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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Kolbenmotor
mit einem unidirektionalen Fluidströmungspfad. Die vorliegende
Erfindung kann verwendet werden, um Fluidenergie in nutzbare mechanische
Arbeit für
irgendeine Maschine, wie z. B. eine Hubkolbenpumpe, umzusetzen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für Anwendungen,
wie z. B. Kryopumpen, wo die kontinuierliche unidirektionale Strömung des
Fluids den Effekt der Wärmeübertragung
zwischen dem Fluid innerhalb des Kolbenmotors und der Tieftemperaturvorrichtung
reduziert.
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Hintergrund
der Erfindung
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Herkömmliche
doppeltwirkende Kolbenmotoren verwenden einen differentiellen Fluiddruck,
der auf einen Kolben ausgeübt
wird, um eine Hubbewegung des Kolbens innerhalb eines Motorzylinders hervorzurufen.
Kammern auf jeder Seite des Kolbens sind mit entsprechenden Fluideinlässen und
-auslässen
ausgestattet, die durch externe Ventile kontrolliert werden.
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Der
Kolben bewegt sich, um das Volumen einer ersten Kammer durch Öffnen des
Einlassventils und Verschließen
des Auslassventils, die der ersten Kammer zugeordnet sind, zu expandieren,
während auf
der gegenüberliegenden
Seitedes Kolbens das Einlassventil geschlossen wird und das Auslassventil geöffnet wird,
die der zweiten Kammer zugeordnet sind. Hochdruckfluid tritt durch
das offene Einlassventil in die erste Kammer ein, während aus
der zweiten Kammer durch das offene Auslassventil Fluid abgeleitet
wird.
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Um
den Kolben in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen, werden
die Ventileinstellungen umgekehrt, so dass Hochdruckfluid die zweite Kammer
füllt und
Fluid aus der ersten Kammer abgeleitet wird.
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Dieser
Typ von Kolbenmotor ist als "doppeltwirkender" Motor bekannt, da
Fluiddruck verwendet wird, um den Kolben in beide Richtungen zu
bewegen, wobei das Pleuel, das sich ausgehend vom Kolbenmotor erstreckt,
mechanische Arbeit verrichten kann, wenn es in beide Richtungen
bewegt wird. Ein doppeltwirkender Kolbenmotor ist notwendig, um eine
doppeltwirkende Kryopumpe anzutreiben, die dafür ausgelegt ist, mit jedem
Kolbenhub ein Kältemittel
zu komprimieren. Das heißt,
der Pumpenkolben komprimiert das Kältemittel in beiden Richtungen.
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Für Tieftemperaturanwendungen
ist das Fluid typischerweise eine Flüssigkeit, wie z. B. ein Hydrauliköl, das nahezu
inkompressibel ist und ferner dazu beiträgt, den Kolben und den Zylinder
zu schmieren. Ein besonderes Problem bei bekannten doppeltwirkenden
Kolbenmotoren, die verwendet werden, um Kryopumpen anzutreiben,
besteht darin, dass die Möglichkeit
besteht, dass die Flüssigkeit
innerhalb des Motorzylinders nahe der Kryopumpe gefrieren kann.
Das Problem wird verschlimmert, wenn die gleiche Flüssigkeit
wiederholt zur "kalten" Seite des Kolbenmotors
zurückgeführt wird,
ohne zum Fluidvorrat oder zur "warmen" Seite des Motors,
die weiter von der Kryopumpe entfernt ist, zurückgeleitet zu werden. Es ist
typischerweise eine Wärmeisolation vorgesehen,
um die Flüssigkeit
von der Kühlwirkung der
Kryopumpe abzuschirmen. Die Wärmeisolation, die
zwischen der Kryopumpe und dem Kolbenmotor eingesetzt ist, erhöht jedoch
das Gewicht, die Sperrigkeit und die Gesamtlänge der Pumpen- und Motorbaueinheit.
Ferner ist es schwierig, die Wärmeübertragung
vollständig
zu eliminieren, da die Pleuelanordnung als Wärmeleiter zwischen dem Kolbenmotor und
der Tieftemperaturvorrichtung wirkt.
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Wenn
die Antriebsflüssigkeit
gekühlt
wird, so dass sie innerhalb des Kolbenmotorzylinders gefriert, kann
eine ernsthafte Beschädigung
des Motors und/oder des Pleuels hervorgerufen werden.
