Medium innerhalb des Ringes transportiert.
Damit die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine bestimmungsgemäß funktioniert, wird verhindert, dass im Bereich 4 (Sperrbereich und Reservoir) zwischen Auslass- und Einlassöffnung das zu fördernde bzw. zu komprimierende Medium in größerer Menge im Kreis zurück Richtung Einlass gefördert werden kann. Im Gegensatz zu einer bekannten mechanischen Drehschieberpumpe muss an dieser Stelle der Querschitt des ringförmigen Förderrohres so groß sein, dass die flüssigen Schieber aus der magnetischen bzw. magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit hindurch bewegt werden können, wobei bei einer Verringerung des Querschnittes des Förderrohres die Länge des flüssigen Schiebers an dieser Stelle zunimmt. Im Bereich 4 des Förderrohres befindet sich also eine ”Abdichtung”, die den Durchtritt des Fördermediums verhindert bzw. stark begrenzt.
Die Abdichtung bzw. Absperrung kann in verschiedenen Bauformen ausgeführt sein.
In einer ersten Ausführungsvariante hat das Förderrohr im Bereich 4 einen stark verkleinerten Querschnitt, so dass sich der flüssige Schieber in seiner Länge ausdehnt. Bei einer entsprechenden Anzahl von flüssigen Schiebern ist der Bereich 4 die meiste Zeit geschlossen. Nur ein geringer Anteil des zu fördernden Mediums verbleibt im Kreislauf.
In einer anderen Ausführungsvariante (1) erfolgt die Abdichtung zwischen Auslass und Einlass ebenfalls durch die magnetische bzw. magnetisierbare magnetische ionische Flüssigkeit, indem durch ein überlagertes Magnetfeld 8 ein Teil der ionischen Flüssigkeit an dieser Position gehalten wird, während ein anderer Teil als flüssiger Drehschieber weiter bewegt wird. Diese Ausführungsvariante eignet sich vorteilhaft für das Einfüllen oder Ablassen der magnetischen oder magnetisierbaren Flüssigkeit. Dazu ist eine entsprechende Öffnung 5 vorgesehen.
Zum Auffüllen der Fluidarbeitsmaschine wird im Bereich 4 (Sperrbereich und Reservoir) eine ionische Flüssigkeit eingefüllt. Das dortige Magnetfeld hält die ionische Flüssigkeit in diesem Bereich fest, so dass sich diese nicht undefiniert im Förderrohr verteilt. Der Bereich 4 hat die Sperrung des Förderrohres zwischen Auslass und Einlass zur Aufgabe und dient als Reservoir für die ionische Flüssigkeit.
Die Ein- und Auslassöffnungen sind zweckmäßigerweise nahe dem Reservoir angebracht, um an der Einlassöffnung einen Unterdruck zwischen Reservoir und Einlassöffnung zu vermeiden. An der Auslassöffnung kann damit wirksam verhindert werden, dass ein Teil des Fördergutes an der Auslassöffnung vorbei in Richtung Reservoir gedrückt wird.
Zum Start der Maschine wird durch das magnetische Transportfeld (Spulenkonstruktion oder bewegte Dauermagnete) so viel ionische Flüssigkeit aus dem Reservoir (Bereich 4) entnommen, wie für einen flüssigen Schieber erforderlich ist. Dieser flüssige Schieber wird durch das magnetische Transportfeld durch das Förderrohr bewegt, bis es wieder das Reservoir erreicht und diese Portion der ionischen Flüssigkeit dem Reservoir wieder zugefügt worden ist. Je nach Ausführungsvariante können sich im Förderrohr gleichzeitig ein oder mehrere flüssige Schieber befinden. Wenn der erste flüssige Schieber eine bestimmte Strecke im Förderrohr zurückgelegt hat, wird die nächste Portion ionische Flüssigkeit aus dem Reservoir entnommen, d. h. der nächste flüssige Schieber wird durch das magnetische Transportfeld gebildet und bewegt.
In einer anderen Ausführungsvariante wird im Bereich 4 ein zusätzlicher Seitenkanal angeordnet, in welchen ein Teil der magnetischen bzw. magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit zurückgezogen werden kann. Ist der flüssige Schieber vorbei, wird durch ein Magnetfeld, z. B. einer Spule bzw. Spulenkonstruktion der flüssige ”Sperrschieber” wieder geschlossen.
In einer anderen Ausführungsvariante ist die kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine aufgebaut wie eine an sich bekannte Drehschieberpumpe. Im rotierenden Innenteil, welches asymmetrisch im Gehäuse angeordnet ist, befinden sich Schieber, welche im Gegensatz zu einer Drehschieberpumpe keine mechanischen Bauteile sind, sondern flüssige Schieber aus einer magnetischen bzw. magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit. Diese flüssigen Schieber werden magnetisch so in Form gehalten und verschoben, dass diese ähnlich wie feste Drehschieber funktionieren. Auf diese Weise wird eine Reibung zwischen Festkörpern vermieden, so dass es auch in dieser Ausführungsvariante zu keiner Funkenbildung und damit auch nicht zu einer Entzündung explosionsfähiger Gasgemische kommen kann.
Die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine ist z. B. zum Fördern, Dosieren und Verdichten von chemisch aggressiven, thermisch instabilen und explosiven Medien geeignet. Durch die Trennung von mechanischen Reibvorgängen und Fördergut oder dem völligen Ausschluss mechanischer Reibvorgänge wird dem schnellen Verschleiß der Pumpe vorgebeugt und Zündfunken werden vermieden (Explosionsschutz). Bestimmte Chemikalien, z. B. Zwischenprodukte in Chemieanlagen (z. B. bei der Kunststoffproduktion) explodieren auch ohne Vorhandensein von Sauerstoff oder Sauerstoffträgern, wenn diese schnellen Druckänderungen, thermischen Belastungen oder Zündfunken ausgeausgesetzt werden. Da die flüssigen Schieber eine gewisse Elastizität aufweisen, werden abrupte Druckänderungen vermieden. Im Gegensatz zu einer Zahnradpumpe oder Turbine kann die Fluidarbeitsmaschine im Stillstand zuverlässig zwischen Ein- und Auslass abdichten, wenn einer der flüssigen Schieber bzw. Kolben im Ring aufrechterhalten wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine In der 1 ist eine erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine schematisch dargestellt. Ein Rohr 1 verläuft ausgehend von einem Sperrbereich 4 in Ringform zu dem Sperrbereich 4 zurück. Unmittelbar neben dem Sperrbereich 4 ist im Rohr 1 eine Einlassöffnung 2 zum Einlassen von Gasen oder Flüssigkeiten vorgesehen. Am gegenüberliegenden Ende des Rohres 1, wiederum in der Nähe des Sperrbereiches 4 ist eine Auslassöffnung 3 vorgesehen, die zum Auslassen der Gase oder Flüssigkeiten eingerichtet ist. In dem Rohr sind mehrere Portionen von magnetischen ionischen Flüssigkeiten, hier insgesamt fünf an der Zahl, dargestellt, die als flüssige Schieber 6 fungieren. Zum Auffüllen oder Einfüllen der ionischen Flüssigkeit ist im Sperrbereich 4 eine Einfüllöffnung 5 vorgesehen.
Die Portionen der magnetischen ionischen Flüssigkeiten sind in der Menge so bemessen, dass sie das Rohr 1 bezüglich der zu transportierenden oder zu verdichtenden Flüssigkeit gas- oder flüssigkeitsdicht abdichten können.
Das Portionieren der magnetischen Flüssigkeiten kann in der Weise erfolgen, dass von dem Sperrbereich eine bestimmte Menge an ionischer Flüssigkeit gehalten wird und von dort ausgehend ständig kleinere Mengen an ionischer Flüssigkeit kontinuierlich abgegeben werden.
Zur Erzeugung des Medienstromes im Rohr 1 werden die flüssigen Schieber 6 von einem hier nicht dargestellten magnetischen Transportfeld angetrieben. Hierzu eignen sich rotierende magnetische Felder oder Vorrichtungen mit der Dauermagnete entlang des ringförmigen Rohres angetrieben werden können. Im Abschnitt zwischen einem voreilenden und einem nacheilenden flüssigen Schieber 6 wird das zu transportierende Medium an der Einlassöffnung 2 aufgenommen und zur Auslassöffnung 3 transportiert.
Bezugszeichenliste

