DE102015213373A1

DE102015213373A1 - Pressure sensor and expansion machine

Info

Publication number: DE102015213373A1
Application number: DE102015213373.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brunner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Es wird ein Drucksensor (10) vorgeschlagen, der zur Druckmessung in einem Hochtemperaturbereich einer Expansionsmaschine (2) dient. Der Drucksensor (10) umfasst ein Gehäuse (10a) und ein im Gehäuse (10a) geführtes Stellglied (11a), das abhängig von einer Druckbeaufschlagung (p2) seine Lage ändert. Ferner sind Mittel (11b, 16) zur Lagerückmeldung vorgesehen, die abhängig von der Lageänderung des Stellgliedes (11a) ein Lagerückmeldungssignal (L) erzeugen. Das Stellglied (11a) trennt einen ersten Druckbereich (12) im Gehäuse (10a) von einem zweiten Druckbereich (13) im Gehäuse (10a), wobei der Druck im ersten Druckbereich (12) durch die Druckbeaufschlagung (p2) gebildet ist und der Druck im zweiten Druckbereich (13) auf ein Referenzdruckniveau (p3) eingestellt ist. Es wird ferner eine Expansionsmaschine (2), insbesondere eine Turbine, eine Axialkolbenmaschine oder ein Scrollexpander, vorgeschlagen, die eine Druckmessung im Hochtemperaturbereich ermöglicht. Die Expansionsmaschine (2) umfasst dazu einen erfindungsgemäßen Drucksensor (10). Ein Eingang (50) der Expansionsmaschine (2) ist mit dem ersten Druckbereich (12) des Drucksensors (10) verbunden.A pressure sensor (10) is proposed which is used for pressure measurement in a high-temperature region of an expansion engine (2). The pressure sensor (10) comprises a housing (10a) and an actuator (11a) guided in the housing (10a), which changes its position as a function of a pressurization (p2). Furthermore, means (11b, 16) are provided for bearing feedback, which generate a bearing feedback signal (L) depending on the change in position of the actuator (11a). The actuator (11a) separates a first pressure area (12) in the housing (10a) from a second pressure area (13) in the housing (10a), the pressure in the first pressure area (12) being formed by the pressurization (p2) and the pressure in the second pressure range (13) is set to a reference pressure level (p3). It is also an expansion machine (2), in particular a turbine, an axial piston machine or a Scrollexpander proposed, which allows a pressure measurement in the high temperature range. For this purpose, the expansion machine (2) comprises a pressure sensor (10) according to the invention. An input (50) of the expansion machine (2) is connected to the first pressure region (12) of the pressure sensor (10).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht von einem Drucksensor und einer Expansionsmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.The invention is based on a pressure sensor and an expansion machine according to the preamble of the independent claims.

Aus der EP 1 760 378 B1 ist eine integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit bekannt. Der Druckwandler umfasst einen mit einem Stellglied gekoppelten Dauermagneten, der mit einer weiteren Spule zusammenwirkt, die ein der Stellposition des Stellgliedes entsprechendes Lagesignal erzeugt. Die Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit umfasst somit eine Lagerückmeldung, über die der jeweilige Schaltzustand des Druckwandlers mit integriertem Unterdrucksteller jeweils an ein Motorsteuergerät, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine, zurückgemeldet werden kann. Das Stellglied bewegt sich abhängig von einem in einem Rohrabschnitt herrschenden Druck.From the EP 1 760 378 B1 An integrated pressure transducer vacuum actuator is known. The pressure transducer comprises a permanent magnet coupled to an actuator, which cooperates with a further coil which generates a position signal corresponding to the setting position of the actuator. The pressure transducer vacuum control unit thus includes a bearing feedback, via which the respective switching state of the pressure transducer with integrated vacuum regulator can be reported back to an engine control unit, such as an internal combustion engine. The actuator moves depending on a pressure prevailing in a pipe section.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Drucksensor mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse geführten Stellglied versehen ist, das abhängig von einer Druckbeaufschlagung seine Lage ändert, dass Mittel zur Lagerückmeldung vorgesehen sind, die abhängig von der Lageänderung des Stellgliedes ein Lagerückmeldungssignal erzeugen, und dass das Stellglied einen ersten Druckbereich im Gehäuse von einem zweiten Druckbereich im Gehäuse trennt, wobei der Druck im ersten Druckbereich durch die Druckbeaufschlagung gebildet ist und der Druck im zweiten Druckbereich auf ein Referenzdruckniveau eingestellt ist. Auf diese Weise lassen sich druck- und/oder temperaturempfindliche Sensorbestandteile im zweiten Druckbereich anordnen, der von der Druckbeaufschlagung und gegebenenfalls damit verbundener vergleichsweise hoher Temperatur frei ist. Somit wird die Druck- und/oder Temperaturbelastung dieser Sensorbestandteile reduziert bzw. können an die Druck- und/oder Temperaturfestigkeit dieser Sensorbestandteile geringere Anforderungen gestellt werden.The pressure sensor according to the invention with the features of the main claim has the advantage that the pressure sensor is provided with a housing and an actuator guided in the housing, which changes its position depending on a pressurization that means are provided for bearing feedback, depending on the change in position of Actuator generate a bearing feedback signal, and in that the actuator separates a first pressure range in the housing from a second pressure range in the housing, wherein the pressure in the first pressure range is formed by the pressurization and the pressure in the second pressure range is set to a reference pressure level. In this way, pressure-sensitive and / or temperature-sensitive sensor components can be arranged in the second pressure range, which is free from the pressurization and, if appropriate, associated relatively high temperature. Thus, the pressure and / or temperature stress of these sensor components is reduced or can be made lower demands on the pressure and / or temperature resistance of these sensor components.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale werden vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung ermöglicht.The features listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the invention are made possible.