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Das
britische Patent Nr. 1.144.268, Paschke, veröffentlicht am 5. März 1969,
offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Hubbewegung mittels eines
Druckmediums. Die Vorrichtung enthält einen Doppelzylinder, in
welchem ein Differentialkolben montiert ist, der mit einem Pleuel
verbunden ist, das aus dem Zylinder ragt, und ist mit einem Rückkehrkanal
versehen, der mit einem Punkt außerhalb des Zylinders in Verbindung
steht. Der Kolben ist mit einem ersten Kanal versehen, der die zwei
Arbeitsflächen des
Kolbens verbindet, sowie einem zweiten Kanal, der die größere Arbeitsfläche des
Kolbens mit dem Rückkehrkanal
verbindet, und einem Umkehrventil, das das Ende des ersten Kanals
steuert, das sich in der kleinere Arbeitsfläche des Kolbens befindet, sowie
das Ende des zweiten Kanals, das sich in der größeren Arbeitsfläche des
Kolbens befindet, und ist für
eine Axialbewegung im Kolben montiert. Die Vorrichtung enthält ein elastisches
Anschlagmittel zum axialen Verschieben des Ventils, wenn der Kolben seine
Endpositionen im Zylinder erreicht, um somit abwechselnd das Ende
des einen Kanals zu öffnen und
das Ende des anderen Kanals zu schließen, wobei das Ventil durch
den Druck in der jeweiligen Kammer des Zylinders in Stellung gehalten
wird, bis die andere Endposition des Kolbens erreicht ist. Eine Verbindung
zum Arbeitsfluiddruckmedium ist an dem Ende des Zylinders vorgesehen,
das Teil derjenigen Zylinderkammer ist, die die kleinere Arbeitsfläche des
Kolbens enthält,
wobei das Umkehrventil so federbelastet ist, dass es eine Arbeitsposition
einnimmt, wenn sich die Vorrichtung nicht in Betrieb befindet, wobei
in dieser Arbeitsposition der eine oder der andere der Kanäle geschlossen
ist.
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Überblick über die
Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdruck-Kolbenmotor
mit einem unidirektionalen Fluidströmungspfad für Anwendungen, die einen doppeltwirkenden
Motor verwenden, zu schaffen. Eine besonders geeignete Anwendung dient
zum Antreiben einer Kryopumpe, da der unidirektionale Strömungspfad
dazu beiträgt,
die Effekte der Wärmeübertragung
zwischen der Kryopumpe und dem Kolbenmotor zu reduzieren. Mit einem
unidirektionalen Strömungspfad
strömt
das Fluid durch den Kolbenmotor in einer Richtung, und strömt z. B. von
einer Hochdruckfluidzuführung
zum Kolbenzylinder auf einer ersten Seite des Motorkolbens und anschließend zu
einer zweiten Seite des Motorkolbens (der ersten Seite gegenüberliegend).
Das Fluid wird schließlich
aus der zweiten Seite des Motorkolbens abgeführt und zu einem Vorratsbehälter zurückgeführt.
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Es
wird ein doppeltwirkender Kolbenmotor mit einem unidirektionalen
Strömungspfad
geschaffen, der umfasst: ein Gehäuse
mit einem Hohlzylinder, der zwischen einem Zylinderkopf und einer
Zylinderbasis angeordnet ist, einen Kolben, der innerhalb des Zylinders
zwischen dem Zylinderkopf und der Zylinderbasis angeordnet ist,
wobei der Kolben eine erste Druckoberfläche und eine zweite Druckoberfläche, die
der ersten Druckoberfläche
gegenüberliegt und
größer ist
als diese, aufweist; ein Pleuel, das dem Kolben operativ zugeordnet
ist und sich vom Kolben durch die Zylinderbasis erstreckt; einen
Fluideinlass zum Leiten von Fluid zu einer ersten Kammer innerhalb
des Zylinders, wobei die erste Kammer der ersten Oberfläche zugeordnet
ist; einen Fluidauslass zum Ableiten von Fluid aus einer zweiten
Kammer innerhalb des Zylinders, wobei die zweite Kammer der zweiten
Oberfläche
zugeordnet ist, einen Fluiddurchlass, der innerhalb des Kolbens
angeordnet ist und fluidmäßig die
erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindet, ein Durchlassventil
zum selektiven Öffnen
und Verschließen
des Fluiddurchlasses; und ein Auslassventil, das geöffnet werden
kann, um Fluid aus dem Auslass abzuleiten, wenn sich das Durchlassventil
in der geschlossenen Position befindet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Fluid eine Flüssigkeit
und der Kolbenmotor dient zum Antreiben einer doppeltwirkenden Kryopumpe.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Durchlassventil einen beweglichen Tauchkolben, der innerhalb
einer Bohrung angeordnet ist, die im Körper des Durchlassventils ausgebildet
ist, wobei: die Bohrung eine Längsachse
aufweist, die parallel zur Längsachse
des Zylinders ist; der Tauchkolben beweglich ist, um innerhalb der
Bohrung zu pendeln; und das Durchlassventil durch ein Ende des Tauchkolbens,
das eine Oberfläche
des Gehäuses
berührt, wenn
sich der Kolben entweder der Zylinderbasis oder dem Zylinderkopf
nähert,
betätigt
wird, um zwischen offenen und geschlossenen Stellungen umzuschalten.
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Das
Auslassventil kann z. B. einen Tauchkolben umfassen, der innerhalb
einer im Auslassventil vorgesehenen Bohrung beweglich ist, wobei
der Tauchkolben eine Dichtungsoberfläche aufweist, die gegen einen
Ventilsitz gedrückt
werden kann, um das Auslassventil zu schließen, und vom Sitz abgehoben werden
kann, um das Auslassventil zu öffnen.
Der Tauchkolben kann ferner einen Ventilschaft umfassen, der daran
angebracht ist, um das Auslassventil zu betätigen. Das Auslassventil wird
durch einen Kontakt zwischen dem Kolben und dem Ventilschaft automatisch
betätigt,
wenn der Kolben entweder den Zylinderkopf oder die Zylinderbasis
erreicht.
