NO334443B1 - Pulsbredderegulerende ventil - Google Patents

Description

PULSBREDDEREGULERENDE VENTIL

Det beskrives en pulsbredderegulerende ventil for regulering av en fluidstrøm og/eller et fluidtrykk. Det beskrives også en framgangsmåte for drift av den pulsbredderegulerende ventilen.

Det eksisterer en fluidstrømsmessig analogi til elektrisk pulsbreddemodulering, hvor en eller flere ventiler på syklisk vis kontrollerer en fluidstrøm, idet ventilen eller ventilene reguleres slik at man oppnår minst mulig trykkfall når den/de er i åpen tilstand. Ventiler benyttet for pulsbreddemodulering har ideelt sett kun to tilstander, dvs. enten fullt åpne (på) eller fullt lukket (av). Dette samsvarer også med elektrisk pulsbreddemodulering, hvor elektriske brytere, gjerne i form av transistorer, enten er fullt på eller fullt av. En variabel strøm oppnås ved at forholdet mellom åpningstid og lukketid varieres, men hvor frekvensen som regel holdes konstant. Forholdet mellom tid i åpen tilstand og tid i lukket tilstand betegnes gjerne som driftsperioden (engelsk: "duty cycle"), ofte benevnt med symbolet "D", og er oppgitt i prosent. Under syklisk opera-sjon ved en gitt arbeidsfrekvens er driftsperioden uavhengig av denne, og forteller kun noe om de nevnte forholdene mellom av/på-intervallene. Den oppnådde fluidstrøm-men vil da i hovedsak være proporsjonal med driftsperioden til ventilen (og tilsvarende for bryteren i en elektrisk sammenheng). Ved en driftsperiode på 0 % (D = 0 %), hvor ventilen er helt avstengt, er det ingen fluidstrøm. Ved D = 50 % oppnår en så 50 % av den totalt tilgjengelige fluidstrømmen, avhengig av øvrig motstand og tilførsels-trykk i kretsen, etc.

Figur 1 viser et funksjonsdiagram for en pulsbreddemodulert krets med ulike driftsperioder.

For variabel regulering av en fluidstrøm er det også vanlig å benytte en form for stru-pe-/spjeldventil (throttle). Bruk av strupeventil medfører et relativt stort tap når den er delvis åpen. Tapet er gjerne i form av et isentalpisk trykkfall og medfølgende fri ekspansjon og/eller friksjon som følger av turbulente strøm ni ngsfenomener som oppstår pga. trange eller andre fluidstrømshemmende passasjer i fluidløpet, alt avhengig av strupningens og fluidets karakter. En ventil opererer med minimalt tap kun når ventilåpningen er stor, og trykkfallet over ventilen er lite ved full fluidgjennomstrøm-ning. Portåpninger og eventuell ventilelementspalte/-åpning til en ren av/på-ventil dimensjoneres i henhold til forventet eller nødvendig fluidstrømning, slik at ventilen kun oppviser små tap når den er fullt åpen, mens det for en proporsjonalventil eller annen ventiltype beregnet til å kunne gi variabel fluidstrømning, alltid vil være betydelige tap ved delvis strømning, dvs. når ventilens utslag er i en tilstand mellom helt åpen og helt stengt.

For mindre applikasjoner som krever små fluidstrøm mer, er ikke dette nødvendigvis noe problem. Problemet oppstår først når det oppstår høye tap i form av trykkfall på grunn av store fluidstrømmer, og i slike tilfeller vil det da kunne være en stor fordel å benytte seg av en pulsbreddestyrt ventil, idet ventilen da vil oppvise betydelig mindre tap i henhold til forklaringen over.

For varmekraftsmaskiner, og da især dampmaskiner og avarter av slike, er det vanlig å benytte seg av en form for pulsbreddemodulering/-regulering, og da ofte definert som avbruddstyrt injeksjon (engelsk: cutoff-regulated). Denne formen for pulsbreddemodulering gjør at arbeidsfluidet, ofte damp, injiseres i maskinens ekspanderkamre, ofte sylinderkamre, under fullt trykk, inntil kammeret har ekspandert til et visst vo-lum. Deretter stenges damptilførselen (avbrudd), og dampen ekspanderer videre nær-adiabatisk inntil eksosventilen åpnes når sylinderkammeret har ekspandert til nær fullt slagvolum. På denne måten kan en regulere damptilførselen uten særlig innstrupning, noe som ellers ville medført betydelige tap.