Vorteilhaft ist es, wenn das Stellglied in einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Führung des Gehäuses angeordnet ist und zu der Führung einen Leckagespalt bildet, der den ersten Druckbereich gegen den zweiten Druckbereich abdichtet. Auf diese Weise wird die Trennung der beiden Druckbereiche effizient und mit geringem Aufwand, insbesondere an Teilen, ermöglicht. It is advantageous if the actuator is arranged in a, preferably cylindrical, guide of the housing and forms a leakage gap with the guide, which seals the first pressure region against the second pressure region. In this way, the separation of the two pressure ranges is possible efficiently and with little effort, especially on parts.

Vorteilhaft ist es, wenn das Stellglied, vorzugsweise über einen Kolben, mit einem Sensorelement gekoppelt ist und die Mittel zur Lagerückmeldung abhängig von der Lageänderung des Sensorelementes das Lagerückmeldungssignal erzeugen. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied in einfacher Weise mit dem für die Druckmessung erforderlichen Sensorelement verbinden. Das Sensorelement kann dabei im zweiten Druckbereich druck- und temperaturgeschützt angeordnet sein. It is advantageous if the actuator, preferably via a piston, is coupled to a sensor element and the means for bearing feedback depending on the change in position of the sensor element generate the bearing feedback signal. In this way, the actuator can be connected in a simple manner with the sensor element required for the pressure measurement. The sensor element can be arranged pressure and temperature protected in the second pressure range.

Vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zur Lagerückmeldung die Lageänderung induktiv, kapazitiv, piezoelektrisch oder mittels Dehnungsmessstreifen erfassen. Auf diese Weise lässt sich die Druckbeaufschlagung besonders einfach in eine Lagerückmeldung umwandeln und daraus der zugrundeliegende Druck im ersten Druckbereich ermitteln.It is advantageous if the means for bearing feedback detect the change in position inductively, capacitively, piezoelectrically or by means of strain gauges. In this way, the pressurization can be particularly easy to convert into a bearing feedback and determine the underlying pressure in the first pressure range.

Vorteilhaft ist es, wenn zwischen einer dem ersten Druckbereich abgewandten Seite des Stellgliedes und einer Wand des Gehäuses eine, vorzugsweise progressive, Feder angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine Rückstellkraft für das über den ersten Druckraum druckbeaufschlagte Stellglied geschaffen, die eine definierte Bewegung des Stellglieds abhängig von der Druckbeaufschlagung und über die Federkennlinie eine Umrechnung der Lageänderung des Sensorelementes in den der Druckbeaufschlagung zugrundeliegenden Druck ermöglicht. Im Falle der Verwendung einer progressiven Feder mit progressiver Federkennlinie, lassen sich unterschiedliche Auflösungen für verschiedene Druckbereiche realisieren, insbesondere eine größere Auflösung in einem interessierenden Druckbereich.It is advantageous if a, preferably progressive, spring is disposed between a side of the actuator facing away from the first pressure region and a wall of the housing. In this way, a restoring force is created for the pressurized via the first pressure chamber actuator, which allows a defined movement of the actuator depending on the pressurization and the spring characteristic of a conversion of the change in position of the sensor element in the pressurization underlying pressure. In the case of using a progressive spring with progressive spring characteristic, different resolutions can be realized for different pressure ranges, in particular a larger resolution in a pressure range of interest.

Vorteilhaft ist es, wenn die Feder zwischen dem Sensorelement und der Wand des Gehäuses angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich die Feder besonders einfach im Gehäuse lagern.It is advantageous if the spring is arranged between the sensor element and the wall of the housing. In this way, the spring can be very easily stored in the housing.

Vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement als Magnetanker ausgebildet ist, wenn eine Spule im Gehäuse angeordnet ist und wenn das Sensorelement im Bereich der Spule angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich zum einen in einfacher Weise eine induktive Druckmessung realisieren. Zum andern lässt sich über eine entsprechende Bestromung der Spule das Sensorelement und über das Sensorelement das Stellglied ansteuern und als Aktor betätigen. Somit wird die Funktionalität des Drucksensors erhöht.It is advantageous if the sensor element is designed as a magnet armature, if a coil is arranged in the housing and if the sensor element is arranged in the region of the coil. In this way, on the one hand, an inductive pressure measurement can be realized in a simple manner. On the other hand, the sensor element can be actuated via a corresponding energization of the coil and the actuator via the sensor element and actuated as an actuator. Thus, the functionality of the pressure sensor is increased.