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Ein
Ende des am Auslassventiltauchkolben angebrachten Ventilschafts
kann innerhalb eines im Kolben ausgebildeten Bohrloches angeordnet
sein. Bei einer solchen Anordnung umfasst der Kolben ferner eine
Betätigungsplatte,
die einen vergrößerten Endabschnitt
des Ventilschafts berührt,
um den Tauchkolben vom Ventilsitz abzuheben, wenn sich der Kolben
der Zylinderbasis nähert.
Die Tauchkolbendichtungsoberfläche
kann mittels des Kolbens, der den Ventilschaft über dem Tauchkolben berührt, gegen
den Ventilsitz gedrückt
werden. Wenn sich z. B. der Kolben dem Zylinderkopf nähert, kann
der Kolben den Ventilschaft oder den Tauchkolben direkt berühren und
den Tauchkolben in die aufgesetzte Position schieben. In einer weiteren
Anordnung kann der Boden des Bohrloches dann, wenn sich der Kolben dem
Zylinderkopf nähert,
das Ende des innerhalb des Bohrloches angeordneten Ventilschafts
berühren und
somit den Tauchkolben in die aufgesetzte Stellung drücken.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind das Durchlassventil und das Auslassventil in einer integrierten
Ventilanordnung kombiniert. Zum Beispiel kann eine integrierte Ventilanordnung
umfassen: einen rohrförmigen
Ventilkörper,
der in fester Beziehung dem Zylinderkopf zugeordnet ist; einen rohrförmigen Tauchkolben
der innerhalb des rohrförmigen
Ventilkörpers
angeordnet ist, wobei ein geschlossenes Ende dem Zylinderkopf zugewandt
ist und ein offenes Ende fluidmäßig mit
der ersten Kammer verbunden ist, wobei der rohrförmige Tauchkolben innerhalb
des Ventilkörpers
beweglich ist; eine Feder zum Drücken
des rohrförmigen
Tauchkolbens zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position,
wobei die Feder den rohrförmigen
Tauchkolben in die erste Position drängt, wenn sich der Kolben der
Zylinderbasis nähert,
und in die zweite Position drängt,
wenn sich der Kolben dem Zylinderkopf nähert; wobei dann, wenn sich
der rohrförmige Tauchkolben
in der ersten Position befindet, im rohrförmigen Ventilkörper ausgebildete Öffnungen
dem Fluid erlauben, aus der zweiten Kammer durch eine Auslassöffnung abzufließen, wobei
im rohrförmigen Tauchkolben
ausgebildete Öffnungen
durch einen Abschnitt der Innenwand des rohrförmigen Ventilkörpers abgedeckt
werden, und wobei dann, wenn sich der rohrförmige Tauchkolben in der zweiten
Position befindet, die Öffnungen
des Ventilkörpers
und die Tauchkolbenöffnungen
ausgerichtet sind, wodurch das Fluid von der ersten Kammer durch
das Innere des rohrförmigen
Tauchkolbens und durch die ausgerichteten Öffnungen in die zweite Kammer
strömen kann,
wobei das geschlossene Ende des Tauchkolbens das Fluid daran hindert,
aus der zweiten Kammer durch den Auslass herauszuströmen.
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Ferner
wird ein Verfahren zum Betreiben eines doppeltwirkenden Kolbenmotors
geschaffen, der einen beweglichen Kolben, der innerhalb eines Zylinders
zwischen einem Zylinderkopf und einer Zylinderbasis angeordnet ist,
umfasst. Der Motor umfasst eine erste Kammer mit variablem Volumen,
die zwischen einer Zylinderbasis und einer ersten Kolbendruckoberfläche ausgebildet
ist, sowie eine zweite Kammer mit variablem Volumen, die zwischen
dem Zylinderkopf und einer zweiten Kolbendruckoberfläche ausgebildet
ist. Die zweite Kolbendruckoberfläche ist größer als die erste Kolbendruckoberfläche. Ein
Durchlassventil ist so betreibbar, dass es einem Fluid erlaubt,
von der ersten Kammer zur zweiten Kammer zu strömen. Ein Auslassventil ist
so betreibbar, dass es Fluid aus der zweiten Kammer ableitet. Das
Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung umfasst: Einleiten
des Fluids durch eine Einlassöffnung
in die erste Kammer, um eine Hubbewegung des Kolbens hervorzurufen;
Schließen
des Durchlassventils und Öffnen
des Auslassventils, wenn der Kolben die Zylinderbasis erreicht,
so dass der Fluiddruck innerhalb der ersten Kammer den Kolben veranlasst,
sich in Richtung zum Zylinderkopf zu bewegen, während das Fluid aus der zweiten
Kammer durch das Auslassventil abgeleitet wird; Öffnen des Durchlassventils
und Schließen
des Auslassventils, wenn sich der Kolben dem Zylinderkopf nähert, so
dass der Fluiddruck innerhalb der zweiten Kammer den Kolben veranlasst,
sich in Richtung zur Zylinderbasis zu bewegen.
