DE102015016795A1

DE102015016795A1 - Druckwandler und Verfahren zur Druckwandlung

Info

Publication number: DE102015016795A1
Application number: DE102015016795.2A
Authority: DE
Inventors: Olivier Georg Reinertz
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler, insbesondere pneumatischer Druckwandler mit wenigstens einem Wandlereinlass (6) und wenigstens einem Wandlerauslass (7), mit dem der an dem Wandlereinlass (6) anstehende Fluiddruck auf einen an dem Wandlerauslass (7) gewünschten Fluiddruck änderbar ist, der einen Lamellenmotor (1) umfasst, dessen Motoreinlass mehrere diskrete Einlasskanäle (14) aufweist und er eine Stellvorrichtung (8) umfasst, mittels der in Abhängigkeit vom Fluiddruck am Wandlerauslass (7) die Anzahl der genutzten Einlasskanäle (14) einstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Druckwandlung mit einem Druckwandler, bei dem der Eingangsdruck eines Fluids an dessen Wandlereinlass (6) in einen Ausgangsdruck des Fluids an dessen Wandlerauslass (7) geändert wird, wobei die Anzahl der genutzten Einlasskanäle (14) aus einer Vielzahl diskreter Einlasskanäle, über welche das Druckfluid in den Expansionsraum eines Lamellenmotors (1) geführt ist, eingestellt wird in Abhängigkeit von dem am Wandlerauslass (7) vorliegenden Fluiddruck.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler, insbesondere einen pneumatischen Druckwandler mit mindestens einem Wandlereinlass und einem Wandlerauslass, mit dem der an dem Wandlereinlass anstehende Fluiddruck auf einen an dem Wandlerauslass gewünschten Fluiddruck änderbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Druckwandlung mit einem Druckwandler, bei dem der Eingangsdruck des Fluids an dessen Wandlereinlass in einen Ausgangsdruck des Fluids an dessen Wandlerauslass geändert wird.
Die Erfindung kann vorsehen, dass genau ein Wandlereinlass und ein Wandlerauslass am Wandler realisiert sind. Insbesondere sofern mehr als ein Wandlereinlass und/oder Wandlerauslass am Wandler angeordnet sind, kann die Erfindung bevorzugt vorsehen, dass nachfolgende Ausführungen zu einem Wandlereinlass auf jeden Wandlereinlass zutreffen und nachfolgende Ausführungen zu einem Wandlerauslass auf jeden Wandlerauslass zutreffen oder dass zumindest die Ausführungen auf jedes Paar von einander zugeordneten Wandlerein- und -auslässen zutreffen.
Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf jegliches Fluid, also flüssige und gasförmige Medien, jedoch bevorzugt auf gasförmiges Fluid und besonders bevorzugt auf Luft, bzw. Druckluft. Dabei wird als Druckluft solche Luft verstanden mit einem Druck größer als der atmosphärische Druck in der Umgebung. Sofern nachfolgend Ausführungen zur beispielhaften Anwendung bei Luft gemacht werden, sollen diese nicht hierauf ausschließlich beschränkend verstanden werden und besonders bevorzugt auch analog für jegliches andere Fluid gelten.
In Druckluftanlagen wird Druckluft regelmäßig durch einen oder mehrere Kompressoren erzeugt, die Umgebungsluft verdichten. Die verdichtete Luft kann direkt oder auch über Kessel als Zwischenspeicher zur Verfügung gestellt werden. Die Verdichtung erfolgt dabei üblicherweise bis zu einem solch hohen Druckniveau, welches sicherstellt, dass der Verbraucher mit den höchsten Druckanforderungen betrieben werden kann. Ein solches Druckniveau kann z. B. bei 6 bis 12 bar liegen.
In Anlagen, die mit flüssigem Fluid arbeiten, sind die Verhältnisse ähnlich. Der Begriff der „Umgebung” soll hier und auch in nachfolgender Erfindungsbeschreibung im Anwendungsfall der Luft bevorzugt als atmosphärische Umgebung der Erde verstanden werden und im Fall von jeglichem anderen Fluid bevorzugt als ein Reservoir des verwendeten Fluids, weiter bevorzugt ein druckloses Reservoir bzw. ein solches, in welchem der Fluiddruck dem atmosphärischen Luftdruck entspricht.
Eine Vielzahl möglicher Verbraucher, die an eine solche Anlage angeschlossen werden können, benötigen hingegen nicht dieses hohe Druckniveau oder würden bei Betrieb hiermit ggfs. sogar Schaden nehmen, so dass für deren Betrieb regelmäßig zwischen die Drucklfluidversorgung mit dem genannten hohen Druck und der Eingangsfluidleitung des Verbrauchers ein Druckwandler, hier ein Druckminderer geschaltet wird, um eine Verringerung des Druckes zu bewirken.
Zwar erfolgt hierbei rein thermodynamisch betrachtet eine Energieerhaltung, aus dem Druckfluid nutzbare Energie, die sogenannte Exergie geht hierbei hingegen verloren, so dass die bisherige im Stand der Technik durchgeführte Druckwandlung mit erheblichen Verlusten einhergeht.