Vorteilhaft ist es, wenn Führung im Bereich des Stellglieds eine Durchmessererweiterung, insbesondere in Form mindestens einer Nut, aufweist und wenn der durch die Durchmessererweiterung zwischen dem Stellglied und der Führung gebildete Erweiterungsraum, vorzugsweise immer, mit dem zweiten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise ist über die Durchmessererweiterung ein Bypasskanal zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich vorbereitet. Vorteilhaft ist es, wenn Mittel zur Bestromung der Spule vorgesehen sind, wenn das Sensorelement im Magnetfeld der Spule angeordnet ist und das Stellglied abhängig von der Bestromung unterschiedliche Positionen in der Führung einnimmt. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied besonders einfach und definiert als Aktor betreiben.It is advantageous if the guide in the region of the actuator has a diameter enlargement, in particular in the form of at least one groove, and when the expansion space formed by the diameter extension between the actuator and the guide, preferably always, is connected to the second pressure range. In this way, a bypass channel between the first pressure range and the second pressure range is prepared via the diameter extension. It is advantageous if means for energizing the coil are provided when the sensor element is arranged in the magnetic field of the coil and the actuator occupies different positions in the guide depending on the current supply. In this way, the actuator can be particularly simple and defined operate as an actuator.

Vorteilhaft ist es, wenn in mindestens einer, jedoch nicht in jeder, vorzugsweise nur in einer, durch die Bestromung einstellbaren Position des Stellgliedes der Erweiterungsraum mit dem ersten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich ein Bypasskanal schalten.It is advantageous if in at least one, but not in each, preferably only in one, adjustable by the energization position of the actuator, the expansion chamber is connected to the first pressure range. In this way, a bypass channel can be switched between the first pressure range and the second pressure range.

Vorteilhaft ist es, wenn im zweiten Druckbereich ein Auslass vorgesehen ist. Dies ermöglicht den Anschluss des Drucksensors als Bypass beispielsweise an einer Expansionsmaschine.It is advantageous if an outlet is provided in the second pressure range. This allows the connection of the pressure sensor as a bypass, for example on an expansion machine.

Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass sie einen Expander, insbesondere eine Turbine, eine Axialkolbenmaschine oder einen Scrollexpander, umfasst und dass ein erfindungsgemäßer Drucksensor vorgesehen ist, wobei ein Eingang des Expanders mit dem ersten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Drucksensors der Druck am Eingang der Expansionsmaschine mit hoher Präzision messen, ohne dass druck- und/oder temperaturempfindliche Sensorbestandteile im zweiten Druckbereich von der Druckbeaufschlagung und gegebenenfalls damit verbundener vergleichsweise hoher Temperatur am Eingang der Expansionsmaschine im ersten Druckbereich belastet werden.The expansion machine according to the invention with the features of the second independent claim has the advantage that it comprises an expander, in particular a turbine, an axial piston machine or a Scrollexpander, and that a pressure sensor according to the invention is provided, wherein an input of the expander is connected to the first pressure range. In this way, the pressure at the input of the expansion machine can be measured with high precision by means of the pressure sensor according to the invention, without pressure and / or temperature-sensitive sensor components in the second pressure range of the pressurization and possibly associated relatively high temperature at the input of the expansion machine in the first pressure range charged become.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine gemäß abhängigem Anspruch ergibt sich der Vorteil, dass ein Ausgang des Expanders mit dem zweiten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise kann der Drucksensor als Bypass zum Expander der Expansionsmaschine genutzt werden.In a development of the expansion machine according to the invention according to the dependent claim there is the advantage that an output of the expander is connected to the second pressure range. In this way, the pressure sensor can be used as a bypass to the expander of the expansion machine.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Wärmerückgewinnungssystems, 1 a block diagram of a heat recovery system,

2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor in einem ersten Betriebszustand und 2 a sectional view through a pressure sensor according to the invention in a first operating state and

3 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor in einem zweiten Betriebszustand. 3 a sectional view through a pressure sensor according to the invention in a second operating state.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 1 kennzeichnet 2 eine Expansionsmaschine, die beispielhaft in einem Wärmerückgewinnungskreis 1 beispielsweise einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Expansionsmaschine 2 umfasst einen Expander 60, der beispielsweise als Turbine, als Axialkolbenmaschine oder als Scroll- oder Schraubenexpander ausgebildet ist, und einen Drucksensor 10. Der Expander 60 umfasst einen Eingang 50. Der Eingang 50 ist mit einem Einlass 20 des Drucksensors 10 verbunden und bildet gleichzeitig einen Eingang der Expansionsmaschine 2. Ein optional vorgesehener Auslass 21 des Drucksensors 10 ist mit einem Ausgang 55 des Expanders 60 verbunden. Der Ausgang 55 des Expanders 60 stellt somit gleichzeitig einen Ausgang der Expansionsmaschine 2 dar.In 1 features 2 an expansion machine, exemplary in a heat recovery circuit 1 for example, an internal combustion engine is arranged. The expansion machine 2 includes an expander 60 , which is designed, for example, as a turbine, as an axial piston machine or as a scroll or screw expander, and a pressure sensor 10 , The expander 60 includes an entrance 50 , The entrance 50 is with an inlet 20 of the pressure sensor 10 connected and forms at the same time an entrance of the expansion machine 2 , An optional outlet 21 of the pressure sensor 10 is with an exit 55 of the expander 60 connected. The exit 55 of the expander 60 thus simultaneously provides an output of the expansion machine 2 represents.