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In
einem bevorzugten Verfahren ist das Fluid, das zum Ausüben von
Druck auf den Kolben verwendet wird, eine Flüssigkeit. Das Verfahren umfasst ferner
vorzugsweise das Einleiten des Fluids durch die Einlassöffnung,
die in der Zylinderbasis ausgebildet ist, und das Ableiten des Fluids
durch das Auslassventil, das eine Auslassöffnung umfasst, die im Zylinderkopf
ausgebildet ist. Bei einer solchen Anordnung tritt das Fluid an
einem Ende des Motors ein und verlässt den Motor am gegenüberliegenden
Ende. Dies ist ein Vorteil, wenn es wünschenswert ist, den Strömungspfad
des Fluids zu vereinfachen, und wenn es wünschenswert ist, die Wärmeübertragung zwischen
dem Fluid und der vom Motor angetriebenen Vorrichtung zu reduzieren.
Zum Beispiel ist die Wärmeübertragung
ein wichtiger Gesichtspunkt, wenn der Motor mit einer Kryopumpe
gekoppelt ist, um einen pendelnden Pumpenkolben anzutreiben.
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Ein
weiterer Vorteil des vorliegenden Motors ist, dass er eine Anordnung
bietet, die die Anzahl externer Verbindungen und Ventile zum Betreiben
des Motors im Vergleich zu herkömmlichen
doppeltwirkenden Referenzkolbenmotoren reduziert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung und ihre Betriebsmodi mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert,
in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts einer Ausführungsform
eines Kolbenmotors mit unidirektionaler Fluidströmung ist;
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2 und 3 schematische
Darstellungen des Kolbenmotors der 1 sind,
die zeigen, wie das Fluid innerhalb des Motors strömt, um eine Hubbewegung
hervorzurufen;
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4-7 Schnittansichten
sind, die eine physikalische Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform
des Kolbenmotors zeigen, die zeigt, wie das Fluid durch den Motor
bei verschiedenen Phasen des Motorzyklus strömt; und
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8 eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
des Kolbenmotors ist, der mit einer Kryo-Kolbenpumpe zum Antreiben eines doppeltwirkenden
Pumpenkolbens verbunden ist.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform(en)
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Während der
gesamten folgenden Beschreibung werden spezifische Einzelheiten
dargelegt, um für
ein vollständigeres
Verständnis
der Erfindung zu sorgen. Die Erfindung kann jedoch ohne diese Besonderheiten
verwirklicht werden. An anderen Stellen sind wohlbekannte Elemente
nicht gezeigt oder genauer beschrieben worden, um eine unnötige Verschleierung
der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Dementsprechend sind die
Beschreibung und die Zeichnungen in einem erläuternden Sinn und nicht in
einem einschränkenden
Sinn aufzufassen.
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In
den beigefügten
Zeichnungen zeigt 1 eine Motorvorrichtung 10,
die eine Zylinderanordnung 12 umfasst, die fixiert ist
und so gestaltet ist, dass sie stationär ist, sowie eine Kolbenanordnung 14,
die einen Kolben 16 umfasst, der genau in den Innendurchmesser
der Zylinderanordnung 12 passt. Der Kolben 16 teilt
das Volumen im Inneren der Zylinderanordnung 12 in zwei
Kammern mit veränderlichem
Volumen.
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Die
Zylinderanordnung 12 ist an einem Ende durch den Zylinderkopf 18 und
am gegenüberliegenden
Ende durch die Zylinderbasis 20 begrenzt. Ein Auslassventil 22 ist
im Zylinderkopf 18 angeordnet, während ein Einlassventil 24 in
der Zylinderbasis 20 vorgesehen ist. Der Kolben 16 umfasst
ein Durchlassventil 26 zum Kontrollieren der Strömung des Fluids
von der ersten Kammer 28 zur zweiten Kammer 30.
Das Volumen der ersten Kammer 28 und der zweiten Kammer 30 ist
jeweils veränderlich,
da die Kolbenanordnung 14 beweglich ist, so dass der Kolben 16 zwischen
dem Zylinderkopf 18 und der Zylinderbasis 20 wandern
kann.
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Der
Kolben 16 besitzt eine Kantenoberfläche, die genau in die Innenwände der
Zylinderanordnung 12 passt. Der Kolben 16 umfasst
ferner eine Hauptdruckoberfläche 32,
die dem Zylinderkopf 18 zugewandt ist, und die eine größere Fläche als
eine Nebendruckoberfläche 34 aufweist,
die der Zylinderbasis 20 zugewandt ist. Die Nebendruckoberfläche 34 weist
eine kleinere Fläche
auf, da der Kolbenschaft einen Teil ihrer Fläche beansprucht.
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Nach
der Beschreibung der Strukturmerkmale, die dem Motor 10 zugeordnet
sind, wird nun mit Bezug auf die 2 und 3 die
Grundfunktion dieser Vorrichtung offenbart. Wenn der Motor 10 in Betrieb
ist, wird unter Druck gesetztes Gas kontinuierlich und störungsfrei
durch die Einlassöffnung 24 zugeführt. Das
Fluid wird somit anfangs direkt in die erste Kammer 28 geleitet.
Wenn sich der Kolben 16 in Richtung zur Zylinderbasis 20 bewegt,
wie in 2 gezeigt ist, ist das Durchlassventil 26 offen
und das Fluid strömt
aus der ersten Kammer 28 in die zweite Kammer 30.
