DE202011110161U1 - Precision volume booster - Google Patents

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Abstract

Präzisionsvolumenstrombooster mit einem Druckregler (1) für gasförmige Medien, insbesondere Druckluft, der einen Steuerdruckraum (4) aufweist, dem ein Vorsteuerregler (3) mit integrierter Druckübersetzungsstufe (2) so vorgeschaltet ist, dass der Ausgangsdruck P2 gegenüber dem Eingangsdruck P1 ein Mehrfaches erhöht ist, ohne dass die Durchflusskennlinien zusätzliche Druckverluste aufweisen.Precision volume flow booster with a pressure regulator (1) for gaseous media, in particular compressed air, which has a control pressure chamber (4) to which a pilot control (3) with integrated pressure booster stage (2) is connected in such a way that the outlet pressure P2 is increased several times compared to the inlet pressure P1 without the flow characteristics having additional pressure losses.

Description

Die Erfindung betrifft einen Präzisionsvolumenstrombooster für gasförmige Medien, insbesondere Druckluft, der einen Druckregler mit einem Steuerdruckraum, dessen Ausgangsdruck gegenüber dem Eingangsdruck um ein mehrfaches, ohne Pumpfunktion, erhöht ist, aufweist.The invention relates to a Präzisionsvolumenstrombooster for gaseous media, in particular compressed air, which has a pressure regulator with a control pressure chamber whose output pressure compared to the input pressure by a multiple, without pumping function, has increased.

Volumenstrombooster mit einer Druckübersetzung (Druckerhöhung) für gasförmige Medien in festen Verhältnissen sind seit langem bekannt. Dabei verstärkt ein solcher Booster mit einem Übersetzungsverhältnis den Eingangsdruck im Wesentlichen in einem Verhältnis z. B. bis 1:6 auf einen Ausgangsdruck mit einem hohen Volumenstrom. Booster werden im Allgemeinen zur Energie- und Signalübertragung mittels Luft oder Gasen betrieben. Ziel eines solchen Gerätes ist es, mit einem relativ niedrigen Steuerdruck einen deutlich höheren Ausgangsdruck bereitzustellen. Dabei hat das Eingangssignal keinen Luftverbrauch, so dass der Signaldruck die gleiche Funktion wie eine Feder im Druckregler übernimmt, denn er erzeugt den Gegendruck auf eine Membrane. Eine solche Kraft wird gleichzeitig durch den Ausgangsdruck auf der Unterseite einer solchen Membrane ausgeglichen. Dabei wird in der Regel ein gefordertes Übersetzungsverhätnis dadurch realisiert, in dem das Flächenverhältnis der Steuerdruckmembrane zur Ausgangsluft entsprechend der gewünschten Druckerhöhung ausgelegt wird. Da der Druck eines Gases überall gleich ist, hängt die so erzeugte Kraft nur von der Größe der Fläche ab, auf die der Druck wirkt. Dieses hat zur Folge, dass ein mit einer kleinen Fläche erzeugter Druck eine sehr große Kraft erzeugen kann. In so einem Fall spricht man von einer Druckwaage bei der der Steuerdruck und der Ausgangsdruck im Gleichgewicht stehen. Zur Erreichung einer Druckerhöhung auf der Ausgangsseite muss die Wirkfläche der Ausgangsruckmembrane kleiner ausgelegt werden als die der Steuerdruckmembrane.Volume booster with a pressure boost (pressure increase) for gaseous media in fixed ratios have long been known. This boosts such a booster with a transmission ratio, the input pressure substantially in a ratio z. B. to 1: 6 to an outlet pressure with a high flow rate. Boosters are generally operated for energy and signal transmission by means of air or gases. The aim of such a device is to provide a significantly higher output pressure with a relatively low control pressure. The input signal has no air consumption, so that the signal pressure performs the same function as a spring in the pressure regulator, because it generates the back pressure on a membrane. Such a force is simultaneously balanced by the outlet pressure on the underside of such a membrane. In this case, a required Übersetzungsverhätnis is usually realized by the area ratio of the control pressure diaphragm is designed to the output air according to the desired pressure increase. Since the pressure of a gas is the same everywhere, the force generated depends only on the size of the surface on which the pressure acts. This has the consequence that a pressure generated with a small area can generate a very large force. In such a case we speak of a pressure balance in which the control pressure and the outlet pressure are in equilibrium. To achieve a pressure increase on the output side, the effective area of the output pressure diaphragm must be made smaller than that of the control pressure diaphragm.