Die Expansionsmaschine 2 ist an ihrem Ausgang mit einem Kondensator 3 verbunden. Das kondensierte Fluid, beispielsweise Wasser oder Ethanol, des Wärmerückgewinnungskreises wird vom Kondensator 3 einem Tank 4 zugeführt. Ausgangsseitig des Tanks 4 ist eine Speisepumpe 5 vorgesehen, die das Fluid aus dem Tank 4 zu einem ausgangsseitig der Speisepumpe 5 angeordneten Verdampfer 6 pumpt. Der Verdampfer 6 ist als Wärmetauscher beispielsweise mit einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine gekoppelt, so dass heißes Abgas des Abgasstrangs zu einem Verdampfen des Fluids im Verdampfer 6 führt. Ausgangsseitig ist der Verdampfer 6 mit dem Eingang 50 der Expansionsmaschine 2 verbunden. Somit expandiert der Expander 60 der Expansionsmaschine 2 das dampfförmige Fluid und wandelt die aus dem Abgas erzeugte Wärmeenergie in mechanische und/oder elektrische Energie um.The expansion machine 2 is at its output with a capacitor 3 connected. The condensed fluid, such as water or ethanol, of the heat recovery circuit is from the condenser 3 a tank 4 fed. Output side of the tank 4 is a feed pump 5 provided the fluid from the tank 4 to an output side of the feed pump 5 arranged evaporator 6 inflated. The evaporator 6 is coupled as a heat exchanger, for example, with an exhaust line of the internal combustion engine, so that hot exhaust gas of the exhaust line to a vaporization of the fluid in the evaporator 6 leads. On the output side is the evaporator 6 with the entrance 50 the expansion machine 2 connected. Thus, the expander expands 60 the expansion machine 2 the vaporous fluid and converts the heat energy generated from the exhaust gas into mechanical and / or electrical energy.

2 zeigt den Aufbau des Drucksensors 10 schematisch in einer Schnittdarstellung. Der Drucksensor 10 umfasst ein Gehäuse 10a. Das Gehäuse 10a weist eine vorzugsweise zylinderförmige Führung 25 auf, in der ein Stellglied 11a in Form eines Schiebers geführt angeordnet ist. Das Stellglied 11a trennt einen ersten Druckbereich 12 im Gehäuse 10a von einem zweiten Druckbereich 13 im Gehäuse 10a. Der erste Druckbereich 12 ist mit dem Einlass 20 des Drucksensors 10 verbunden und daher mit einem ersten Druck p2 des Fluides am Eingang 50 des Expanders 60 beaufschlagt. Ein zweiter Druck p3 im zweiten Druckbereich 13 ist auf ein Referenzdruckniveau eingestellt und entspricht beispielsweise in etwa dem Umgebungsdruck des Wärmerückgewinnungskreises 1. Der erste Druck p2 liegt dabei über dem zweiten Druck p3, in der Regel sogar deutlich, d.h. um mehrere Größenordnungen, höher. Das Stellglied 11a bildet zu der Führung 25 einen Leckagespalt 14, der den ersten Druckbereich 12 gegen den zweiten Druckbereich 13 abdichtet. 2 shows the structure of the pressure sensor 10 schematically in a sectional view. The pressure sensor 10 includes a housing 10a , The housing 10a has a preferably cylindrical guide 25 on, in which an actuator 11a arranged in the form of a slider is arranged. The actuator 11a separates a first print area 12 in the case 10a from a second pressure area 13 in the case 10a , The first printing area 12 is with the inlet 20 of the pressure sensor 10 connected and therefore with a first pressure p2 of the fluid at the entrance 50 of expanders 60 applied. A second pressure p3 in the second pressure range 13 is set to a reference pressure level and corresponds for example approximately to the ambient pressure of the heat recovery circuit 1 , The first pressure p2 is above the second pressure p3, usually even significantly, ie by several orders of magnitude, higher. The actuator 11a forms to the leadership 25 a leakage gap 14 that the first pressure area 12 against the second pressure range 13 seals.