Das Auslassventil 22 ist geschlossen. Da die Fläche der
Hauptdruckoberfläche 32 größer ist
als die Fläche
der Nebendruckoberfläche 34,
wird eine Differenzfluiddruckkraft auf den Kolben 16 ausgeübt, was
die Kolbenanordnung 14 veranlasst, sich in Richtung der
Zylinderbasis 20 zu bewegen. Die Kolbenanordnung 14 setzt
die Bewegung in dieser Richtung fort, bis sich die Nebendruckoberfläche 34 der
Zylinderbasis 20 nähert.
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Die
Bewegung der Kolbenanordnung 14 wird durch Verschließen des
Durchlassventils 26 und Öffnen des Auslassventils 20 umgekehrt,
wie in 3 schematisch gezeigt ist. Unter Druck gesetztes
Fluid strömt
weiterhin in die erste Kammer 28, nur dass nun das Durchlassventil 26 geschlossen
ist, um das neu eingeleitete Fluid in der ersten Kammer einzudämmen. Das
unter Druck gesetzte Fluid wirkt auf die Nebendruckoberfläche 34,
um die Kolbenanordnung 14 in Richtung zum Zylinderkopf 18 zu
drücken.
Das Fluid aus der zweiten Kammer 30 wird durch das offene
Auslassventil 22 abgeleitet, wenn die Kolbenanordnung 14 in
Richtung zum Zylinderkopf 18 vorrückt. Wenn sich die Hauptdruckoberfläche 32 dem
Zylinderkopf 18 nähert,
schließt
das Auslassventil 22 und das Durchlassventil 26 öffnet, wobei
sich die Bewegung der Kolbenanordnung 14 umkehrt, um den nächsten Zyklus
zu beginnen.
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Der
Kolbenmotor 10 arbeitet somit als ein doppeltwirkender
Motor, der den Fluiddruck und eine unidirektionale Fluidströmung verwendet,
um die Kolbenanordnung 14 in einer Pendelbewegung zu bewegen.
Das durch das Auslassventil 22 abgeleitete Fluid kann zu
einem (nicht gezeigten) Fluidvorratsbehälter in einem Kreislaufsystem
zurückgeführt werden.
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Wie
in den 4-7 gezeigt ist, die eine bevorzugte
physikalische Anordnung darstellen, umfasst der Kolbenmotor 100 eine
Zylinderanordnung 112, eine Kolbenanordnung 114,
einen Kolben 116, einen Zylinderkopf 118, eine
Zylinderbasis 120, eine Einlassöffnung 124, eine erste
Kammer 128, eine zweite Kammer 130, eine Hauptdruckoberfläche 132 und
eine Nebendruckoberfläche 134,
die in der gleichen Weise funktionieren wie die ähnlich bezeichneten Komponenten,
die mit Bezug auf die 1-3 beschrieben
worden sind.
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Die
Konstruktion der Zylinderanordnung 112 ist typisch für herkömmliche
Kolbenmotoren. Ein zylindrischer Körper 140 mit einer
Zylinderbohrung ist zwischen zwei Stirnplatten angeordnet, nämlich dem Zylinderkopf 118 und
der Zylinderbasis 120. Zugstangen 142 sind um
den Umfang der Zylinderanordnung 112 angeordnet und erstrecken
sich zwischen der Zylinderbasis 120 und dem Zylinderkopf 118,
um die Zylinderanordnung 112 zusammenzuhalten. Die Zugstangen 142 können mit
der Zylinderbasis 120 verschweißt sein, wie in 4 gezeigt
ist. Muttern 144 und Federscheiben 146 halten
den Zylinderkopf 118 am Zylinderkörper 140. Statische
Dichtungen, wie z. B. O-Ringe 148, tragen dazu bei, für eine Abdichtung zwischen
dem zylindrischen Körper 140 und
den Stirnplatten zu sorgen. Die Zylinderbasis 120 umfasst
Dichtungen zur Abdichtung zwischen einer Basisöffnung und der beweglichen
Kolbenanordnung 114, die sich durch diese erstreckt. Wie
in der dargestellten Ausführungsform
gezeigt ist, können
die Dichtungen eine Kombination von Dichtungseinrichtungen umfassen,
wie z. B. eine Presspassungsdichtung 150 und ein O-Ring-Dichtung 154.
Eine Öffnung 152 stellt
ein Mittel zum Erfassen einer Undichtigkeit durch entweder die Dichtung 150 oder
den O-Ring 154 zur Verfügung.
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Die 4-7 zeigen
aufeinanderfolgende Positionen der Kolbenanordnung 114,
die zeigen, wie die federbelastete Ventilanordnung 160 arbeitet, um
die unidirektionale Strömung
des Fluids durch den Motor 100 zu steuern.
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Die
federbelastete Ventilanordnung 160 umfasst eine Feder 162,
eine beweglichen Tauchkolben 164, einen stationären Ventilkörper 166 (der
am Zylinderkopf 118 angebracht ist) und (nicht gezeigte) erste
und zweite lösbare
Halter, die den Tauchkolben 164 in einer von zwei diskreten
Positionen halten. Die Feder 162 ist am Tauchkolben 164 und
an der Kolbenanordnung 114 so angebracht, dass sie eine
Federkraft auf den Tauchkolben 164 ausüben kann, wenn die Feder 162 entweder
komprimiert oder gedehnt wird. Wenn sich der Kolben 116 entweder
dem Zylinderkopf 118 oder der Zylinderbasis 120 nähert, wird
der entsprechende Halter gelöst
und die Feder 162 veranlasst den Kolben 164, sich
von einer Position in die andere Position zu bewegen, wo er vom anderen
Halter gehalten wird.