Eine solche beschriebene Vorgehensweise beinhaltet jedoch Nachteile. Diese Nachteile liegen insbesondere darin, dass kleinere Wirkflächen in der Regel auch zu schlechteren Durchflusskennlinien führen. Dieses bedeutet, dass mit zunehmendem Durchfluss ein unerwünschter Druckabfall am Reglerausgang stärker zunimmt, als dies beispielsweise bei einem Regler ohne Druckübersetzung der Fall ist. Gleichzeitig bedeutet dieses aber auch, je größer die Druckübersetzung gefordert wird, umso größer ist auch der dynamische Druckverlust.However, such a procedure described has disadvantages. These disadvantages are, in particular, that smaller active surfaces generally also lead to poorer flow characteristics. This means that with increasing flow, an undesired pressure drop at the regulator output increases more than is the case, for example, with a regulator without pressure boosting. At the same time, however, this also means that the greater the pressure ratio required, the greater the dynamic pressure loss.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für gasförmige Medien, insbesondere Druckluft, innerhalb eines Volumenstromboosters eine Druckübersetzung ohne Pumpfunktion zu erzeugen. Dabei sollen die Wirkflächen der Membranen nicht verändert werden, weil dadurch zusätzliche Druckverluste vermieden werden sollen. Ferner soll eine solche Druckerhöhung einstellbar sein und nur einen geringen Bauraum benötigen.The object of the present invention is to produce a pressure ratio without pumping function for gaseous media, in particular compressed air, within a volume flow booster. In this case, the active surfaces of the membranes should not be changed, because this additional pressure losses should be avoided. Furthermore, such a pressure increase should be adjustable and only require a small space.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.The object of the invention is solved by the features of claim 1. The dependent claims provide a further embodiment of the inventive concept again.

Um einen Präzisionsvolumenstrombooster für gasförmige Medien, insbesondere für Druckluft, zu schaffen, bei einem Druckregler mit einem Steuerdruckraum, dessen Ausgangsdruck um ein Mehrfaches erhöht ist gegenüber dem Eingangsdruck und bei dem keine zusätzlichen Druckverluste vorliegen sollen, wird ein Vorsteuerregler in Verbindung mit einer Druckübersetzungsstufe dem Steuerdruckraum vorgeschaltet. Ein solcher Vorsteuerregler kein beispielsweise ein so genannter Pilotregler sein. Dies bedeutet, dass der Druckregler zur Erzeugung eines größeren Ausgangsdruckes mit einem kleineren preiswerteren Regler vorgesteuert wird. Dabei kann der Vorsteuerregler mechanisch oder elektrisch oder elektropneumatisch betätigt werden. Eine solche Vorgehensweise hat große Vorteile, weil dadurch ein vorhandener Druckregler nachgerüstet werden kann und somit ein bestehendes Produkt auch weiteren Verwendungen zugeführt wird.In order to provide a precision volumetric flow booster for gaseous media, in particular for compressed air, in a pressure regulator with a control pressure chamber whose output pressure is increased many times over the inlet pressure and in which there are no additional pressure losses, a pilot regulator in conjunction with a pressure booster stage the control pressure chamber upstream. Such a pilot controller, for example, should not be a so-called pilot controller. This means that the pressure regulator is pre-controlled to produce a larger output pressure with a smaller, cheaper controller. In this case, the pilot control can be operated mechanically or electrically or electropneumatically. Such an approach has great advantages because it can be retrofitted an existing pressure regulator and thus an existing product is also supplied to other uses.

Neben einfachen, direkt betätigten Regelelementen sind auch mehrstufige möglich. Man kann somit von aktiven und passiven Vorsteuerreglern sprechen. Die Druckübersetzungsstufe besteht erfindungsgemäß aus einem Differenzialkolben oder einem Differenzialdruckverstärker. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis des Eingangsdruckes zum Ausgangsdruck in festen Schritten oder aber auch kontinuierlich veränderbar.In addition to simple, directly operated control elements and multi-stage are possible. One can therefore speak of active and passive precontrol regulators. The pressure intensification stage according to the invention consists of a differential piston or a differential pressure booster. In this case, the transmission ratio of the inlet pressure to the outlet pressure in fixed increments or else continuously changeable.

Durch die Verwendung eines Differenzialkolbens ist es möglich, eine gewünschte Druckübersetzung kostengünstig ohne Pumpleistungen zu erzeugen. Dies ist entsprechend auf Grund der gestalteten Wirkflächen des Differenzialkolbens problemlos möglich.By using a differential piston, it is possible to produce a desired pressure ratio cost without pump power. This is easily possible due to the designed effective surfaces of the differential piston.