Das Stellglied 11a ist im zweiten Druckbereich 13 über einen Kolben 11c mit einem Sensorelement 11b gekoppelt. Zwischen einer einen Innenraum bzw. die zylinderförmige Führung 25 des Gehäuses 10a auf der dem ersten Druckbereich 12 abgewandten Seite des Stellgliedes 11a abschließenden Wand 35 des Gehäuses 10a und dem Stellglied 11a ist im zweiten Druckbereich 13 eine, vorzugsweise progressive, Feder 15 angeordnet. Die Feder 15 ist dabei im Beispiel nach 2 zwischen dem Sensorelement 11b und der Wand 35 des Gehäuses 10a angeordnet. Im Falle eines ersten Druckes p2 größer dem zweiten Druck p3 wird das Stellglied 11a über den Kolben 11c und das Sensorelement 11b gegen die Feder 15 gedrückt, so dass die Feder 15 in diesem Fall eine Rückstellkraft gegen das Sensorelement 11b und damit über den Kolben 11c gegen das Stellglied 11a bzw. gegen den ersten Druckbereich 12 und damit gegen den ersten Druck p2 ausübt. Im Gehäuse 10a ist das Sensorelement 11b, vorzugsweise radial, umgebend, jedoch etwas versetzt, eine Spule 16 angeordnet. Dabei ist die Spule 16 im Gehäuse 10a in Höhe des Sensorelementes 11b derart angeordnet, dass sich das Sensorelement 11b bei Anlage gegen die Feder 15 vorzugsweise immer im Bereich der Spule 16 befindet. Dabei ist das Sensorelement 11b als Magnetanker ausgebildet. Der oben genannte Bereich der Spule 16 ist dabei der Bereich, in dem eine Bewegung des Sensorelementes 11b eine Spannung oder einen Strom induzieren kann. Die Spule 16 ist an eine Auswerteeinheit 30 angeschlossen, die getrennt vom Drucksensor 10 oder als integraler Bestandteil des Drucksensors 10 ausgebildet sein kann. Die Spule 16 kann beispielsweise einen Magnetkern umfassen.The actuator 11a is in the second pressure range 13 over a piston 11c with a sensor element 11b coupled. Between an interior or the cylindrical guide 25 of the housing 10a on the first print area 12 opposite side of the actuator 11a final wall 35 of the housing 10a and the actuator 11a is in the second pressure range 13 a, preferably progressive, spring 15 arranged. The feather 15 is in the example after 2 between the sensor element 11b and the wall 35 of the housing 10a arranged. In the case of a first pressure p2 greater than the second pressure p3, the actuator 11a over the piston 11c and the sensor element 11b against the spring 15 pressed so that the spring 15 in this case, a restoring force against the sensor element 11b and thus over the piston 11c against the actuator 11a or against the first pressure range 12 and thus exerts p2 against the first pressure. In the case 10a is the sensor element 11b , preferably radially, surrounding, but slightly offset, a coil 16 arranged. Here is the coil 16 in the case 10a in height of the sensor element 11b arranged such that the sensor element 11b at plant against the spring 15 preferably always in the area of the coil 16 located. Here is the sensor element 11b designed as a magnetic armature. The above range of coil 16 is the area in which a movement of the sensor element 11b can induce a voltage or a current. The sink 16 is to an evaluation unit 30 connected separately from the pressure sensor 10 or as an integral part of the pressure sensor 10 can be trained. The sink 16 may for example comprise a magnetic core.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Drucksensors 10 ist dabei wie folgt:
Sobald aufgrund einer Änderung des ersten Druckes p2 gegenüber dem zweiten Druck p3 das Stellglied 11a bewegt wird, bewegt sich auch in gleicher Weise das magnetische Sensorelement 11b im Bereich der Spule 16 und induziert auf diese Weise eine Spannung L an der Spule 16, die von der Auswerteeinheit 30 erfasst wird. Alternativ kann auch der induzierte Strom erfasst werden. In der Auswerteeinheit 30 ist dabei die Kennlinie der Feder 15 bekannt, so dass der induzierten Spannung L in der Auswerteeinheit 30 eine Auslenkung bzw. Lageänderung des Sensorelementes 11b nach Betrag und Richtung und über die ebenfalls in der Auswerteeinheit 30 bekannte Querschnittsfläche des Stellglieds 11a somit eine Änderung des ersten Druckes p2 nach Betrag und Vorzeichen gegenüber dem Referenzdruckniveau p3 zugeordnet werden kann. Durch eine geeignete Kalibrierung kann dabei einer definierten Position des Sensorelementes 11b initial ein anderweitig gemessener zugeordneter Druckwert des ersten Druckes p2 zugeordnet werden, so dass aufgrund der in der Auswerteeinheit 30 bekannten Kennlinie der Feder 15 und der dort ebenfalls bekannten Querschnitts- bzw. Druckbeaufschlagungsfläche des Stellgliedes 11a jeder Position oder Lage des Sensorelementes 11b und damit des Stellgliedes 11a der zugeordnete Druckwert des ersten Druckes p2 zugeordnet werden kann.The operation of the pressure sensor according to the invention 10 is as follows:
As soon as due to a change of the first pressure p2 against the second pressure p3, the actuator 11a is moved, also moves in the same way, the magnetic sensor element 11b in the area of the coil 16 and thus induces a voltage L on the coil 16 by the evaluation unit 30 is detected. Alternatively, the induced current can also be detected. In the evaluation unit 30 is the characteristic of the spring 15 known, so that the induced voltage L in the evaluation unit 30 a deflection or change in position of the sensor element 11b according to amount and direction and also in the evaluation unit 30 known cross-sectional area of the actuator 11a Thus, a change of the first pressure p2 by magnitude and sign relative to the reference pressure level p3 can be assigned. By a suitable calibration can be a defined position of the sensor element 11b initially associated with an otherwise assigned associated pressure value of the first pressure p2, so that due to the in the evaluation 30 known characteristic of the spring 15 and there also known cross-sectional or pressurizing surface of the actuator 11a every position or position of the sensor element 11b and thus the actuator 11a the assigned pressure value of the first pressure p2 can be assigned.