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Wenn
sich die Tauchkolben 164 in der in den 4 und 7 gezeigten
Position befindet, ist die Ventilanordnung 160 in einer "Rückzugs"-Konfiguration konfiguriert. In der
Rückzugskonfiguration
wird die Strömung
des Fluids so gesteuert, dass sich die Kolbenanordnung 114 in
Richtung zum Zylinderkopf 118 bewegt. Das heißt, wenn
sich die Ventilanordnung 160 in der Rückzugskonfiguration befindet,
veranlasst der Fluiddruck die Kolbenanordnung 114, sich
in den Körper
des Kolbenmotors 100 zurückzuziehen. In der Rückzugskonfiguration
ist das unter Druck gesetzte Fluid, das durch die Einlassöffnung 124 eintritt,
im Inneren der ersten Kammer 128 eingeschlossen, wobei
das Fluid innerhalb der zweiten Kammer 130 durch das Auslassventil 168 über Öffnungen 170 ausströmt. Die Öffnungen 170 sind
im Ventilkörper 166 ausgebildet.
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Wenn
sich der Tauchkolben 164 in der in den 5 und 6 gezeigten
Position befindet, ist die Ventilanordnung 160 in einer
Ausfahrkonfiguration konfiguriert. In der Ausfahrkonfiguration wird
die Strömung
des Fluids so gesteuert, dass die Kolbenanordnung 114 sich
in Richtung zur Zylinderbasis 120 bewegt. Das heißt, wenn
sich die Ventilanordnung 160 in der Ausfahrkonfiguration
befindet, veranlasst der Fluiddruck die Kolbenanordnung 114,
aus dem Körper
des Kolbenmotors 100 auszufahren. Wenn sich die Ventilanordnung 160 in
der Ausfahrkonfiguration befindet, sind Öffnungen 172, die
im Tauchkolben 164 ausgebildet sind, auf die Öffnungen 170 ausgerichtet.
Das Ausrichten der Öffnungen 170 und 172 erlaubt
dem unter Druck gesetzten Fluid, durch den hohlen Tauchkolben 164 und
aus der ersten Kammer 128 in die zweite Kammer 130 zu
strömen.
Das verschlossene Ende des Tauchkolbens 164 hindert das Fluid
daran, durch den Ventilauslass 168 abzufließen.
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Im
Folgenden wird auf die 4-7 Bezug
genommen. Wie oben beschrieben worden ist, befindet sich in 4 die
Ventilanordnung 160 in der Rückzugskonfiguration, was bedeutet,
dass sich die Kolbenanordnung 114 in Richtung zum Zylinderkopf 118 bewegt
und der Tauchkolben 164 in der in 4 gezeigten
Position mittels des ersten Halters verriegelt ist. Im Wesentlichen
das gesamte Fluid in der zweiten Kammer 130 wurde über die Öffnungen 170 durch
den Ventilauslass 168 abgeleitet. Die erste Kammer 128 ist
mit Hochdruckfluid gefüllt
und die Feder 162 ist komprimiert. Wenn sich die Kolbenanordnung 115 dem
Zylinderkopf 118 nähert,
wie in 4 gezeigt ist, wird der erste Halter freigegeben,
um der Federkraft und dem Fluiddruck zu erlauben, den Tauchkolben 164 so
wegzudrücken,
dass er sich innerhalb des Ventilkörpers 166 in Richtung
zum Ventilauslass 168 zu der in 5 gezeigten
Position bewegt.
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5 zeigt,
wie sich der Tauchkolben 164 relativ zum Ventilkörper 166 gegenüber der
Position des Tauchkolbens 164, die er vorher belegt hat
und die in 4 gezeigt ist, bewegt hat. In 5 befindet sich
die Ventilanordnung 160 in der Ausfahrkonfiguration, wobei
die Öffnungen 170 und 172 aufeinander ausgerichtet
sind. Unter Druck gesetztes Fluid in der ersten Kammer 128 kann
beginnen, durch den hohlen Tauchkolben 164 in die zweite
Kammer 130 zu strömen,
um die Bewegung der Kolbenanordnung 114 umzukehren, so
dass sie beginnt, sich in Richtung zur Zylinderbasis 120 zu
bewegen. 5 zeigt, wie die Bewegung des
Tauchkolbens 164 weg von der Zylinderbasis 120 zum
Aufheben eines Teils der Federkraft geführt hat, da im Vergleich zur 4 die Feder 162 nicht
so stark komprimiert ist. Der zweite Halter gelangt in Eingriff,
um die Ventilanordnung 160 in der Ausfahrkonfiguration
zu verriegeln und eine Bewegung des Tauchkolbens 164 während des
Verlängerungshubes
zu verhindern.
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Mit
der Ventilanordnung 160 in der Ausfahrkonfiguration bewegt
sich die Kolbenanordnung 115 der 5 in Richtung
des Pfeils 180, bis sie sich der Zylinderbasis 120 nähert, wie
in 6 gezeigt ist. In 6 ist die
Ventilanordnung 160 immer noch in der Ausfahrkonfiguration
mittels des zweiten Halters verriegelt, wobei jedoch dann, wenn
sich die Kolbenanordnung 114 der Zylinderbasis 120 nähert, der
zweite Halter gelöst
wird, was der Feder 162 erlaubt, den Tauchkolben 164 in
die in 7 gezeigte Position zu ziehen.