Auf Grund eines unveränderten Membramverhältnisses innerhalb des Druckreglers erreicht somit auch der Ausgangsdruck das gewünschte Niveau ohne Verluste. Dieses hat zur Folge, dass keine zusätzlichen Druckverluste entstehen und die Durchflusskennlinien optimal verlaufen.Due to an unchanged membrane ratio within the pressure regulator thus also the output pressure reaches the desired level without losses. This has the consequence that no additional pressure losses occur and the flow characteristics are optimal.

Erfindungsgemäß wird deshalb eine Druckverstärkereinheit in Verbindung mit einem Aktor, nämlich dem Druckregler, gebildet, die eine Funktionseinheit darstellen. Dieses kann in einer Baugruppe realisiert werden, die nicht durch Leitungen untereinander verbunden sind. Der Aktor treibt dabei direkt mechanisch verbunden mit dem Druckregelventil die Einheit an, so dass dann der eigentliche Steuerdruck für den Booster erzeugt wird. Funktionsmäßig geht dabei der Druck auf ein Ventil, das dabei geöffnet wird und in dem anschließenden Raum ein Druck aufgebaut wird. Dieser Druck ist entsprechend höher, weil die Wirkfläche kleiner ist. Funktionstechnisch wird dieses so ausgeführt, dass zunächst eine Ansteuerung ausgeführt wird, die noch drucklos ist und erst danach öffnet sich das Ventil. Daraufhin baut sich der Druck bis zum Kraftausgleich aus, und das Ventil schließt sich wieder. Der Endwert ist erreicht, diese Vorgabe wird auf den Booster gegeben und somit auf der Membranoberseite aufgebaut. Durch den ansteigenden Druck bis zu seinem Ausgleich, bei dem das gesamte System wieder in Ruhe kommt, findet keine, im Stand der Technik üblicher weise durchgeführte Pumpleistung statt. Es wird somit durch ein Steuersignal ein Druck auf einen Kolben erzeugt, bei dem das Medium auf eine kleinere Fläche übergeleitet wird, so dass sich daraus zwangsläufig eine Druckerhöhung ergibt. Dieses kann auch so dargestellt werden, dass durch den Aufbau des Druckes auf einen Ventilsitz das Medium auch auf die Kolbenunterseite strömt und damit den Druck so lange dort aufbaut, bis ein Kraftgleichgewicht auf beiden Seiten des Kolbens wieder herrscht. Die Druckregelung wird somit durch den Steuerdruck in Verbindung mit einem Differenzialkolben erzeugt. Ein Differenzialkolben zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus und kann somit innerhalb eines Druckreglers integriert werden.According to the invention, therefore, a pressure booster unit is formed in conjunction with an actuator, namely the pressure regulator, which constitute a functional unit. This can be realized in an assembly that are not interconnected by lines. The actor is doing this directly mechanically connected to the pressure control valve to the unit, so that then the actual control pressure is generated for the booster. Functionally, the pressure on a valve, which is thereby opened and in the adjoining room, a pressure is built up. This pressure is correspondingly higher, because the effective area is smaller. Functionally, this is carried out so that initially a control is executed, which is still depressurized and only then the valve opens. Then the pressure builds up until the force balance, and the valve closes again. The final value is reached, this specification is given to the booster and thus built up on the membrane top. Due to the increasing pressure to its compensation, in which the entire system comes to rest again, there is no, in the prior art usual carried out pumping power. It is thus produced by a control signal, a pressure on a piston, in which the medium is transferred to a smaller area, so that there is inevitably an increase in pressure. This can also be represented by the fact that the structure of the pressure on a valve seat, the medium also flows to the piston bottom and thus the pressure builds up there until a force equilibrium on both sides of the piston prevails again. The pressure control is thus generated by the control pressure in conjunction with a differential piston. A differential piston is characterized by a compact design and can thus be integrated within a pressure regulator.

Ein solcher Vorsteuerregler kann mit einer integrierten Druckübersetzungsstufe als eine Baueinheit ausgeführt werden. Gleichzeitig ist es jedoch auch möglich, dass der Vorsteuerregler im Booster integriert oder extern in der Steuerdruckzuleitung eingebaut ist. Vorzugsweise sind alle technischen Bestandteile des Präzisionsvolumenstromboosters in einer Vorrichtung bautechnisch enthalten.Such a pilot controller may be implemented with an integrated pressure translation stage as a unit. At the same time, however, it is also possible that the pilot controller is integrated in the booster or installed externally in the control pressure supply line. Preferably, all technical components of the precision volumetric flow booster are structurally contained in a device.