Blant kjent teknikk finnes det mange ventilløsninger for å kunne styre en slik prosess. I tidligere dampmaskiner ble avbruddspunktet, som igjen gir driftsperioden for tilfør-selsventilen, bl.a. styrt ved at utslaget til en sleideventil kunne reguleres i forskyv-ningsretningen, og på den måten oppnådde en regulerbart avbrudd. Dette gav store fordeler over strupeventi I baserte maskiner, som forklart over. Slike maskiner kunne også med enkelhet reverseres, ved at det ble benyttet en passende ventilstyringsmekanisme. Et eksempel på en ventilstyringsmekanisme som både kunne besørge regulerbar avbruddsjustering og reversering, er Stephenson-mekanismen. Denne ble gjerne benyttet for damplokomotiver, og utallige andre tilsvarende mekanismer har blitt laget, slik som Walschaerts-mekanismen, Corliss-mekanismen og i senere tid Caprotti-mekanismen. Avhengig av typen ville disse kunne styre alt fra sleideventiler til delvis roterende ventiler og seteventiler med funksjoner for variabelt avbrudd og reversering.

Det som likevel har vært et problem ved flere av disse, er å oppnå rask nok akselera sjon av ventilelementene, eller eventuelt tilstrekkelig korte åpne-/lukketider ved ti I— standsveksling. Pga. de spesifikke designløsningene er det ofte slik at bevegelsene til ventilene rundt vekslingspunktene (åpning/lukking) starter fra eller ender med stillstand, dvs. at ventilelementene i disse områdene oppviser lav hastighet, med den konsekvens at de tilveiebringer en betydelig innstrupning i en periode ved ti I— standsveksling.

Ved flere ventilstyringsmekanismer fungerer det ofte slik at det er en betydelig innstrupning av ventilenes totalåpning når de i en syklisk driftstilstand er nær avsteng-ningspunktet. Dette betyr at selv om ventilmekanismene gir en praktisk tilnærming til pulsbreddemodulasjon, opererer ventilene faktisk med betydelige tap som følge av innstrupningen de oppviser i vekslingen mellom lukket og åpen tilstand.

I tillegg er det vanskelig å oppnå en tilstrekkelig lav nedre grense av driftsperioden, dvs. at avbrudd og følgelig driftsperioder ned mot 0 % er vanskelig å oppnå, spesielt uten innslag av innstrupning med medfølgende tap. Særlig kan avbruddspunkt justert lavere enn for eksempel 5-10 % være vanskelig å oppnå, noe som betyr at dampmaskiner er vanskelige, til dels umulige å regulere for lave effektuttak.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Det er tilveiebrakt en pulsbreddemodulerende ventil bestående at to seriekoblede ventilenheter, nærmere bestemt en tilstrømningsventil og en avbruddsventil, hvor det er gjort tiltak for å øke hastigheten til hver ventilenhet ved tilstandsveksling, for derved å løse hovedproblemene ved åpning og lukking av ventilen for en dampmaskin og tilsvarende.

Publikasjonene SAE 740296 og SAE 750068 beskriver en slik løsning utført med seteventiler, hvor en i prinsippet kan oppnå så lave avbruddspunkt, dvs. så korte åpnings-intervaller som ønskelig, og ned mot 0 %. Bruken av seteventiler vil likevel oppvise en relativt høy innstruping nær lukket tilstand, noe som ligger i seteventilenes natur og som er en ulempe.

Ved å benytte to seriekoblede ventilenheter må tilstandsvekslingene nødvendigvis ikke være raske i begge retninger (åpen/lukket) for begge ventilen hetene, fordi det gene- reit vil være tilstrekkelig at tilstrømningsventilen oppviser rask veksling ved åpning, og at avbruddsventilen oppviser rask veksling ved lukking. På denne måten vil en kunne gjøre tiltak for å øke hastigheten til vekslingsfunksjonene i kun én retning, samtidig som den totale funksjonen til ventilen likevel oppviser raske vekslingsegenskaper. Å måtte besørge høy hastighet i kun én retning har noen fordeler. Ved for eksempel en elektrisk styrt ventil er det vanlig at ventilen oppviser høyest vekslingshastighet i kun én retning, og da gjerne i den retningen som styres av en elektromagnet, dersom det er snakk om en ventil med fjørretur i en retning motsatt av trekk- eller skyvekraften til elektromagneten.