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In 7 ist
die Ventilanordnung 160 in die Rückzugskonfiguration zurückgekehrt
und der erste Halter ist erneut in Eingriff, um den Tauchkolben 164 in
der gezeigten Position zu verriegeln. In der Rückzugskonfiguration entweicht
Fluid aus der zweiten Kammer 130 durch die Öffnungen 170,
während
unter Druck gesetztes Fluid, das durch die Einlassöffnung 124 in
die erste Kammer 128 geleitet worden ist, auf den Kolben 116 einwirkt,
um die Kolbenanordnung 114 in Richtung zum Zylinderkopf 118 (in
Richtung des Pfeils 182) zu drücken. Die Kolbenanordnung 114 setzt
ihre Bewegung in dieser Richtung fort, bis sie sich dem Zylinderkopf 118 nähert, wie
in 4 gezeigt ist. Der Zyklus wiederholt sich, solange
der Motor betrieben wird, wobei Fluid durch den Einlassanschluss 124 zugeführt wird.
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Ein
Vorteil der Ausführungsform
der 4-7 ist, dass die Ventilanordnung 116,
da sie das Durchlassventil und das Auslassventil integriert, so
arbeitet, dass die Stellung der Ventilöffnungen 170 und 172 gleichzeitig
umschaltet. Wenn folglich die Ventilanordnung 160 zur Ausfahrposition
umschaltet (5), wird der Durchlass gleichzeitig
mit dem Verschließen
des Auslassdurchlasses geöffnet.
Wenn die Ventilanordnung 160 zur Rückzugsposition umschaltet (7),
wird in ähnlicher
Weise der Fluidpfad zum Ventilauslass 168 gleichzeitig
mit dem Verschließen
des Durchlassfluiddurchlasses geöffnet. Diese
Anordnung erübrigt
die Notwendigkeit zum Sicherstellen einer gleichzeitigen Operation
der separaten Durchlass- und Auslassventile.
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8 zeigt
ein Beispiel einer von vielen vorteilhaften Anwendungen für die vorliegende
Vorrichtung. In 8 ist ein Kolbenmotor 200 mit
einer Kryopumpe 202 gekoppelt gezeigt. Eine Kryopumpe,
die von Gram u. a. entwickelt und im US-Patent Nr. 5.884.488 beschrieben
worden ist, ist hiermit in die vorliegende Beschreibung durch Literaturhinweis einge fügt. Eine
solche Pumpe ist z. B. zum Pumpen von Flüssigerdgas (LNG = Liquid Natural
Gas) geeignet.
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Der
Kolbenmotor 200 umfasst eine Zylinderanordnung 212,
eine Kolbenanordnung 214, einen Kolben 216, einen
Zylinderkopf 218, eine Zylinderbasis 220, ein
Auslassventil 222, eine Einlassöffnung 224, ein Durchlassventil 226,
eine erste Kammer 228, eine zweite Kammer 230,
eine Hauptdruckoberfläche 232 und
eine Nebendruckoberfläche 234,
die in der gleichen Weise funktionieren wie die ähnlich bezeichneten Komponenten,
die mit Bezug auf den in den 1-3 gezeigten
Kolbenmotor 10 beschrieben worden sind. Der Kolbenmotor 200 umfasst
ferner viele Komponenten, die den Komponenten des Kolbenmotors 100 der 4-7 ähneln, wobei
der Kürze
halber diese Komponenten mit Bezug auf den Kolbenmotor 200 nicht
erneut beschrieben werden.
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Der
Kolbenmotor 200 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Ventilanordnung
zum Steuern der unidirektionalen Strömung von Fluid von der Einlassöffnung 224 zur
Auslassöffnung 223.
In 8 ist der Kolbenmotor 200 mit den Ventilen
in der Position zum Ausfahren der Kolbenanordnung 214 aus
der Zylinderanordnung 212 (d. h. in Richtung der Zylinderbasis 220 und
der Kryopumpe 202) gezeigt. Das Durchlassventil 226 befindet
sich in der geöffneten
Stellung, was dem Fluid erlaubt, aus der ersten Kammer 228 zur
zweiten Kammer 230 zu strömen. Das Auslassventil 222 befindet
sich in der geschlossenen Stellung, was dem Fluiddruck erlaubt,
sich in der zweiten Kammer 230 aufzubauen, um eine Differenzfluiddruckkraft
für den
Ausfahrhub zur Verfügung
zu stellen. Wenn sich der Kolben 216 der Zylinderbasis 220 nähert, kehren
sich die Positionen der Ventile um, so dass das Durchlassventil 226 geschlossen
ist und das Auslassventil 222 offen ist. Dementsprechend
arbeitet der Kolbenmotor 200 in einer Weise ähnlich den
anderen Ausführungsformen,
indem er einen unidirektionalen Fluidströmungspfad mit nur zwei Ventilmechanismen
verwendet.