Bei bestehenden Druckreglegern ist es möglich, dass der Vorsteuerregler an den Druckregler angeflanscht wird und sich somit insgesamt auch ein kompaktes Bauteil ergibt.In existing pressure regulators, it is possible that the pilot controller is flanged to the pressure regulator and thus results in a total of a compact component.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines möglichen in den Zeichnungen wiedergegeben exemplarischen Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a possible exemplary embodiment shown in the drawings.

Es zeigt:It shows:

1: Ein Blockschaltbild eines Präzisionsvolumenstromboosters; 1 : A block diagram of a precision volumetric flow rooster;

2: einen Schnitt durch einen Druckregler mit einem Vorsteuerregler und einer Druckübersetzungsstufe; 2 a section through a pressure regulator with a pilot controller and a pressure translation stage;

In dem Blockschaltbild der 1 wird schematisch ein Druckregler 1 wiedergegeben, mit dem drucktechnisch eine Druckübersetzungsstufe 2 und dieser druckmäßig vorgeschaltet ein Vorsteuerregler 3 wirksam verbunden ist. Dabei kann der Vorsteuerregler mechanisch oder elektrisch oder elektropneumatisch den Druck betätigt oder gesteuert werden.In the block diagram of 1 is schematically a pressure regulator 1 reproduced, with the printing technology, a pressure translation stage 2 and this pressure moderately upstream of a pilot control 3 is effectively connected. In this case, the pilot control can be operated or controlled mechanically or electrically or electropneumatically the pressure.

Die 2 ist in einer gemeinsamen Baueinheit, d. h. in einem Gehäuse 13, welches geschnitten dargestellt worden ist, einen Druckregler 1 mit einer Druckübersetzungsstufe 2 und einem Vorsteuerregler 3 dargestellt. Dabei kann der Druckregler 1 mit der Druckübersetzungsstufe 2 aus einem funktionalen Bauteil bestehen und es kann zusätzlich durch den Vorsteuerregler 3 einer anderen zusätzlichen Verwendungsart zugeführt werden, nämlich es entsteht dadurch ein Präzisionsvolumenstrombooster.The 2 is in a common unit, ie in a housing 13 , which has been shown cut, a pressure regulator 1 with a pressure translation stage 2 and a pilot controller 3 shown. In doing so, the pressure regulator 1 with the pressure translation stage 2 consist of a functional component and it can additionally by the pilot controller 3 be supplied to another additional use, namely it creates a precision volume flow booster.

Der Vorsteuerregler 3 erzeugt einen Steuerdruck, der auf die Druckübersetzungsstufe 2 mit seiner Steuermembrane 9 wirkt. Die Streuermembrane 9 hat gegenüber einem mit ihr verbunden Steuerkolben 10 einen wesentlich größeren Durchmesser und eine damit größere Wirkfläche auf die der Steuerdruck wirksam wird. Dadurch, dass der Steuerkolben 10 mehr als Differenzialkolben 11 oder dgl. ausgebildet ist, und eine kleinere wirksame kleinere Druckfläche aufweist, erwirkt dieser eine Druckerhöhung in dem Steuerteil einer Arbeitsdruckerzeugung 12. Die Arbeitsdruckerzeugung 12 steht über einen Kanal 7 mit dem Eingangsdruck 5 in Form eines Druckes P1 in der Verbindung. Der durch den Differenzialkolben 11 erzeugte Druck wird auf eine Hauptmembrane 8 des Druckreglers 1 innerhalb eines Steuerdruckraumes 4 übertragen.The pilot controller 3 generates a control pressure that is at the pressure translation stage 2 with its control membrane 9 acts. The spreader membrane 9 has a control piston connected to it 10 a much larger diameter and thus larger effective area on the control pressure is effective. Because of the control piston 10 more than differential pistons 11 or the like is formed, and has a smaller effective smaller pressure surface, this causes an increase in pressure in the control part of a working pressure generation 12 , The working pressure generation 12 stands over a canal 7 with the inlet pressure 5 in the form of a pressure P 1 in the compound. The through the differential piston 11 generated pressure is transferred to a main membrane 8th of the pressure regulator 1 within a control pressure chamber 4 transfer.

Durch die Funktion des Vorsteuerreglers 3 mit seinem vorgegebenen Steuerdruck, wird somit, in Verbindung mit der Druckübersetzungsstufe 2, der Ausgangsdruck P1 an dem Druckausgang sein als der Eingangsdruck P1 an dem Druckeingang 5.By the function of the pilot control 3 with its predetermined control pressure, thus becomes, in conjunction with the pressure translation stage 2 , the output pressure P 1 at the pressure output to be the input pressure P 1 at the pressure input 5 ,

Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können so mit dem Vorsteuerregler 3 feste Werte oder aber auch individuelle Druckwerte durch seine Druckvorgaben realisiert werden.Due to the inventive design can be so with the pilot controller 3 Fixed values or individual pressure values can be realized by his pressure specifications.