Asymmetrisk hastighetsstyring av en ventil, hvor lukkebevegelsen typisk er mye raskere enn åpnebevegelsen, har også vært implementert i historiske design: Det ble ofte benyttet en utløsermekanisme (engelsk: trip-gear) som besørget hurtig avsteng-ning/avbrudd av tilførsels-/injeksjonsventilen. Fordelen med dette er at innstrupningen minimeres, men ofte med den ulempe at det har vært et behov for at akselerasjonen til ventilelementet er høy, med medførende slitasjeproblematikk. Slike mekanismer har likevel fungert tilfredsstillende ved lave driftshastigheter, eksempelvis opp mot et par hundre o/min. For mer hurtigroterende maskiner kan det være behov for enda raskere mekanismer, og skal dette utføres av ett enkelt ventilelement, for eksempel en sleide, vil den nødvendige akselerasjonen komme opp på et nivå som ikke er praktisk eller i verste fall umulig å implementere.

Figur 1 viser generaliserte funksjonsdiagram for en pulsbreddemodulert krets. Disse kan i prinsippet gjelde både en elektrisk krets og en fluidkrets, men i det etterfølgende antas det at det gjelder for en fluidkrets. For en fluidkrets med proporsjonal, dvs. li-neær styring, av fluidstrømmen, vil det være et analogt forhold mellom et ventilutslag og den resulterende momentane fluidstrømmen, slik at man kan oppnå en analog opp-løsning av fluidstrømmen gjennom ventilen. Figur 1 viser en funksjonsmessig ekviva-lens til dette, men hvor den momentane fluidstrømmen har diskrete egenskaper, dvs. at fluidstrømmen kun kan være fullt avstengt eller ved maksimum, og hvor mellomni-våer da i prinsippet ikke eksisterer. Likevel kan en ved å regulere forholdet mellom perioden av åpen og lukket tilstand oppnå en middelstrømning som kan variere analogt, og på denne måten vil en pulsbreddestyrt krets kunne erstatte en lineært styrt krets. Det skal nevnes at det ved en pulsbreddestyrt krets vil kunne være behov for å innføre trykk- og strømningsutjevnende enheter, slik som for eksempel en akkumulator, slik at den resulterende fluidstrømmen kun oppviser mindre variasjon, noe som kan være nødvendig for å unngå for store belastninger på systemet som følge av hurtig varierende trykk- og strømningsnivåer.

Ved en praktisk utført pulsbreddestyrt krets vil det også være en viss stigetid og falltid assosiert med vekslingspunktene mellom av- og på-tilstandene, fordi ingen fysiske systemer kan oppvise uendelig høy akselerasjon. Funksjonskurven vil i praksis være mer diagonal ved vekslingspunktene enn slik det er vist på figur 1. Slike diagonale partier vil da innføre noe tap, men nettogevinsten ved pulsbreddestyrte kretser kan likevel være svært stor i forhold til lineært styrte kretser.

Figur 2 viser skjematisk hvordan to ventilenheter plassert i serie kan styres av to kamaksler med kamakselprofiler som er faseforskjøvet i forhold til hverandre ved hjelp av en fasereguleringsenhet. Alternativt kan det benyttes én kamaksel med to profiler, hvor kamakselprofilene kan forskyves innbyrdes på kamakselen ved hjelp av en passende fasereguleringsenhet. Fasereguleringsenheten kan være utformet og regulert på forskjellige måter. Tradisjonelt har det ofte vært benyttet mekaniske prinsipper for fasereguleringen, men i den senere tid har det også blitt vanlig med hydrauliske, elektrohydrauliske og elektromekaniske reguleringsprinsipper. Oppfinnelsen kan benytte de fleste varianter av fasereguleringsenheter og -metoder og er dermed ikke avhengig av en spesifikk løsning for dette, og derfor vil det ikke bli vektlagt ytterligere i beskrivelsen. Aktuatorer som omfattes av nevnte fasereguleringsenheter, kan også være av forskjellig karakterer. Mekaniske, hydrauliske så vel som elektriske aktuatorer kan benyttes, noe som er ytterligere illustrert på figurene 2 og 3.