Im ersten Druckbereich 12 steht das Fluid bzw. Arbeitsmedium unter demselben Druck und derselben Temperatur wie am Eingang 50 des Expanders 60 der Expansionsmaschine 2. Auf diese Weise lässt sich der Druck des Fluides oder Arbeitsmediums des Wärmerückgewinnungskreises 1 am Eingang 50 des Expanders 60 mittels des Drucksensors 10 bestimmen. Das Sensorelement 11b und die Spule 16 bilden somit Mittel zur Lagerückmeldung, die abhängig von der Lageänderung des Stellgliedes 11a die induzierte Spannung L als ein Lagerückmeldungssignal erzeugen.In the first printing area 12 the fluid or working fluid is under the same pressure and the same temperature as at the entrance 50 of the expander 60 the expansion machine 2 , In this way, the pressure of the fluid or working fluid of the heat recovery circuit can be 1 at the entrance 50 of the expander 60 by means of the pressure sensor 10 determine. The sensor element 11b and the coil 16 thus form means for bearing feedback, which depends on the change in position of the actuator 11a generate the induced voltage L as a bearing feedback signal.

Zur Druckmessung wird der Drucksensor 10 wie beschrieben in einem ersten Betriebszustand betrieben.For pressure measurement, the pressure sensor 10 operated as described in a first operating condition.

Der Vorteil dieser Druckmessung besteht darin, dass der Bereich der Sensorik, also des Sensorelementes 11b und der Spule 16 sowie der Feder 15 vom ersten Druckbereich 12 getrennt ist, so dass die Sensorik weder vom ersten Druck p2 noch von der im ersten Druckbereich 12 herrschenden Temperatur von etwa 400°C beaufschlagt wird. Somit muss die Sensorik nicht für die entsprechenden Drücke und Temperaturen im ersten Druckbereich 12 ausgelegt werden und kann daher weniger aufwändig und kostengünstiger ausgestaltet werden. Nur das Stellglied 11a wird an seiner dem zweiten Druckbereich 13 abgewandten Seite, also nur im ersten Druckbereich 12, vom ersten Druck p2 und der im ersten Druckbereich herrschenden Temperatur beaufschlagt. Im zweiten Druckbereich 13, in dem sich der Kolben 11c, das Sensorelement 11b und die Feder 15 befinden und dem die Spule 16 zugeordnet ist, entspricht der zweite Druck p3 als Referenzdruckniveau in etwa dem Atmosphärendruck in der Größenordnung von 1 bar bzw. dem Druck im nachfolgenden Kondensator 3 und die Temperaturen sind deutlich niedriger als im ersten Druckbereich 12. Insbesondere die Anordnung der Spule 16 in einem im Vergleich zum ersten Druckbereich 12 relativ kühlen Bereich hat nur geringe Temperaturbelastungen zur Folge.The advantage of this pressure measurement is that the area of the sensor system, ie the sensor element 11b and the coil 16 as well as the spring 15 from the first printing area 12 is disconnected, so that the sensors neither from the first pressure p2 nor from the first pressure range 12 prevailing temperature of about 400 ° C is applied. Thus, the sensors need not for the corresponding pressures and temperatures in the first pressure range 12 be designed and therefore can be configured less expensive and less expensive. Only the actuator 11a will be at its second pressure area 13 opposite side, so only in the first pressure range 12 , acted upon by the first pressure p2 and the prevailing in the first pressure range temperature. In the second pressure range 13 in which the piston is 11c , the sensor element 11b and the spring 15 and the coil 16 is assigned, the second pressure p3 as a reference pressure level corresponds approximately to the atmospheric pressure in the order of 1 bar or the pressure in the subsequent capacitor 3 and the temperatures are much lower than in the first pressure range 12 , In particular, the arrangement of the coil 16 in one compared to the first pressure range 12 relatively cool area has only low temperature loads.

Im vorliegend beschriebenen Fall erfassen die Mittel 11b, 16 zur Lagerückmeldung die Lageänderung induktiv. Alternativ ist auch eine kapazitive oder piezoelektrische Erfassung der Lageänderung oder eine Erfassung mittels Dehnungsmessstreifen möglich. Im Falle der piezoelektrischen Erfassung der Lageänderung kann die Spule 16 entfallen und die Feder 15 durch einen Piezosensor ersetzt werden, der beispielsweise zwischen der Wand 35 des Gehäuses und dem Sensorelement 11b verspannt ist.In the case described here, the means detect 11b . 16 for position feedback, the position change is inductive. Alternatively, a capacitive or piezoelectric detection of the change in position or detection by means of strain gauges is possible. In the case of piezoelectric detection of the position change, the coil 16 omitted and the spring 15 be replaced by a piezoelectric sensor, for example, between the wall 35 of the housing and the sensor element 11b is tense.

Gemäß einer vorteilhaften optionalen Weiterbildung der Erfindung weist die Führung 25 im Bereich des Stellglieds 11a eine Durchmessererweiterung 17 auf, insbesondere in Form mindestens einer Nut, vorzugsweise mehrerer Nuten. Durch die Durchmessererweiterung 17 zwischen dem Stellglied 11a und der Führung 25 wird somit ein Erweiterungsraum 40 gebildet, der vorzugsweise immer mit dem zweiten Druckbereich 13 verbunden ist. Demgegenüber ist die Position des Erweiterungsraumes 40 so gewählt, dass bei den zu erwartenden ersten Drücken p2 das Stellglied 11a nicht so weit gegen die Feder 15 gedrückt wird, dass es zu einer Verbindung zwischen dem Entlastungsraum 40 und dem ersten Druckbereich 12 kommt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in einem Druckmessbetrieb des Drucksensors 10 die Trennung bzw. Abdichtung zwischen dem ersten Druckbereich 12 und dem zweiten Druckbereich 13 aufrechterhalten wird und damit die Druckmessfunktion des Drucksensors 10 gewährleistet ist.According to an advantageous optional development of the invention, the guide 25 in the area of the actuator 11a a diameter extension 17 on, in particular in the form of at least one groove, preferably a plurality of grooves. Due to the diameter extension 17 between the actuator 11a and the leadership 25 thus becomes an extension room 40 formed, preferably always with the second pressure range 13 connected is. In contrast, the position of the expansion area 40 chosen so that at the expected first pressures p2 the actuator 11a not so far against the spring 15 is pressed, that there is a connection between the discharge space 40 and the first pressure area 12 comes. In this way it is ensured that in a pressure measuring operation of the pressure sensor 10 the separation or sealing between the first pressure area 12 and the second pressure range 13 is maintained and thus the pressure measurement function of the pressure sensor 10 is guaranteed.