Andere mögliche Verbraucher benötigen ggfs. auch nur in Ausnahmefällen ein höheres Druckniveau, so dass diese Verbraucher an der ausgelegten Druckfluidanlage nicht betrieben werden können oder aber Kompressoren bzw. Pumpen zur Nachverdichtung vorgesehen werden müssen, die sodann extern mit Energie versorgt werden müssen, um diese Verdichtung zu leisten. Dies steht häufig im Widerspruch zur Verwendung von Druckfluid als Energieträger in Bereichen, in denen kein Strom genutzt werden soll oder darf, z. B. in Explosionsschutzbereichen. Alternativ finden auch pneumatisch oder hydraulisch betriebene Druckübersetzer zur dezentralen Erhöhung des Betriebsdrucks Anwendung, die jedoch aufgrund ihres beschränkten Kolbenhubs zumeist ein ungleichförmiges Förderverhalten aufweisen.
Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckwandler und ein Verfahren zur Druckwandlung bereitzustellen, die zumindest die Möglichkeit erschließen, auf Wunsch die bei der Wandlung freigesetzte Exergie einer Nutzung zuzuführen, bevorzugt eine direkt anlageninterne Nutzung. Die Erfindung soll dabei besonders bevorzugt eine pneumatische Druckwandlung betreffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Druckwandler gelöst, der einen Lamellenmotor umfasst, dessen Motoreinlass mehrere diskrete Einlasskanäle aufweist und der eine Stellvorrichtung umfasst, mittels der in Abhängigkeit von dem am Wandlerauslass vorliegenden Fluiddruck die Anzahl der zur Durchströmung mit Fluid genutzten Einlasskanäle einstellbar ist. Der Motoreinlass des Lamellenmotors ist hierbei über die Einlasskanäle mit dem Wandlereinlass verbunden.
Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Anzahl der genutzten Einlasskanäle aus einer Vielzahl diskreter Einlasskanäle, über welche das Druckfluid in den Raum, insbesondere Expansionsraum eines Lamellenmotors führbar ist, eingestellt wird in Abhängigkeit von dem am Wandlerauslass vorliegenden Fluiddruck.
Unter mehreren Einlasskanälen werden mindestens zwei Einlasskanäle verstanden, bevorzugt mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens vier und noch weiter bevorzugt mindestens fünf Einlasskanäle.
Ein erster wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist es dabei, dass eine fluidleitende Rückkopplung vom Wandlerauslass in Richtung zur Einlassseite des Lamellenmotors, nämlich zur dortigen Stellvorrichtung vorliegt, so dass über den dort vorliegenden Druck Einfluss genommen wird zumindest auf den genutzten Querschnitt der insgesamt zum Zweck der Fluidzuführung in den Motor genutzten Einlasskanäle, der sich aus der Summe der Einzelquerschnitte der genutzten Einlasskanäle (von der Menge aller Einlasskanäle) ergibt, insbesondere auch Einfluss genommen wird auf die Position, aus der heraus der Lamellenmotor durch Fluid, bevorzugt Luft oder anderes gasförmiges Fluid, eingangsseitig angeströmt wird.
Durch diese Rückkopplung wird bewirkt, dass die Druckwandlung auf einen gewünschten am Wandlerauslass vorliegenden Solldruck vorgenommen wird, insbesondere in dem Sinne, dass bei Vorliegen eines über dem Solldruck liegenden Druckes der genannte Querschnitt durch Verkleinerung der genutzten Kanalanzahl verringert wird oder bei Vorliegen eines unter dem Solldruck liegenden Druckes der Querschnitt durch Vergrößerung der genutzten Kanalanzahl vergrößert wird. So wird durch die Rückkopplung automatisiert ein Querschnitt eingestellt, über den das Fluid in den Lamellenmotor strömt, der zur Erzielung des Solldruckes benötigt wird. Es werden somit im Rahmen der Regelung so viele von der Gesamtanzahl aller Einlasskanäle zum Zweck der Fluiddurchströmung genutzt, die benötigt werden, um den Soll-Ausgangsdruck am Wandlerausgang zu erhalten. Die nicht genutzten Einlasskanäle sind verschlossen und können demnach im nicht genutzten Zusand nicht vom Fluid durchströmt werden.
Ein zweiter wesentlicher Kerngedanke ist es, dass durch den Betrieb des Lamellenmotors ein Drehmoment an dessen Abtriebswelle erzeugt wird, das einer Nutzung zugeführt werden kann und erfindungsgemäß die bei der Druckwandlung erzeugte Energie grundsätzlich nutzbar macht, wenngleich die Erfindung nicht zwingend deren Nutzbarmachung fordert, dies jedoch mit später beschriebenen Ausführungen bevorzugt vorsieht.
Unter dem Begriff eines Lamellenmotors, eines später noch genannten Lamellenkompressors oder allgemein einer Lamellenmaschine versteht die Erfindung bevorzugt eine rotatorisch betriebene Anordnung mit einem Stator und einem drehbar darin gelagerten Rotor, wobei zwischen diesen in Drehrichtung betrachtet ein sich erweiternder Raum (Expansionsraum beim Motor) oder sich verkleinernder Raum (Kompressionsraum beim Kompressor) angeordnet ist. Im hydraulischen Bereich werden diese häufig alternativ auch als Flügelzellenmotoren oder Flügelzellenpumpen, bzw. allgemein als Flügelzellenmaschinen bezeichnet.