1: Rohr
2: Einlassöffnung
3: Auslassöffnung
4: Sperrbereich
5: Einfüllöffnung
6: Schieber
7: Magneteinheit für Transportfeld
8: Magneteinheit für Sperre und Flüssigkeitsvorrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009020925 [0002, 0004]
WO 2010130356 [0002, 0004]
BR 200805683 [0003]
JP 2009152322 [0003]
US 2009175021 [0003]
CN 101162634 [0003]
EP 2150963 [0003]
wo 2008131528 [0003]
US 20100277820 [0003]
JP 2005026320 [0003]
KR 20090122845 [0003]
cn 101471166 [0003]
EP 2122169 [0004]
WO 2008074428 [0004]
DE 102006060147 [0004]

Claims

Zylinder-, kolben- und ventillose, kontinuierlich arbeitende Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten, Dosieren und Fördern von Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidarbeitsmaschine ein zu einem Ring geschlossenes Rohr (1) aufweist, in dessen Verlauf ein Sperrbereich (4) vorgesehen ist, auf dessen einer Seite im Rohr (1) eine Einlassöffnung (2) und der gegenüberliegenden Seite eine Auslassöffnung (3) für die Zu- und Ableitung von Gasen und Flüssigkeiten vorgesehen ist, in dem Rohr (1) Portionen aus einer magnetisierbaren ionischen Flüssigkeiten fungierend als flüssige Schieber (6), angetrieben durch ein magnetisches Transportfeld 7, ausgehend von einer Seite des Sperrbereich (4) durch das Rohr (1) zur gegenüberliegenden Seite des Sperrbereiches (4) gas- oder flüssigkeitsdicht gleiten.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sperrbereich (4) eine Einfüllöffnung für ionische Flüssigkeiten vorgesehen ist.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) aus einem antimagnetischen Material wie z. B. Messing, Glas, Kunststoff o. dgl. besteht.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass magnetisches Transportfeld aus Spulen oder aus starken Hartmagneten besteht, die auf die flüssigen Schieber eine magnetische Kraft ausüben und diese durch das Rohr (1) befördern.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Sperrbereich (4) Mittel zur Überlagerung eines Magnetfeldes 8 vorgesehen sind, womit ein Teil der ionischen Flüssigkeit an dieser Position gehalten wird.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Sperrbereich (4) ein Seitenkanal vorgesehen ist, in welchen ein Teil der magnetischen bzw. magnetisierbaren ionischen Flüssigkeit zurückgehalten werden kann.