For selve ventilenhetens vedkommende er det et viktig poeng at ulike ventiltyper oppviser forskjellige egenskaper i forbindelse med hva slags åpnings- og lukkehastigheter en kan oppnå. En seteventil vil for eksempel alltid måtte akselereres fra stillstand, dvs. hastigheten er null idet et seteventilelement starter en åpningssekvens i og med at lukket tilstand foreligger når seteventilelementet er i kontakt med et ventilsete og oppviser fluidtetthet. Når seteventilen åpner, vil den i en første periode av åpningsse-kvensen oppvise relativt høy strømningsmotstand inntil ventilen er tilstrekkelig åpen og trykkfallet over ventilen minker. Det samme gjelder i siste fasen av en lukke-sekvens hvor seteventilelementet nærmer seg ventilsetet med en avtakende hastighet som for eksempel oppnås ved hjelp av dertil egnede ventilstyringsmidler. En lav åpnings- og/eller lukkehastighet er generelt en ulempe der hvor det er behov for en stor strømning gjennom ventilen fordi strupingen av strømningskanalen som oppstår i disse fasene, vil forårsake et betydelig trykkfall med påfølgende tap.

Ulempen ved et slikt trykkfall kan begrenses ved å innføre en ventiltype hvor veks-lingshastigheten kan gjøres høy. En måte er å benytte ventiler med glidende portoverganger. Eksempler på ventiler med glidende portoverganger er kuleventiler, slei deventiler, stempelventiler eller roterende ventiler av sylindrisk utførelse og med for eksempel radielle porter. Ved slike ventiler kan akselerasjonen av ventilelementet fo-regå i forkant av overgangsfasen, hvor tapene er mest utslagsgivende. Ventilelementet kan da oppnå en høy hastighet før den når sin lukke- eller åpningsfase, og på den måten kan varigheten av den ugunstige overgangsperioden begrenses, hvilket også medfører at eventuelle tap vil reduseres tilsvarende. Resultatet er at ventilene åpnes og lukkes vesentlig raskere, og dette kan gjelde for begge retninger, dvs. ved både åpning og lukking.

I en varmekraftsmaskin vil slik optimalisering for reduksjon av strømningstap gjennom ventiler kunne ha utslagsgivende betydning for den totale ytelsen til maskinen, idet det vil kunne bety forskjellen mellom en lønnsom og en ulønnsom utførelse.

For en anordning med en kontrollert tofaset fluidstrøm (blanding av væske og gass) hvor en skal holde væske og gass adskilt, eventuelt også koke væsken på en effektiv måte, kan en benytte en syklon tilknyttet en pulsbredderegulator, hvor pulsbreddere-gulatoren er anordnet med en drivstrømport for kontrollert utstrømming (lekkasje) av en mindre mengde fluid selv når avbruddsventilen er stengt. Dette vil kunne medvirke til å opprettholde en syklonisk strømning inne i syklonen, selv når hovedstrømmen er avstengt. Figur 13 og 14 viser dette prinsippet, henholdsvis med og uten en ned-strøms syklon. Drivstrømporten kan enten være anordnet i selve avbruddsventilelementet, som en separat kanal inn til et ventilmellomvolum, eller som en hvilken som helst annen passasje fra et fluidreservoar til ventilmellomvolumet. Drivstrømporten vil som regel omfatte en strupning for begrensning av fluidstrømmen, idet en drivstrøm normalt bare vil være en fraksjon av den regulerte hovedstrømmen målt i fluidstrøm-ningsrate.

For en varmekraftmaskin med en intern varmeveksler og arbeidsfluidinjeksjon, og særlig væskeinjeksjon, vil en pulsbredderegulator med drivstrømsport kunne være spesielt gunstig, idet drivstrømmen vil kunne opprettholde en betydelig konveksjon, selv etter at hovedstrømmen er avstengt, noe som vil kunne gi en svært positiv innfly-telse på varmeoverføringen mellom den interne varmeveksleren og arbeidsfluidet.

Figur 15 viser et eksempel på en slik konfigurasjon.

