DE3620752A1 - Verfahren zum erzeugen elektrischer energie mittels eines druckmediums - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen von mit einem Druckmedium als Arbeitsmedium beaufschlagten Vorrichtungen mit elektrischer Energie zum Betätigen von Verbrauchern, insbesondere von Steuer­ mitteln der Vorrichtung.

Im Untertagebau werden beispielsweise in einem Streb eine Vielzahl von Ausbaugestellen einzeln hydraulisch betätigt. Hierzu verläuft in dem Streb eine hydraulische Versorgungsleitung, bestehend aus der Druckleitung und der Tankleitung, an die die Ausbaugestelle angeschlossen sind. Die Steuerung der ein­ zelnen Ausbaugestelle erfolgt über elektrische/elek­ tronische Steuergeräte, die ihrerseits wieder gemeinsam an eine elektrische Stromversorgungsleitung, die durch den Streb verläuft, angeschlossen sind. Die Vielzahl der verschiedenen Leitungen im Streb ist unerwünscht, und zudem verursacht eine einzige Stromversorgungsleitung im Streb wegen eines Leistungsbedarfs im Streb von mindestens 1 kW bei ca. 250 Ausbaugestellen Probleme wegen der Funkengefahr.

Auch bei anderen aus mit einem Druckmedium betriebenen Vorrichtungen bestehenden Anlagen ist die Mehrzahl der erforderlichen Versorgungsleitungen nachteilig, sofern diese Vorrichtungen zusätzliche elektrische bzw. elek­ tronische Steuerungen aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zu schaffen, womit die elektrische Stromversorgungsleitung bei derartigen be­ kannten Anlagen entfallen kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß von dem Druckmedium in bzw. an der Vorrichtung ein Umformer der­ art beaufschlagt wird, daß ein Bruch­ teil der Energie des Druckmediums in die elektrische Energie umgewandelt wird. Erfindungsgemäß erfolgt somit ein teilweises Umwandeln der im Druckmedium vorhandenen Energie in elektrische Energie, und zwar am Ort, wo die elektrische Energie benötigt wird. Das bedeutet, die elektrische Energie wird am Verbraucher selbst er­ zeugt, und zwar mittels des diesen betätigenden Druck­ mittels. Es erfolgt somit eine dezentrale Stromversorgung am Bedarfsort durch Energieumwandlung eines Teils der Energie des Druckmediums. Dabei ist der Bruchteil der verbrauchten Energie des Druckmediums einerseits zur Stromversorgung ausreichend und andererseits aber derartig gering, daß die Energie des Druckmediums nicht maßgeblich reduziert wird, und wobei auch sichergestellt ist, daß das Druckmedium selbst nicht verbraucht wird.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Versorgen von mit einem Druckmedium über eine Druckleitung als Arbeitsmedium beaufschlagten Vorrichtungen mit elektrischer Energie zum Betätigen von Verbrauchern, insbesondere von Steuermitteln der Vorrichtung.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Anhand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Steuerung einer Zylinderkolbeneinheit 1, beispielsweise eines Ausbaugestells, dargestellt, wie es im Untertagebau beim Strebausbau verwendet wird. Diese Zylinderkolben­ einheit 1 wird mit einem Druckmedium beaufschlagt, das über eine Druckleitung P zugeführt und über eine Rück­ flußleitung T rückgeführt wird. Bei dem Druckmedium kann es sich beispielsweise um eine Hydraulikflüssigkeit handeln, wobei im Untertagebau ein Öl-in-Wasser-Gemisch oder Wasser verwendet wird. Im Untertagebau steht in der Druck­ leitung beispielsweise ein Druck von ca. 300 bar an, und an die Druckleitung P können etwa bis zu 250 Aus­ baugestelle pro Streb angeschlossen sein. Eine den Druck in der Druckleitung P erzeugende Pumpe, die nicht dargestellt ist, hat beispielsweise eine Leistung von ca. 130 kW. Die Zylinderkolbeneinheit 1 wird über zwei 3/2-Wegeventile 2, 3 gesteuert, d.h. entweder mit der Rückführleitung T verbunden (Ruhestellung, wie dargestellt), oder mit der Druckleitung P (Arbeits­ stellung). Es können auch andere Wegeventile verwendet werden. Die 3/2-Wegeventile 2, 3 werden elektrisch über eine Steuereinheit 4 und Steuerleitung 5, 6 sowie jeweils ein Verstellglied 7 gesteuert. Bei den Ver­ stellgliedern 7 kann es sich um Elektromagneten, piezo­ elektrische Elemente, Elektromotoren oder dergleichen handeln. Im Falle der Anwendung im Untertagebau ist es wesentlich, daß diese Verstellglieder 7 eine relativ geringe elektrische Leistung zur Betätigung erfordern, damit im eigensicheren Bereich gearbeitet werden kann. Hierbei wäre eine Leistungsaufnahme von 0,1 bis 1 Watt pro Steuereinheit maßgeblich. Im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung bestehen die Verstellglieder aus piezoelektrischen Elementen. Die Steuereinheit 4 ist - wie dargestellt - aus zwei Schaltern aufgebaut, die jeweils zwei Schaltkontakte besitzen. Die Steuer­ einheit kann aber auch als elektronische Steuerung auf­ gebaut sein und eine Datenerfassung und -speicherung oder dergleichen aufweisen.