Zwischen dem Rotor und der Statorinnenfläche erstrecken sich, insbesondere in radialer Richtung oder in einem Winkel dazu, Lamellen, die den genannten Raum in Kammern gemäß der Lamellenanzahl unterteilen. Beim Motor wirkt das expandierende Fluid auf die Lamellen und treibt so den Rotor an oder beim Kompressor werden über den Rotor die Lamellen angetrieben und schieben das in den Kammern eingeschlossene Fluid in Richtung kleiner werdendem Raumquerschnitt, so dass das Fluid verdichtet wird. Durch das Statorgehäuse hindurch geführt sind Motoreinlass und Motorauslass für das jeweilige Fluid, so dass diese in den genannten Raum münden, wobei diese in Drehrichtung beabstandet sind.
In bevorzugter Ausführung kann die Erfindung vorsehen, dass die Stellvorrichtung ein Stellglied umfasst, dessen Position in der Stellvorrichtung abhängig ist vom Fluiddruck am Wandlerauslass und mit dem positionsabhängig die mehreren Einlasskanäle sukzessive öffenbar und schließbar sind. Dafür kann das Stellglied durch den Druck beaufschlagt sein, wodurch eine Kraft auf das Stellglied ausgeübt wird, die dessen Position in der Stellvorrichtung und dadurch die Anzahl genutzter Kanäle ändert.
Die Erfindung kann dabei bevorzugt vorsehen, dass die motorseitigen Mündungsöffnungen der mehreren Einlasskanäle in Umfangsrichtung, also Drehrichtung, hintereinanderliegend in den Expansionsraum des Lamellenmotors münden. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur mit einer Vergrößerung des Einlassquerschnitts mehr Fluid in den Expansionsraum gelangt, sondern auch dass das Fluid über einen in Drehrichtung länger ausgeprägten Winkelbereich in den Expansionsraum eingelassen wird. Hierdurch wird eine Phasenanschnittsteuerung des Lamellenmotors bewirkt, die somit über die reine Querschnittsänderung hinausgeht. Insbesondere ergibt sich hierdurch gegenüber der reinen Querschnittsänderung, die eine Druckanpassung durch Reibungsverluste innerhalb der Strömung erzielt und folglich eine reine Widerstandssteuerung darstellt, ein wesentlich erhöhter Wirkungsgrad der Anordnung, da durch die Phasenanschnittsteuerung auch eine Nutzung der Expansionsarbeit realisiert wird. Somit wird bei gleicher Ausgangsleistung eine geringere Menge Druckfluid einlassseitig benötigt beziehungsweise aus der gleichen Menge Druckfluid mehr Antriebsleistung generiert.
Die Erfindung kann dabei vorsehen, dass die motorseitigen Mündungsöffnungen eines Motors mit n Lamellen bevorzugt in einem Bereich von 1/n·100% bis (n – 1)/n·100% der äußeren Umfangsstrecke des Expansionsraumes zwischen einlassseitigem Totpunkt und auslassseitigem Totpunkt des Lamellenmotors angeordnet sind. Beim Motor ist der einlassseitige Totpunkt dabei der Bereich des Expansionsraumes, in welchem der kleinste Raumquerschnitt vorliegt (betrachtet parallel zur Drehachse). Der auslassseitige Totpunkt ist dabei der Bereich des Expansionsraumes, in welchem der größte Raumquerschnitt vorliegt (betrachtet parallel zur Drehachse).
Es kann bevorzugt weiter vorgesehen sein, dass die stellvorrichtungsseitigen Mündungsöffnungen der Einlasskanäle linear hintereinanderliegend in einen Arbeitsraum der Stellvorrichtung münden, der mit dem Wandlereinlass verbunden ist. Durch lineares Verschieben des genannten Stellgliedes in der Stellvorrichtung in der Richtung der linearen Hintereinanderanordnung der Einlasskanäle, können somit in Abhängigkeit des die Verschiebung bewirkenden Druckes mehr oder weniger Einlasskanäle genutzt werden.
Besonders bevorzugt weist die Stellvorrichtung einen linear verschieblichen Kolben auf, dessen Verschieberichtung mit der linearen Hintereinanderanordnung parallel liegt und dessen erste Kolbenfläche über einen Steuerraum druckbeaufschlagt ist, der mit dem Wandlerauslass verbunden ist und dessen zweite Seite durch eine Kraft beaufschlagt ist, insbesondere eine vom Eingangsdruck unabhängige Kraft, bevorzugt, eine Kraft die vom Sollwert des Ausgangsdrucks und von der Stellkolbenposition abhängig ist, insbesondere so dass die Position des Kolbens von der Sollwertabweichung abhängig ist, wobei die stellvorrichtungsseitigen Mündungsöffnungen der Einlasskanäle durch eine sich zwischen den Kolbenflächen erstreckende Kolbenmantelfläche positionsabhängig sukzessive verschließbar und freigebbar sind.