Dersom en skal oppnå driftsområde til og med D = 100 % ved den beskrevne ventil-funksjonen, kan det benyttes to eller flere ventiler i parallellkopling. To ventiler som hver oppviser en driftsperiode (D) på inntil 50 % ved 180° åpningsintervall vil kunne gi det den ønskede virkningen. Individuelle åpningsperioder kan også med fordel reduseres fra 180°, og i et eksempel kan en avbruddsventil ha et åpningsintervall for skjellig fra åpningsintervallet til en tilstrømningsventil, slik at f.eks. eventuelle mindre, uønskede lekkasjer kan begrenses.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en pulsbredderegulerende ventil for regulering av en fluidstrøm og/eller et fluidtrykk, kjennetegnet ved at den pulsbredderegulerende ventilen omfatter en avbruddsventil seriekoplet med en tilstrøm-ningsventil, idet minst én av avbruddsventilen og tilstrømningsventilen er forsynt med et aksielt forskyvbart eller dreibart ventilelement med glidende portoverganger.

Minst én av avbruddsventilen og tilstrømningsventilen kan være hentet fra gruppen bestående av glideventil, sleideventil og helt eller delvis roterende ventil.

Avbruddsventilen kan oppvise en åpningshastighet som er større enn lukkehastigheten, og tilstrømningsventilen kan oppvise er lukkehastighet som er større enn åp-ningshastigheten.

Minst én av avbruddsventilen og tilstrømningsventilen kan være tilknyttet en ventilstyringsanordning.

Ventilstyringsanordningen kan være tildannet ved hjelp av minst én aktuator av minst én type hentet fra gruppen bestående av mekanisk ventilaktuator, hydraulisk ventilaktuator, pneumatisk ventilaktuator, elektromekanisk ventilaktuator, elektrohydraulisk ventilaktuator og elektropneumatisk ventilaktuator.

Ventilstyringsanordningen kan være forbundet med en ventilsynkroniseringsanordning.

Ventilsynkroniseringsanordningen kan være innrettet til å regulere det driftsmessige faseforholdet for åpne- og lukkebevegelsene mellom de minst to ventilene.

Den pulsbredderegulerende ventilen kan omfatte et ventilhus forsynt med minst én innløpsport, minst én utløpsport og minst én mellomløpsport, og hvor minst to ventilelementer med respektive ventilelementåpninger er innrettet til å kunne åpne for, henholdsvis stenge av, en fluidstrøm med fluidstrømsmessig retning fra den minst ene innløpsporten via den minst ene mellomløpsporten og til den minst ene utløpsporten.

Ventilhuset kan være forsynt med minst én lekkasjeport.

Minst én av den minste ene innløpsporten, den minst ene utløpsporten og den minst ene mellomløpsporten kan oppvise en lysåpning vesentlig forskjellig fra minst én ventilelementlysåpning, for derved å kunne ivareta maksimal ventilåpning over et utvidet

område av det minst ene ventilelementets totale forskyvningsområde.

Minst ett ventilelement kan være utformet med minst én lekkasjekanal for derved å kunne opprettholde en fluidstrømning når nevnte ventilelement er i sin startposisjon.

Fra en første og en andre endeflate på ventilelementene kan det rage ventilskaft gjennom respektive ventil pakninger anordnet i ventilhuset.

Den første og den andre endeflaten kan tildanne jevnstore aksialtrykkflater.

Ventilelementene kan være aksielt forspent idet et forspenningselement tilveiebringer en trykkraft mot den første og den andre endeflaten.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en framgangsmåte for drift av en pulsbredderegulerende ventil ifølge oppfinnelsens første aspekt, kjennetegnet ved at framgangsmåten omfatter følgende trinn: ved hjelp av en ventilsynkroniseringsanordning å regulere en ventilstyringsanordning i henhold til minst to forskyvningskurver; og

ved hjelp av én eller flere ventilaktuatorer å forskyve eller å rotere korresponderende ventilelementer anordnet i den pulsbredderegulerende ventilen.

Framgangsmåten kan omfatte det ytterligere trinnet:

å regulere kontinuerlig et faseforhold mellom de minst to forskyvningskurvene.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et funksjonsdiagram for en pulsbredderegulert anordning, hvor puls-breddeperioden er vist som henholdsvis 15, 30, 45, 60, 75 og 90 %; Fig. 2 viser ei prinsippskisse av en pulsbredderegulerende ventil hvor ventilelementene er tilknyttet en første utførelse av en ventilstyring; Fig. 3 viser ei prinsippskisse av en pulsbredderegulerende ventil med en andre utførelse av en ventilstyring; Fig. 4 viser delvis gjennomskåret en pulsbredderegulerende ventil basert på sleide- eller stempelventiler; Fig. 5 viser et funksjonsdiagram for en pulsbredderegulerende ventil med tilhø-rende faseforskyvningskurver; Fig. 6 viser diagrammatisk en strøm ni ngssekvens til en pulsbredderegulerende ventil benyttet som injektor; Fig. 7 viser ei prinsippskisse av en pulsbredderegulerende ventils mekaniske elementer; Fig. 8 viser ei prinsippskisse tilsvarende den vist på figur 7, men hvor det ene ventilelementet også har en drivstrømkanal; Fig. 9 viser ei prinsippskisse for den pulsbredderegulerende ventilens funksjon under drift over to hele perioder; Fig. 10 viser ei prinsippskisse av den pulsbredderegulerende ventilen anvendt ved en varmekraftsmaskin, og nærmere bestemt en stempelmaskin; Fig. 11 viser ei prinsippskisse av den pulsbredderegulerende ventilen anvendt ved en multiekspansjonsmaskin, og i dette tilfellet en kompoundmaskin; Fig. 12 viser et typisk PV-diagram for en dampmaskin eller tilsvarende; Fig. 13 viser en skisse av den pulsbredderegulerende ventilen med drivstrømsport (lekkasjestrømport); Fig. 14 viser den pulsbredderegulerende ventilen ifølge figur 13 hvor en fluid-strøm ledes inn til en syklon; Fig. 15 viser den pulsbredderegulerende ventilen på figur 13 anvendt som ar-beidsfluidinjektor ved en varmekraftsmaskin med intern varmeveksler, og hvor arbeidsfluidet kan injiseres syklonisk inn til varmekraftsmaskinens arbeidskammer; Fig. 16a viser et radialsnitt gjennom en pulsbredderegulerende ventil utført med roterbare ventilelementer; Fig. 16b viser et aksialsnitt gjennom ventilen ifølge figur 16a, men hvor ventilelementene er rotert 90 grader i forhold til visningen på figur 16a; og Fig. 17a og 17b viser prinsippskisser av forskjellige utførelser av dreiemekanismer for

de roterbare ventilelementene.

I funksjonsdiagrammene på figur 1, 5 og 9 angir referanse "a" og "b" en åpen, henholdsvis en lukket pulsbreddemodulert strømningskrets. I faseforskyvningskurvene på figur 5 og 9 angir referansene "O" og "C" et åpent, henholdsvis et lukket ventilelement. "D" angir forholdet mellom ventilens tid i åpen tilstand og tid i lukket tilstand, også kalt driftsperiode.

"q" angir på figur 2, 3, 4, 6, 10 og 11 en fluidstrøm.

"cp" angir på figur 6 en rotasjonsvinkel for en veivaksel, ventildrivaksel eller tilsvarende.

"m" angir på figur 15 en spesifikk mengde arbeidsfluid, "Qii" angir spesifikk tilførsel av varmeenergi til arbeidsfluidet fra en ekstern varmekilde, og "Qi2" angir spesifikk tilfør-sel av varmeenergi til arbeidsfluidet fra en intern varmeveksler i en varmemaskins ekspanderkammer.

Det henvises først til figur 2 hvor en pulsbredderegulerende ventil 1 omfatter en ventilenhet 10 forsynt med et første og et andre ventilelement 10a, 10b. En ventilstyring 2 er tilordnet ventilenheten 10. Det første ventilelementet 10a kalles også avbrudds-ventilelement idet det anvendes til å avbryte tilførselen av fluidstrømmen q. Det andre ventilelementet 10b kalles også tilstrømningsventilelement idet det anvendes til å åp-ne for tilførselen av fluidstrømmen q til en nedstrøms forbruker, for eksempel en varmemaskin 100 (se figur 10, 11 og 15). Avbruddsventilelementet 10a og tilstrømnings-ventilelementet 10b kan for øvrig også være anordnet i motsatt fluidstrømsmessig rekkefølge. Ventilstyringen 2 omfatter en første og en andre ventilaktuator 20, 20' og er her vist som dobbel kamaksel, idet en drevet ventildrivaksel 2a tilveiebringer en synkronisert rotasjon av en første og en andre kamaksel 22a, 22b, og hvor en ventilsynkroniseringsanordning 23 sørger for at ventilaktuatorene 20, 20' arbeider med en ønsket faseforskyvning. Ventilaktuatorene 20, 20' er tilknyttet ventilelementene 10a, 10b ved hjelp av hver sin ventilaktuatorforbindelse 20a, for eksempel et stag.