Gemäß der optionalen Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass im zweiten Druckbereich 13 ein Auslass 21 vorgesehen ist. Der Auslass 21 ist dabei wie in 1 dargestellt und oben beschrieben mit dem Ausgang 55 des Expanders 60 verbunden.According to the optional development of the invention, it is further provided that in the second pressure range 13 an outlet 21 is provided. The outlet 21 is there like in 1 shown and described above with the output 55 of the expander 60 connected.

Weiterhin sind Mittel zur Bestromung S der Spule 16 vorgesehen. Der Einfachheit halber sind diese Mittel Teil der Auswerteeinheit 30, die damit auch Steuerfunktionalität aufweist und mithin als Auswerte- und Steuereinheit ausgebildet ist. Die Mittel zur Bestromung S der Spule 16 können alternativ auch getrennt von der Auswerteeinheit 30 angeordnet sein, jedoch optional ebenfalls als integraler Bestandteil des Drucksensors 10. Im Folgenden soll angenommen werden, dass die Auswerteeinheit 30 als Auswerte- und Steuereinheit ausgebildet ist.Furthermore, means for energizing S of the coil 16 intended. For the sake of simplicity, these means are part of the evaluation unit 30 , which thus also has control functionality and is therefore designed as an evaluation and control unit. The means for energizing S of the coil 16 Alternatively, they can be separated from the evaluation unit 30 be arranged, but optionally also as an integral part of the pressure sensor 10 , In the following it shall be assumed that the evaluation unit 30 is designed as an evaluation and control unit.

Die Funktionsweise der Weiterbildung ist wie folgt:
Abhängig von der Ansteuerung bzw. Bestromung S der Spule 16 wird ein Magnetfeld im Bereich der Spule 16 erzeugt, das zu einer Bewegung des magnetischen Sensorelementes 11b in Form des Magnetankers führt. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied 11a über den Kolben 11c in unterschiedliche Positionen innerhalb der Führung 25 verschieben. Das Stellglied 11a bildet dabei mit den Nuten einen Schiebesitz. Überfährt aufgrund der Ansteuerung durch die Spule 16 das Stellglied 11a die Nuten 17, dann wird eine hydraulische Verbindung vom ersten Druckbereich 12 zum zweiten Druckbereich 13 geöffnet, und das Arbeitsmedium strömt entlang der Pfeile 22 gemäß 3 vom Einlass 20 zum Auslass 21. Der erste Druck p2 sinkt dann entsprechend in Richtung des zweiten Drucks p3 ab. The operation of the training is as follows:
Depending on the control or energization S of the coil 16 becomes a magnetic field in the area of the coil 16 generated, which leads to a movement of the magnetic sensor element 11b in the form of the magnet armature leads. In this way, the actuator can be 11a over the piston 11c in different positions within the leadership 25 move. The actuator 11a forms with the grooves a sliding seat. Overrun due to the drive through the coil 16 the actuator 11a the grooves 17 , then a hydraulic connection from the first pressure range 12 to the second pressure range 13 opened, and the working fluid flows along the arrows 22 according to 3 from the inlet 20 to the outlet 21 , The first pressure p2 then drops correspondingly in the direction of the second pressure p3.