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Das
Auslassventil 222 umfasst den Tauchkolben 240,
der mit einem im Zylinderkopf 218 vorgesehenen Sitz zusammenarbeitet,
wenn das Auslassventil 222 sich in der geschlossenen Position
befindet, wie in 8 gezeigt ist. Der Schaft 242 erstreckt sich
vom Tauchkolben 240 in das Bohrloch 244, das in
der Kolbenanordnung 214 ausgebildet ist. Wenn sich der
Kolben 216 der Zylinderbasis 220 nähert, wirkt
die Betätigungsplatte 246 auf
den Schaftkopf 248 ein, um das Auslassventil 222 durch
Ziehen des Tauchkolbens 240 vom Ventilsitz weg in die geöffnete Stellung
zu schalten. Wenn der Kolben 216 sich in der entgegengesetzten
Richtung bewegt, während
er sich dem Zylinderkopf 218 nähert, wirkt der Boden des Bohrloches 244 auf
den Schaftkopf 248 ein und verschließt das Auslassventil 222 durch
Drängen
des Tauchkolbens 240 gegen den Ventilsitz. In der Alternative
kann die Schießkraft
durch einen Abschnitt der Hauptdruckoberfläche 232 ausgeübt werden,
die sich gegen eine Oberfläche
des Schafts 242 oder des Kolbens 240 abstützt.
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Das
Durchlassventil 226 umfasst einen Tauchkolben 227,
der sich durch eine innerhalb des Körpers des Durchlassventils 226 ausgebildete
Bohrung erstreckt. Der Tauchkolben 227 pendelt innerhalb
der Bohrung, um das Durchlassventil 226 von einer offenen
Stellung in eine geschlossene Stellung umzuschalten. In der in 8 gezeigten
Ausführungsform
erstreckt sich der Tauchkolben 227 von wenigstens einer
der Oberflächen
des Kolbens 216. In 8 befindet
sich das Durchlassventil 226 in der offenen Stellung, wobei
dann, wenn sich der Kolben 216 der Zylinderbasis 220 nähert, das
ausgefahrene Ende des Tauchkolbens 227 die Zylinderbasis 220 berührt und
in den Körper
des Durchlassventils 226 gedrückt wird, um das Durchlassventil 226 in
die geschlossene Stellung zu schalten. Wenn sich das Durchlassventil 226 in
der geschlossenen Stellung befindet, baut sich ein Fluiddruck in
der ersten Kammer 228 auf, um die Kolbenanordnung 214 in
Richtung zum Zylinderkopf 218 zu drängen. In diesem Abschnitt des
Zyklus (Rückzugshub)
erstreckt sich der Tauchkolben 227 von der Hauptdruckoberfläche 230, so
dass das ausgefahrene Ende des Tauchkolbens 227 den Zylinderkopf 218 berührt, wenn
sich der Kolben 216 dem Zylinderkopf 218 am Ende
des Rückzugshubs
nähert.
Das Durchlassventil 226 ist vorzugsweise mit elastischen
Haltern zum Verriegeln des Ventils in der geöffneten oder der geschlossenen Stellung
federbelastet. In der bevorzugten Ausführungsform löst der Kontakt
zwischen dem Tauchkolben 227 und einer der Stirnplatten
einen ersten lösbaren
Halter und schaltet das Ventil in die andere Stellung um, wo es
in dieser Position durch den zweiten lösbaren Halter verriegelt wird.
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Der
pendelnde Schaft 250 erstreckt sich zwischen den Kolbenmotor 200 und
der Kryopumpe 202. Der Schaft 250 überträgt die Antriebskraft
vom Kolbenmotor 200 auf die Pumpkolben 252 und 253. Der
Schaft 250 ist an der Kolbenanordnung 214 durch
eine isolierte Kupplung 254 angebracht, wobei der unidirektionale
Fluidströmungspfad
durch den Motor 200 dazu beiträgt, die Effekte der Wärmeübertragung
zwischen der Kryopumpe 202 und dem Fluid zu reduzieren.
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Die
vorliegende Vorrichtung und das Verfahren bieten bestimmte Vorteile
für Tieftemperaturanwendungen,
wo der unidirektionale Fluidströmungspfad
den Effekt der Wärmeübertragung
zwischen der Tieftemperaturvorrichtung und dem Fluid innerhalb des
Kolbenmotors reduziert. Die Vorrichtung kann jedoch auch für andere
Anwendungen verwendet werden die von der einfachen Zwei-Ventil-Steuerung
der Fluidströmung
innerhalb des Motors und der reduzierten Anzahl von Verbindungen
und zugehöriger Rohrleitungen,
die herkömmlichen
Differenzdruckkolbenmotoren zugeordnet sind, profitieren können. Dementsprechend soll
die Beschreibung erläuternd und
nicht einschränkend
sein.
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Bezüglich der
Vorrichtung selbst ist selbstverständlich klar, dass, obwohl bestimmte
Elemente und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind,
die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da von Fachleuten
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden
Offenbarung abzuweichen, insbesondere hinsichtlich der vorangehenden
Lehren.
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Wie
für Fachleute
hinsichtlich der vorangehenden Offenbarung offensichtlich ist, sind
viele Änderungen
und Modifikationen in der Ausführung
dieser Erfindung möglich,
ohne von deren Umfang abzuweichen. Dementsprechend ist der Umfang
der Erfindung entsprechend der durch die folgenden Ansprüche definierten
Substanz auszulegen.