Um eine Abhängigkeit der Kraft oder des Ausgangsdruckes vom Eingangsdruck zu vermeiden, sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass das als Arbeitsraum bezeichnete Volumen, das vom Kolben begrenzt wird, keine effektive Wirkfläche in axialer Richtung aufweist. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der Arbeitsraum vom Kolben axial umschlossen ist, wofür der Kolben in axialer Richtung sich gegenüberliegende Flächen aufweisen kann, die diesen Arbeitsraum umgeben, so dass sich die axialen Kräfte auf diese gegenüberliegenden Flächen kompensieren.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass das Stellglied der Stellvorrichtung, insbesondere der Kolben über eine bevorzugt einstellbare Federkraft, die der Druckkraft im Steuerraum entgegenwirkt, beaufschlagt ist. Hierdurch kann der Solldruck, um den herum am Wandlerausgang geregelt wird, eingestellt werden, z. B. manuell.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass das Stellglied der Stellvorrichtung, insbesondere der Kolben, über einen bevorzugt einstellbaren Druck, der beispielsweise durch ein Pilotventil eingeregelt wird und der dem Druck im Steuerraum entgegenwirkt, beaufschlagt ist. Hierdurch kann der Solldruck, um den herum am Wandlerausgang geregelt wird, durch ein Pilotventil beliebig gesteuert werden.
In bevorzugter Weiterbildung kann die Erfindung vorsehen, dass in Rotationsrichtung des Lamellenmotors zwischen dem einlassseitigen Totpunkt und dem auslassseitigen Totpunkt wenigstens ein Kanal in den Expansionsraum zwischen Stator und Rotor mündet, der über ein Rückschlagventil, welches nur in der Richtung vom Motorauslass zum Expansionsraum durchgängig ist, in den Motorauslass des Lamellenmotors mündet. Die Anzahl der dort vorgesehenen Kanäle kann bevorzugt auf die Anzahl der in diesem Umfangsbereich vorliegenden durch Lamellen abgetrennten Kammern abgestimmt sein, d. h. dieser entsprechen. z. B. können zwei solche Kanäle in diesem Bereich vorgesehen sein. Hierdurch kann die Überexpansion des Druckfluids in diesem Bereich vermieden werden, die ohne Vorhandensein der Rückschlagventile je nach Auslegungspunkt und vorliegendem Druck am Wandlerausgang und -eingang auftreten kann, sodass beim Betrieb mit gasförmigen Medien ein optimaler thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt wird, bzw. bei Betrieb mit Druckflüssigkeiten Kavitation vermieden wird.
In einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführung kann es vorgesehen sein, dass der Motorauslass des Lamellenmotors und der Wandlerauslass identisch oder fluidleitend verbunden sind. Somit erfolgt in diesem Fall durch den so gebildeten Wandler eine Druckminderung, da am Auslass des Lamellenmotors immer nur ein geringerer Druck anstehen kann, als an dessen Motoreinlass.
In vorteilhaften Weiterbildungen kann es vorgesehen sein, das Abtriebsdrehmoment des Lamellenmotors einer Nutzung zuzuführen.
In erster bevorzugter Anwendung kann die Erfindung es dafür vorsehen, dass durch den Lamellenmotor ein Kompressor, insbesondere ein Lamellenkompressor angetrieben ist, mit dem Fluid, insbesondere Fluid aus einer Umgebung komprimierbar ist und dessen Kompressorauslass mit dem Motorauslass des Lamellenmotors verbunden ist, der gleichzeitig auch den Wandlerauslass bildet, bzw. mit diesem ebenso fluidleitend verbunden ist. Hierdurch wird erzielt, dass durch das Abtriebsdrehmoment des Lamellenmotors über den Kompressor Fluid von der Umgebung angesaugt wird und verdichtet wird und zusätzlich in den Wandlerauslass zur Verfügung gestellt wird.
Wie eingangs genannt, kann die Umgebung in Luft-Anwendungen die atmosphärische Umgebung sein und bei anderen Fluiden ein entsprechendes Fluidreservoir.
Es kann so eine Massenstromerhöhung bei gleichzeitiger Druckminderung bewirkt werden.
Bei bevorzugter Ausbildung des Kompressors als Lamellenkompressor kann es vorgesehen sein, dass der Auslass des Lamellenkompressors in Umfangrichtung in mehrere Teilauslässe unterteilt ist, die jeweils über ein in Richtung zum Wandlerauslass öffnendes Rückschlagventil mit dem Wandlerauslass verbunden sind. Die Anzahl der Teilauslässe kann der Anzahl der zwischen zwei Lamellen gebildeten Kammern im Bereich zwischen den Totpunkten des Kompressors entsprechen, wobei jeder Teilauslass in eine der Kammern mündet. So wird sichergestellt, dass der Kompressor aus jeder der Kammern in Richtung zum Wandlerauslass das Fluid herausfördert, wenn das Druckniveau in der Kammer das geregelte Druckniveau am Wandlerauslass erreicht bzw. leicht überschreitet, ohne dass das Fluid zwingend bis zum Totpunkt komprimiert wird und den erhöhten Massenstrom somit auf dem gewünschten Druckniveau erzielt.
Bei Ausbildung von Lamellenmotor und (Lamellen)-Kompressor aus getrennten Einheiten können deren Abtriebs- und Antriebswellen gekoppelt sein, insbesondere getriebefrei, d. h. 1:1. Selbstverständlich kann auch ein das Antriebsverhältnis übersetzendes Getriebe hier zum Einsatz kommen.
In alternativer Anwendung kann es auch vorgesehen sein, dass durch den Lamellenmotor ein Kompressor, insbesondere Lamellenkompressor angetrieben ist, insbesondere durch Kopplung von deren Abtriebs- und Antriebswellen, dessen Kompressoreinlass mit dem Wandlereinlass verbunden ist, mit dem Fluid vom Wandlereinlass zum Zweck der Druckerhöhung komprimierbar ist und dessen Kompressorauslass den Wandlerauslass bildet, wobei der Fluidauslass des Lamellenmotors zur Umgebung offen ist.