Die vorliegende Erfindung zeigt dabei eine preiswerte Lösung zur Druckübersetzung, ohne dass die Wirkflächen des Druckreglers 1 verändert werden müssen. Dieses bedeutet auch, dass keine zusätzlichen Druckverluste zu verzeichnen sind.The present invention shows an inexpensive solution for pressure transmission, without the active surfaces of the pressure regulator 1 have to be changed. This also means that no additional pressure losses are recorded.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Druckreglerpressure regulator
22
DruckübersetzungsstufePressure ratio stage
33
Vorsteuerreglerpilot regulator
44
SteuerdruckraumControl pressure chamber
55
Druckeingangpressure input
66
Druckausgangpressure outlet
77
Kanalchannel
88th
Hauptmembranemain diaphragm
99
Steuermembranecontrol membrane
1010
Steuerkolbenspool
1111
Differenzialkolbendifferential piston
1212
ArbeitsdruckerzeugungWorking pressure generation
1313
Gehäusecasing

Claims (10)

Präzisionsvolumenstrombooster mit einem Druckregler (1) für gasförmige Medien, insbesondere Druckluft, der einen Steuerdruckraum (4) aufweist, dem ein Vorsteuerregler (3) mit integrierter Druckübersetzungsstufe (2) so vorgeschaltet ist, dass der Ausgangsdruck P2 gegenüber dem Eingangsdruck P1 ein Mehrfaches erhöht ist, ohne dass die Durchflusskennlinien zusätzliche Druckverluste aufweisen.Precision volume flow booster with a pressure regulator ( 1 ) for gaseous media, in particular compressed air, a control pressure chamber ( 4 ), to which a pilot controller ( 3 ) with integrated pressure translation stage ( 2 ) is upstream so that the output pressure P 2 is a multiple increased over the input pressure P 1 , without the flow characteristics have additional pressure losses. Präzisionsvolumenstrombooster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerregler (3) als Pilotregler oder dergleichen ausgebildet ist.Precision volume flow booster according to claim 1, characterized in that the pilot control regulator ( 3 ) is designed as a pilot regulator or the like. Präzisionsvolumenstrombooster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübersetzungsstufe (2) im Wesentlichen durch einen Differentialkolben (11) oder einem Differentialdruckverstärker realisiert wird.Precision volume flow booster according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure intensification stage ( 2 ) essentially by a differential piston ( 11 ) or a differential pressure booster is realized. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis von P1 zu P2 in festen Schritten über den Vorsteuerregler (3) veränderbar ist.Precision volume flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission ratio of P 1 to P 2 in fixed steps via the pilot control ( 3 ) is changeable. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis P1 zu P2 durch den Vorsteuerregler (3) individuell kontinuierlich veränderbar einstellbar ist.Precision volume flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission ratio P 1 to P 2 by the pilot controller ( 3 ) is individually adjustable continuously adjustable. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerregler (3) als elektrische, elektropneumatische oder mechanische Einheit ausgebildet ist.Precision volumetric flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the pilot control regulator ( 3 ) is designed as an electrical, electropneumatic or mechanical unit. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler (1) mit der Druckübersetzungsstufe (2) und der Vorsteuerregler (3) eine gemeinsame Baueinheit bilden.Precision volume flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure regulator ( 1 ) with the pressure translation stage ( 2 ) and the pilot controller ( 3 ) form a common structural unit. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler (1) und die Druckübersetzungsstufe (2) und der Vorsteuerregler (3) getrennte auswechselbare Baueinheiten bilden und funktionstechnisch miteinander verbunden sind.Precision volume flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure regulator ( 1 ) and the pressure translation stage ( 2 ) and the pilot controller ( 3 ) form separate interchangeable units and are functionally connected to each other. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerregler (3) mit integrierter Druckübersetzungsstufe (2) ausgebildet ist.Precision volumetric flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the pilot control regulator ( 3 ) with integrated pressure translation stage ( 2 ) is trained. Präzisionsvolumenstrombooster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Druckregler (1) in Wirkverbindung stehende Druckübersetzungsstufe (2) und der Vorsteuerregler (3) austauschbar sind.Precision volume flow booster according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure regulator ( 1 ) in operative connection pressure translation stage ( 2 ) and the pilot controller ( 3 ) are interchangeable.
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