Wesentliches Bestandteil der erfindungsgemäßen Steuerung ist eine Einheit 8 zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Energie des Druckmediums, vorzugsweise des hydraulischen Druckmediums. Im erfindungsgemäßen Aus­ führungsbeispiel besteht die Einheit 8 aus einem piezo­ elektrischen Element 9, dem ein hydraulischer Vibrator 10 vorgeschaltet ist. Dieser hydraulische Vibrator 10 besteht aus einem Kolben 11, der in einem Zylinder 12 gegen die Kraft einer Feder 13 verschiebbar geführt ist. Die Feder 13 stützt sich einendig auf dem piezoelektri­ schen Element 9 ab.

Auf der der Feder 13 abgewandten Seite des Kolbens 11 ist im Zylinder ein Druckeinlaß 14, und auf der anderen Kolbenseite hinter der Feder 13 ist das piezoelektrische Element 9 derart angeordnet, daß es über die Feder vom im Zylinder anstehenden Druck beaufschlagt wird. Seitlich in den Zylinder 12 mündet eine Auslaßleitung 15, und zwar in einem bestimmten Abstand vom Einlaß 14. Diese Auslaßleitung 15 ist mit der Rückflußleitung T verbunden. Die elektrischen Spannungsausgänge 16, 17 des piezoelek­ trischen Elementes 9 sind mit einem elektrischen Speicher 18 verbunden, der seinerseits auf die Steuereinheit 4 geschaltet ist. In dem elektrischen Speicher 18 wird die an den Ausgängen 16, 17 anstehende Spannung des piezoelektrischen Elementes gespeichert. Der Einlaß 14 ist an den Ausgang 19 eines Wechselventils 20 ange­ schlossen, dessen beiden Eingänge 21, 22 mit der Druckleitung P verbunden sind, und zwar der Eingang 21 direkt und der Eingang 22 indirekt über die 3/2-Wegeventile 2, 3. Zwischen dem Eingang 21 und der Druckleitung P kann ein Absperrhahn 23 ein­ gebaut sein.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Systems ist wie folgt.

Durch den in der Druckleitung P anstehenden Druck wird über den Eingang 21 des Wechselventils bei ge­ öffnetem Absperrhahn 23 der Einlaß 14 an die Druck­ leitung P gelegt, so daß im Zylinder 12 der Druck der Druckleitung P ansteht und einerseits auf das piezoelektrische Element 9 wirkt und andererseits über den Kolben 11 die Feder 13 zusammendrückt, so daß diese bei entsprechender Auslegung so weit zu­ sammengedrückt wird, bis der Kolben die Auslaßleitung 15 passiert hat, so daß das im Zylinder 12 anstehende Druckmedium über diese Auslaßleitung 15 in die Rück­ laufleitung T fließen kann, so daß der Druck im Zylinder 12 abfällt und hierdurch die Feder sich entspannen kann und der Kolben 11 in Richtung auf den Einlaß 14 von dieser bewegt wird, so daß die Auslaßleitung 15 nicht mehr mit dem das Druckmedium enthaltenen Zylinderinnen­ raum verbunden und somit abgesperrt ist. Hierdurch kann sich im Raum zwischen dem Einlaß 14 und dem Kol­ ben 11 wieder der jeweilige Druck der Druck­ leitung P aufbauen, und der obige Vorgang wiederholt sich. Durch den auf das piezoelektrische Element 9 wirkenden Druck wird von diesem eine elektrische Span­ nung erzeugt, die an den Ausgängen 16, 17 ansteht, und in dem Speicher 18, der ein Akkumulator, eine Batterie oder eine Kapazität, z. B. ein Kondensator, sein kann, gespeichert, wobei durch den hydraulischen Vibrator 10 Spannungsimpulse an den Ausgängen 16, 17 erzeugt werden. Die im Speicher 18 gespeicherte elektrische Energie wird nun zum Betreiben der elektrischen Steuerung der 3/2-Wegeventile 2, 3 über die Steuereinheit 4, die Leitungen 5, 6 und die Stellglieder 7 verwendet. In den piezoelektrischen Ele­ menten der Stellglieder 7 wird die an diesen anliegende elektrische Spannung in mechanische Energie, und zwar Bewegungsenergie, umgewandelt, die zum Betätigen der 3/2-Wegenventile 2, 3 dienen, so daß diese in die Ar­ beitsstellung gebracht werden, in der der Eingang 22 des Wechselventils 20 mit der Druckleitung P über das 3/2-Wegeventil verbunden wird, so daß das Wechselventil 20 den Eingang 21 verschließt, der auf­ grund des geschlossenen Absperrhahns 23 drucklos ist. Die Öffnung des Absperrhahns 23 erfolgt nur anfänglich, um den Speicher 18 für den ersten Schaltvorgang aufzu­ laden. Ist der Einlaß 14 über den Eingang 22, die 3/2- Wegeventile 2, 3 mit der Druckleitung P verbunden, so lädt sich der Speicher 18 ständig auf, so daß stets genügend elektrische Energie im Speicher geladen ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel. Auch ist es möglich, eine Vielzahl von einzelnen Umwand­ lern 8 parallel zu schalten.