Durch diese Anordnung wird somit ein Teil des Druckfluids aus einer Anlage durch den erfindungsgemäß geregelten Lamellenmotor zur Umgebung hin expandiert und ein anderer Teil des Druckfluids im Druckniveau angehoben. So muss für den Kompressor, der die Druckerhöhung bewirkt, keine elektrische externe Energiequelle bereitgestellt werden, sondern es wird das Druckfluid als Energieträger eingesetzt. Der Ausgangsdruck des Kompressors ist hier dadurch geregelt, dass dieser Druck, der dem Druck am Wandlerausgang entspricht, erfindungsgemäß auf die Stellvorrichtung am Motor rückgekoppelt ist.
Auch hier kann der Auslass des Lamellenkompressors in Umfangrichtung in mehrere diskrete Teilauslässe unterteilt sein, die jeweils über ein in Richtung zum Wandlerauslass öffnendes Rückschlagventil mit dem Wandlerauslass verbunden sind. Insbesondere kann auch hier eine Anzahl von Teilauslässen vorgesehen werden, die der Anzahl der gebildeten Kammern zwischen den Totpunkten entspricht, wobei jeder der Teilauslässe in eine der Kammern mündet, wodurch auch hier der zuvor genannte Vorteil erzielt wird.
Bei dieser Ausführung kann es ebenso vorgesehen sein, dass bei Ausbildung von Lamellenmotor und (Lamellen)-Kompressor aus getrennten Einheiten deren Abtriebs- und Antriebswellen gekoppelt sind, insbesondere getriebefrei, d. h. 1:1. Selbstverständlich kann auch ein das Antriebsverhältnis übersetzendes Getriebe hier zum Einsatz kommen.
Eine weiterhin bevorzugte Ausführung der Erfindung kann es bei beiden vorgenannten Anwendungen (Druckminderung mit Massenstromerhöhung oder Druckerhöhung) vorsehen, dass der Lamellenmotor und der Lamellenkompressor in verschiedenen Rotationswinkelbereichen derselben Lamellenmaschine mit einem einzigen Lamellenrotor, bevorzugt zum Stator zentrisch gelagerten Lamellenrotor ausgebildet sind.
Eine solche Lamellenmaschine kann z. B. einen Stator aufweisen mit elliptischem Querschnitt (senkrecht zur Rotationsachse), wobei der Rotor im Mittelpunkt rotierbar gelagert ist. In einem ersten Winkelbereich von z. B. 0 bis 180 Grad kann der Motor realisiert sein und in einem zweiten Winkelbereich von z. B. 180 bis 360 Grad der Kompressor. So bewirkt die Expansion im ersten Winkelbereich automatisch die Kompression im zweiten Winkelbereich. Jeder dieser Winkelbereiche, der die eine oder andere Funktion in sich realisiert, kann sodann gemäß den vorgenannten Ausführungen zum Motor bzw. zum Kompressor ausgebildet sein.
Unabhängig davon, ob der Wandler gemäß vorgenannten Ausführungen mit separatem Lamellenmotor und Kompressor oder als gemeinsame Einheit ausgebildet ist, kann es vorgesehen sein, dass er ein Umschaltventil, insbesondere ein druckgesteuertes Umschaltventil umfasst, mit dem er zwischen der ersten Funktion der Massenstromerhöhung unter gleichzeitiger Druckreduzierung und der zweiten Funktion der Druckerhöhung umschaltbar ist.
Hierbei kann bevorzugt in beiden Funktionen der Motorauslass des Lamellenmotors über ein in Richtung zum Steuerraum öffnendes Rückschlagventil mit dem Steuerraum und dem Wandlerauslass verbunden sein und der Kompressorauslass über wenigstens ein in Richtung zum Wandlerauslass öffnendes Rückschlagventil mit dem Wandlerauslass und dem Steuerraum verbunden sein. Je nach erforderlicher Funktion kann dann eine weitere Umschaltung vorgenommen werden gemäß der in der ersten Funktion durch das Umschaltventil der Motorauslass des Lamellenmotors von der Umgebung getrennt ist sowie der Kompressoreinlass durch das Umsteuerventil mit der Umgebung verbunden ist und in der zweiten Funktion der Motorauslass des Lamellenmotors durch das Umschaltventil mit der Umgebung verbunden ist und der Kompressoreinlass durch das Umschaltventil mit dem Wandlereinlass verbunden ist.
Um den Steuerdruck für das Umschaltventil bereit zu stellen kann es vorgesehen sein, dass dieser durch Druckminderung aus dem Fluiddruck am Wandlerauslass gebildet ist.
Der gleiche Steuerdruck kann in einer bevorzugten Ausführung dem Stellglied der Stellvorrichtung mit dem Druck im Steuerraum entgegenwirkender Richtung aufgeprägt werden. Die Addition der Kraft des Steuerdrucks und einer parallel wirkenden Feder führt zum Solldruck des Wandlers und ein autark umschaltender und dem Steuerdruck folgender Wandler entsteht.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Mantelfläche der Stellvorrichtung eine zusätzliche Steuergeometrie aufweist, die bei Verlassen des Regelbereichs und nach Öffnung aller Einlasskanäle des Lamellenmotors den Wandler zumindest partiell übersteuert und einen Querschnitt freigibt, der Wandlereinlass und Wandlerauslass verbindet.
Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf eine beispielhafte Anwendung für Druckluft anhand der folgenden Figuren erläutert. Die folgende Beschreibung ist dabei auf jegliches andere Fluid übertragbar.
Die 1 zeigt einen Wandler mit der Funktion der Massenstromerhöhung. Erkennbar ist im unteren Teil der 1 ein Druckluft-Lamellenmotor 1, in welchem ein Rotor 2 im Stator 3 exzentrisch drehbar gelagert ist. Im Rotor 2 sind Lamellen 4 angeordnet, die im Expansionsraum zwischen sich Kammern 5 abtrennen.
Am Wandlereinlass 6 liegt Druckluft mit einem Eingangsdruck P_EIN an, der durch den Wandler auf den Druck P_AUS am Wandlerauslass 7 reduziert wird. Die Druckluft ist einlassseitig über eine Stellvorrichtung 8 geführt, die einen Kolben 9 umfasst, welcher aus dem Arbeitsraum 10, der mit dem Wandlereinlass verbunden ist, durch Druckluft versorgt wird und durch eine Kraft mittels der Federvorspannung durch die Feder 11 belastet ist.
Aus der Richtung eines der Feder gegenüberliegenden Steuerraumes 12 ist der Kolben mit dem Ist-Druck P_IST beaufschlagt, der über die Leitung 13 vom Wandlerauslass 7 in den Steuerraum rückgekoppelt ist. Entlang seines linearen Verschiebungsweges nimmt der Kolben eine Stellung ein in Abhängigkeit des Druckes im Steuerraum, genaugenommen in Abhängigkeit der Differenz aus Druckkraft im Steuerraum und Federkraft unter weiterer Berücksichtigung der Federvorspannung als systematische Arbeitspunktverschiebung.
Zwischen dem Arbeitsraum 10 und dem Expansionsraum 5 erstrecken sich mehrere Einlasskanäle 14, deren Mündungsöffnungen zur Seite der Steuervorrichtung 8 linear hintereinanderliegen in Richtung des Verschiebungsweges des Kolbens 9 und die zur Seites des Motors 1 in der Richtung des Umfangs der inneren Statorfläche bzw. des Expansionsraumes hintereinanderliegen.
Durch ein Verschieben des Kolbens 9 werden somit mehr oder weniger Einlasskanäle aufgrund der Kolbenüberdeckung der Mündungsöffnungen freigegeben. Mit mehr werdender Anzahl der geöffneten Einlassöffnungen 14 wird auch die Position des Einlasses in Rotationsrichtung erweitert. Es erfolgt so eine Regelung des Ausgangsdruckes am Wandlerauslass 7, der gleichzeitig auch dem Auslass des Druckluftmotors 1 entspricht.
Die durch die Lamellen abgetrennten Kammern 5a und 5b sind weiterhin über Rückschlagventile 15 mit dem Motorauslass verbunden, wobei die Rückschlagventile ihre Durchlassrichtung vom Motorauslass zu den Kammern haben. Zwischen dem Motorauslassbereich 16 und dem letzten Einlasskanal 14 befinden sich zwei vollständig durch die Lamellen abgetrennte Kammern 5a und 5b. Die Erfindung sieht hier vor alle vollständig abgekapselten Kammern 5a und 5b über ein jeweilges Rückschlagventil 15 in der genannten Weise zu verbinden. Die Kammer 5 könnte auch über ein Rückschlagventil verbunden werden, um bei sehr geringen Antriebsleistungen (Stellkolben weit gegen die Feder verschoben) die Kompressionsverhältnisse zu wahren.
Hier ist durch die Abtriebswelle 17 des Motors 1 die Antriebswelle 18 des Lamellen-Kompressors 9 angetrieben. Dieser Kompressor 9 saugt Luft aus der Umgebung 20 über seinen Einlass 21 an und verdichtet diese Luft. Auslassseitig ist der Kompressor mit mehreren Teilauslässen 22a bis 22d über zum Wandlerauslass öffnende Rückschlagventile 23 mit dem Wandlerauslass 7 verbunden. Egal in welcher der Kompressionskammern 24 zwischen je zwei Lamellen der Druck den Auslassdruck P_AUS erreicht oder überschreitet öffnet das jeweilige Rückschlagventil 23 und entlässt die komprimierte Luft in Richtung zum Wandlerauslass 7.
Durch den gezeigten Wandler wird somit sowohl der Druck der Eingangsseite auf den gewünschten Druck auf der Auslassseite gemindert als auch gleichzeitig der mögliche Massenstrom durch den Kompressor erhöht.
2 zeigt eine zu 1 funktionell identische Anordnung, bei der jedoch der Motor und der Kompressor in derselben Lamellenmaschine ausgebildet sind. Hier ist der Motor in einem elliptischen Stator zentrisch gelagert. Die pneumatische Verschaltung ist ansonsten identisch zur 1, mit dem Unterschied, dass die Anzahl der durch die Lamellen abgetrennten Kammern reduziert ist.