In mindestens einer, jedoch nicht in jeder, vorzugsweise nur in einer, durch die Bestromung S einstellbaren Position des Stellgliedes 11a soll der Erweiterungsraum 40 mit dem ersten Druckbereich 12 und mit dem zweiten Druckbereich 13 verbunden sein. Eine solche Position des Stellgliedes 11a ist in 3 dargestellt. In diesem Fall dichtet das Stellglied 11a nicht mehr den ersten Druckbereich 12 gegen den zweiten Druckbereich 13 ab bzw. trennt die beiden Druckbereiche 12, 13 voneinander. Vielmehr sind die beiden Druckbereiche 12, 13 in diesem Fall miteinander verbunden, so dass ein Druckausgleich stattfindet und der erste Druck p2 sich wie beschrieben dem zweiten Druck p3 annähert. Während der Bestromung S der Spule 16 ist ein Druckmessbetrieb des Drucksensors 10 nicht möglich. Wird jedoch durch Bestromung S der Spule 16 das Stellglied 11a in die Position gemäß der Darstellung nach 3 gebracht, so ist ein Massenstrom des Fluides vom Einlass 20 zum Auslass 21 möglich. Der Drucksensor 10 fungiert in diesem Fall als Bypasskanal zum Expander 60. Die Anordnung aus Spule 16, Feder 15, Sensorelement 11b, Kolben 11c und Stellelement 11a bildet in diesem Fall in der Führung 25 mit Hilfe des Erweiterungsraumes 40 ein elektromagnetisches Bypassventil. Das Bypassventil wird dabei von der Auswerte- und Steuereinheit 30 über eine entsprechende Bestromung der Spule 16 angesteuert.In at least one, but not in each, preferably only in one, by the energization S adjustable position of the actuator 11a should the expansion room 40 with the first pressure range 12 and with the second pressure range 13 be connected. Such a position of the actuator 11a is in 3 shown. In this case, the actuator seals 11a no longer the first pressure range 12 against the second pressure range 13 disconnects or separates the two pressure ranges 12 . 13 from each other. Rather, the two pressure ranges 12 . 13 connected in this case, so that a pressure equalization takes place and the first pressure p2 approaches the second pressure p3 as described. During the energization S of the coil 16 is a pressure measuring operation of the pressure sensor 10 not possible. However, by energizing S of the coil 16 the actuator 11a in the position as shown 3 brought, so is a mass flow of the fluid from the inlet 20 to the outlet 21 possible. The pressure sensor 10 acts in this case as a bypass channel to the expander 60 , The arrangement of coil 16 , Feather 15 , Sensor element 11b , Piston 11c and actuator 11a forms in this case in the lead 25 with the help of the extension room 40 an electromagnetic bypass valve. The bypass valve is thereby from the evaluation and control unit 30 via a corresponding current supply to the coil 16 driven.

Als Bypassventil bzw. Bypasskanal wird der Drucksensor 10 wie beschrieben in einem zweiten Betriebszustand betrieben.As a bypass valve or bypass channel, the pressure sensor 10 operated as described in a second operating condition.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1760378 B1 [0002]

Claims

Pressure sensor ( 10 ) with a housing ( 10a ) and one in the housing ( 10a ) guided actuator ( 11a ), which changes its position depending on a pressurization (p2), with means ( 11b . 16 ) for the position feedback, which depends on the change in position of the actuator ( 11a ) generate a bearing feedback signal (L), characterized in that the actuator ( 11a ) a first pressure area ( 12 ) in the housing ( 10a ) from a second pressure range ( 13 ) in the housing ( 10a ), wherein the pressure in the first pressure range ( 12 ) is formed by the pressurization (p2) and the pressure in the second pressure range ( 13 ) is set to a reference pressure level (p3).

Pressure sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the actuator ( 11a ) in a, preferably cylindrical, guide ( 25 ) of the housing ( 10a ) and to the leadership ( 25 ) a leakage gap ( 14 ) forming the first pressure area ( 12 ) against the second pressure range ( 13 ) seals.

Pressure sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 11a ), preferably via a piston ( 11c ), with a sensor element ( 11b ) and that the funds ( 11b . 16 ) for the position feedback depending on the change in position of the sensor element ( 11b ) generate the bearing feedback signal (L).

Pressure sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 11b . 16 ) for position feedback detect the position change inductive, capacitive, piezoelectric or by means of strain gauges.

Pressure sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that between one of the first pressure range ( 12 ) facing away from the actuator ( 11a ) and a wall ( 35 ) of the housing ( 10a ) a, preferably progressive, spring ( 15 ) is arranged.

Pressure sensor ( 10 ) according to claim 5, as far as this is dependent on claim 3, characterized in that the spring ( 15 ) between the sensor element ( 11b ) and the wall ( 35 ) of the housing ( 10a ) is arranged.

Pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 3 to 6, characterized in that the sensor element ( 11b ) is designed as a magnet armature that a coil ( 16 ) in the housing ( 10a ), and that the sensor element ( 11b ) in the region of the coil ( 16 ) is arranged.

Pressure sensor ( 10 ) according to claim 7, characterized in that the guide ( 25 ) in the region of the actuator ( 11a ) a diameter extension ( 17 ), in particular in the form of at least one groove, and that by the diameter extension ( 17 ) between the actuator ( 11a ) and the leadership ( 25 ) extension space ( 40 ), preferably always, with the second pressure range ( 13 ) connected is.

Pressure sensor ( 10 ) according to claim 7 or 8, characterized in that means ( 30 ) for energizing the coil ( 16 ) are provided, that the sensor element ( 11b ) in the magnetic field of the coil ( 16 ) and that the actuator ( 11a ) depending on the current supply different positions in the leadership ( 25 ) occupies.

Pressure sensor ( 10 ) according to claim 9, insofar as this is dependent on claim 8, characterized in that in at least one, but not in each, preferably only in one, adjustable by the energization position of the actuator ( 11a ) the extension room ( 40 ) with the first pressure range ( 12 ) connected is.

Pressure sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the second pressure range ( 13 ) an outlet ( 21 ) is provided.

Expansion machine ( 2 ) with an expander ( 60 ), in particular a turbine, an axial piston machine or a Scrollexpander, and with a pressure sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an input ( 50 ) of the expander ( 60 ) with the first pressure range ( 12 ) connected is.

Expansion machine ( 2 ) according to claim 12, characterized in that an output ( 55 ) of the expander ( 60 ) with the second pressure range ( 13 ) connected is.