Claims (13)

1. Verfahren zum Versorgen von mit einem Druckmedium als Arbeitsmedium beaufschlagten Vorrichtungen mit elektrischer Energie zum Betätigen von Verbrauchern, insbesondere von Steuermitteln der Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Druckmedium in bzw. an der Vorrichtung ein Umformer derart vom Druckmedium beaufschlagt wird, daß ein Bruchteil der Energie des Druckmediums in die elektrische Energie umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erzeugte elektrische Energie gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie impulsförmig erzeugt wird und die einzelnen Impulse zum Speichern summiert werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betätigen der Steuermittel die elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Arbeitsmedium impulsförmig den als piezoelektrisches Element ausgebildeten Umformer mit Druck beaufschlagt.

6. System zum Versorgen von mit einem Druckmedium als Arbeitsmedium über eine Druckleitung beauf­ schlagten Vorrichtung mit elektrischer Energie zum Betätigen von elektrischen Verbrauchern, ins­ besondere von Steuermitteln der Vorrichtung, ins­ besondere nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (P) mit einem Energie­ umwandler (8) zum Umwandeln eines Bruchteils der Energie des in der Druckleitung (P) befindlichen Druckmediums in die elektrische Energie verbunden ist, dessen Ausgang (16, 17) an einem elektrischen Speicher (18) angeschlossen ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Umwandler (8) aus mindestens einem piezoelektrischen Element (9) besteht, das mit einem Druckvibrator (11, 12, 13) verbunden ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckvibrator sowie das piezoelektrische Element (9) in einem Zylinder (12) angeordnet sind.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckvibrator aus einem Kolben (11) sowie einer zwischen diesem und dem piezoelektrischen Element (9) angeordneten Druck­ feder (13) besteht.

10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Innenraum des Zylinders (12) eine Auslaßleitung (15) derart mündet, daß im gespannten Zustand der Druckfeder (13) die Aus­ laßleitung (15) zwischen dem Druckeinlaß (14) des Zylinders (12) und dem Kolben (11) liegt und im entspannten Zustand der Druckfeder (13) der Kolben (11) die Auslaßleitung (15) absperrt.

11. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektrische Speicher (18) aus einer Kapazität, einem Akkumulator oder einer Batterie besteht.

12. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11 zum Steuern einer hydraulischen Vor­ richtung, insbesondere einer Zylinderkolbenein­ heit, vorzugsweise eines Ausbaugestelles im Untertagebau, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektrische Speicher (18) mit einer elektrischen Steuereinheit (4) verbunden ist, die auf ein elektrisch angetriebenes Stellglied (7) mindestens eines Mehrwege-Schaltventils, insbe­ sondere eines 3/2-Wegeventils 2, 3, geschaltet ist, dessen Druckeingang mit der Druckleitung (P) und dessen Ausgang mit einer Rückführleitung (T) und dessen Druckausgang mit dem Einlaß (14) des hydraulischen Vibrators (10, 11, 13) verbunden ist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Druck­ ausgang des 3/2-Wegeventils (2, 3) und dem Einlaß (14) des hydraulischen Vibrators ein Wechselventil (20) angeordnet ist, dessen zweiter Eingang (21) mit der Druckleitung (P) über einen Absperr­ hahn (23) verbunden ist.