Gemäß 3 wird die Anordnung aus Lamellenmotor und Lamellenkompressor zu einem Wandler, der zur Druckerhöhung eingesetzt werden kann. Im Unterschied zur 1 ist hier der Auslass des Motors 16 zur Umgebung hin offen, hingegen der Einlass des Kompressor ebenso mit dem Wandlereinlass 6 verbunden, wie die Steuervorrichtung, so dass der Eingangsdruck auch am Kompressor anliegt und ausgehend von diesem die Kompression erfolgt, also der Druck gegenüber dem Eingangsdruck erhöht wird. Der Kompressorauslass 22 bildet den Wandlerauslass 7, der durch die Rückkoppelleitung 13 auf den Steuerraum 12 der Steuervorrichtung geführt ist. Hierdurch wird der Motor in Abhängigkeit des Ausgangsdruckes des Kompressors geregelt, um den gewünschten Ausgangsdruck zu erzielen.
4 zeigt eine Ausführung, die wiederum funktionell identisch ist zur 3 mit dem Unterschied, dass auch hier, wie bei 2, Motor und Kompressor in derselben Lamellenmaschine realisiert sind und lediglich die Anzahl der jeweiligen Kammern zwischen den Lamellen reduziert sind. Alle sonstigen Merkmale zur 3 sind auch hier zutreffend.
5 zeigt schließlich eine Ausführung mit kombinierter Lamellenmaschine, wie sie zu 2 und 4 beschrieben wurde, die ebenso mit separatem Motor und Kompressor realisierbar ist, bei der zwischen den Funktionen der Druckminderung unter Massenstromerhöhung (1 und 2) und der Druckerhöhung (3 und 4) umgeschaltet werden kann durch das Umschaltventil 25.
In der ersten Funktion der Druckminderung, die durch die gezeigte Ventilstellung realisiert ist, wird der Motorauslass 16 durch das Umschaltventil 25 verschlossen und über das in Richtung zum Steuerraum 12 öffnende Rückschlagventil 26 auf die Stellvorrichtung zur Druckregelung rückgekoppelt und somit zum Wandlerauslass 7 freigegeben.
Der Kompressoreinlaß 21 ist über das Umsteuerventil 25 mit der Umgebung verbunden und saugt aus dieser Luft an, die verdichtet über den Kompressorauslass 22 am Wandlerauslass anliegt, der ebenso auf den Steuerraum 12 über die Rückkopplungsleitung aufgeschaltet ist. Motorauslass und Kompressorauslass führen im Wesentlichen oder exakt dasselbe Druckniveau.
In der umgeschalteten Position des Ventils 25 hingegen wird der Motorauslass zur Umgebung hin geöffnet und der Kompressoreingang 21 auf den Wandlereinlass geschaltet, so dass dieser die zuvor beschriebene (3 und 4) Nachverdichtung vornimmt. Dadurch, dass der Kompressorauslass ein höheres Druckniveau führt als der Motorauslass ist das Rückschlagventil 26 geschlossen und die Regelung des Motors über die Steuervorrichtung 8 erfolgt in Abhängigkeit des Wandlerauslasses, der dem Kompressorauslass entspricht.
Das Ventil 25 kann durch einen Steuerdruck P_STEUER zwischen den beiden gezeigten Stellungen umgeschaltet werden, wobei dieser Steuerdruck durch Druckminderung aus dem Auslassdruck des Wandlers generiert sein kann.
Wird wie dargestellt dieser Steuerdruck P_STEUER ebenfalls zur Belastung der Stellvorrichtung 8 parallel zur Federkraft benutzt, kann ein automatisiertes Umschalten zwischen den beiden zuvor beschriebenen Betriebsmodi erfolgen.

Claims

Druckwandler, insbesondere pneumatischer Druckwandler mit wenigstens einem Wandlereinlass (6) und wenigstens einem Wandlerauslass (7), mit dem der an dem Wandlereinlass (6) anstehende Fluiddruck auf einen an dem Wandlerauslass (7) gewünschten Fluiddruck änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Lamellenmotor (1) umfasst, dessen Motoreinlass mehrere diskrete Einlasskanäle (14) aufweist und er eine Stellvorrichtung (8) umfasst, mittels der in Abhängigkeit vom Fluiddruck am Wandlerauslass (7) die Anzahl der genutzten Einlasskanäle (14) einstellbar ist.
Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (8) ein Stellglied (9) umfasst, dessen Position in der Stellvorrichtung (8) abhängig ist vom Fluiddruck am Wandlerauslass (7) und mit dem positionsabhängig die mehreren Einlasskanäle (14) sukzessive öffenbar und schließbar sind.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die motorseitigen Mündungsöffnungen der mehreren Einlasskanäle (14) in Umfangsrichtung hintereinanderliegend in das Statorgehäuse des Lamellenmotors (1) münden.
Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die motorseitigen Mündungsöffnungen eines Lamellenmotors (1) mit n Lamellen (4) in einem Bereich von 1/n·100% bis (n – 1)/n·100% der äußeren Umfangsstrecke des Raumes, insbesondere des Expansionsraumes zwischen einlassseitigem Totpunkt und auslassseitigem Totpunkt des Lamellenmotors (1) angeordnet sind.
Druckwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stellvorrichtungsseitigen Mündungsöffnungen der Einlasskanäle (14) linear hintereinanderliegend in einen Arbeitsraum (10) der Stellvorrichtung (8) münden, der mit dem Wandlereinlass (6) verbunden ist.
Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (8) einen linear verschieblichen Kolben (9) aufweist, dessen erste Kolbenfläche über einen Steuerraum (12) druckbeaufschlagt ist, der mit dem Wandlerauslass (7) verbunden ist und dessen zweite Seite mit einer Kraft, insbesondere einer vom Sollwert des Ausgangsdrucks und von der Kolbenposition abhängigen Kraft druckbeaufschlagt ist, insbesondere so, dass die Position des Kolbens (9) von der Differenz der Kräfte und somit von der Regelabweichung abhängig ist, wobei die stellvorrichtungsseitigen Mündungsöffnungen der Einlasskanäle (14) durch eine sich zwischen den Kolbenflächen erstreckende Kolbenmantelfäche positionsabhängig sukzessive verschließbar und freigebbar sind.
Druckwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (9) aus der Richtung des Arbeitsraumes (10) bzw. in Richtung zum Steuerraum (12) mit einer bevorzugt einstellbaren Federkraft beaufschlagt ist.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Rotationsrichtung des Lamellenmotors (1) zwischen dem einlassseitigen Totpunkt und dem auslassseitigen Totpunkt wenigstens ein Kanal in den Raum, insbesondere Expansionsraum zwischen Stator und Rotor mündet, der über ein Rückschlagventil (15) mit dem Motorauslass (16) des Lamellenmotors fluidleiten verbunden ist und das nur in der Richtung vom Motorauslass (16) zum Raum, insbesondere Expansionsraum durchgängig ist.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorauslass (16) des Lamellenmotors (1) und der Wandlerauslass (7) identisch oder miteinander fluidleitend verbunden sind.
Druckwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Lamellenmotor (1) ein Kompressor, insbesondere ein Lamellenkompressor angetrieben ist, insbesondere durch Kopplung von deren Abtriebs- und Antriebswellen (17, 18), mit dem Fluid, insbesondere Umgebungsluft komprimierbar ist und dessen Kompressorauslass (22) mit dem Motorauslass des Lamellenmotors und/oder Wandlerauslass (7) verbunden ist.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Lamellenmotor (1) ein Kompressor, insbesondere Lamellenkompressor angetrieben ist, insbesondere durch Kopplung von deren Abtriebs- und Antriebswellen (17, 18), dessen Kompressoreinlass (21) mit dem Wandlereinlass (6) verbunden ist und mit dem Fluid vom Wandlereinlass (6) zum Zweck der Druckerhöhung komprimierbar ist und dessen Kompressorauslass (22) den Wandlerauslass (7) bildet, wobei der Motorauslass (16) des Lamellenmotors (1) zur Umgebung offen ist.
Druckwandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressorauslass (21) des Lamellenkompressors in Umfangrichtung in mehrere Teilauslässe (22a, 22b, 22c, 22d) unterteilt ist, die jeweils über ein in Richtung zum Wandlerauslass (7) öffnendes Rückschlagventil (23) mit dem Wandlerauslass (7) verbunden sind.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenmotor (1) und der Lamellenkompressor in verschiedenen Rotationswinkelbereichen derselben Lamellenmaschine mit einem einzigen Lamellenrotor, insbesondere zum Stator zentrisch gelagerten Lamellenrotor ausgebildet sind.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Umschaltventil (25), insbesondere ein druckgesteuertes Umschaltventil (25) umfasst, mit dem er zwischen der ersten Funktion der Massenstromerhöhung unter gleichzeitiger Druckreduzierung und der zweiten Funktion der Druckerhöhung umschaltbar ist.
Druckwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Funktionen der Motorauslass (16) des Lamellenmotors (1) über ein in Richtung zum Steuerraum (12) öffnendes Rückschlagventil (26) mit dem Steuerraum (12) und dem Wandlerauslass (7) verbunden ist und der Kompressorauslass (22) über wenigstens ein in Richtung zum Wandlerauslass (7) öffnendes Rückschlagventil (23) mit dem Wandlerauslass (7) und dem Steuerraum (12) verbunden ist, sowie a. in der ersten Funktion durch das Umschaltventil (25) der Motorauslass (16) des Lamellenmotors (1) von der Umgebung getrennt ist sowie der Kompressoreinlass (21) durch das Umschaltventil (25) mit der Umgebung verbunden ist und b. in der zweiten Funktion der Motorauslass (16) des Lamellenmotors (1) durch das Umschaltventil (25) mit der Umgebung verbunden ist und der Kompressoreinlass (21) durch das Umschaltventil (25) mit dem Wandlereinlass (6) verbunden ist.
Druckwandler nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruck für das Umschaltventil (25) durch Druckminderung aus dem Fluiddruck am Wandlerauslass (7) gebildet ist.
Druckwandler nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruck für das Umschaltventil (25) ebenfalls parallel zur Federkraft auf die zweite Seite des Kolbens (9) der Stellvorrichtung (8), insbesondere in Richtung zum Steuerraum (12), einwirkt.
Verfahren zur Druckwandlung mit einem Druckwandler, bei dem der Eingangsdruck eines Fluids an dessen Wandlereinlass (6) in einen Ausgangsdruck des Fluids an dessen Wandlerauslass (7) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der genutzten Einlasskanäle (14) aus einer Vielzahl diskreter Einlasskanäle, über welche das Druckfluid in den Expansionsraum eines Lamellenmotors (1) geführt ist, eingestellt wird in Abhängigkeit von dem am Wandlerauslass (7) vorliegenden Fluiddruck.