I figur 3 er ventilstyringen 2 vist med ventilaktuatorer 20, 20' i form av elektromekaniske, hydrauliske eller pneumatiske aktuatorer synkronisert og faseforskjøvet ved hjelp av en ventilsynkroniseringsanordning 23. Servoer vil også typisk kunne benyttes som ventilaktuatorer 20, 20'.

Det henvises så til figur 4 hvor en pulsbredderegulerende ventil 1 er vist i større detalj med to ventilelementer 10a, 10b av sleidetype anordnet i et første, henholdsvis et andre parti 19a av et ventilhus 19. Ventilelementene 10a, 10b er tilknyttet en ventilstyring 2 som beskrevet ovenfor. Ventilhuset 19 omfatter en innløpsport 12 tilknyttet det første ventilelementet 10a, en utløpsport 13 tilknyttet det andre ventilelementet 10b og en mellomløpsport 14 som tildanner en forbindelse mellom det første og det andre partiet 19a, 19b av ventilhuset 19. Innløps- utløps- og mellomløpsportene 12, 13, 14 lukkes og åpnes ved ventilelementenes 10a, 10b forskyvning. Ventilelementene 10a, 10b er forsynt med en fluidpassasje lia, henholdsvis 11b.

Ventilhuset 19 er også forsynt med lekkasjeporter 16 for å hindre trykkoppbygging på grunn av utilsiktet lekkasje forbi ventilelementene 10a, 10b.

Det er verd å merke seg at utløpsporten 13 i denne utførelsen har stort tverrsnitt i forhold til ventilelementenes 10a, 10b fluidpassasjer lia, 11b. Det er også verd å merke seg at ventilelementene 10a, 10b veksler mellom åpen og lukket stilling når de oppviser den høyeste forskyvningshastig heten. Dette reduserer strøm ni ngsta pene forbundet med åpning og lukking. Figur 5 viser effekten av ulik faseforskyvning mellom ventilelementene 10a, 10b. En forskyvningskurve 9a for avbruddsventilelementet 10a er vist med stiplet strek, og en forskyvningskurve 9b for tilstrømningsventilelementet 10b er vist med heltrukket strek. En resulterende ventilfunksjonskurve 8 viser den pulsbredderegulerende ventilens 1 veksling mellom åpen og lukket tilstand a, henholdsvis b. Det er vist kurver for driftsperiode på 35 % og 6 %. Figur 6 viser en resulterende ventilfunksjonskurve 8 for en pulsbredderegulerende ventil 1 hvor avbruddsventilelementet 10a er forsynt med en drivstrømkanal som tilveiebringer en drivfluidstrøm q2så lenge tilstrømningsventilelementet 10b står i åpen stilling. Drivstrømkanalen og effekten av denne beskrives nedenfor. Så lenge både avbruddsventilelementet 10a og tilstrømningsventilelementet 10b er åpne, avgir ventilen 1 en hovedfluidstrøm qi. Tilsvarende vil effekten av en drivstrømkanal i tilstrøm-ningsventilelementet 10b gi en drivfluidstrøm q2som etterfølges av hovedfluidstrøm-men qi. Det henvises nå til figur 7 som viser ei prinsippskisse av den pulsbredderegulerende ventilen 1, og til figur 8 som viser tilsvarende, men hvor avbruddsventilelementet 10a er forsynt med en drivstrømkanal lic. Det kan være gunstig å besørge en viss konveksjon/tvungen strømning i et ekspansjonskammer forsynt med varmeveksler. Dette kan tilveiebringes ved anvendelse av drivstrømkanalen lic som står i fluidkommunikasjon med nevnte ekspansjonskammer. Dette prinsippet er også vist skjematisk på figurene 13 og 14, hvor drivstrømkanalen lic omfatter en driv-strømport 15 som er forsynt med en strupning. Drivstrømkanalen lic kan ledes til et fluidmottak, på figur 14 vist skjematisk som en syklon 101', på mange forskjellige måter, for eksempel via tilstrømningsventilelementet 10b eller i godset i ventilhuset 19. Drivstrømporten lic kan være utformet i selve avbruddsventilelementet 10a, slik det er indikert på figur 8, eller som en separat port inn til et ventilmellomvolum (ikke vist). Figur 9 viser avbrudds- og tilstrømningsventilelementet 10a, henholdsvis 10b i forskjellige posisjoner i løpet av to hele driftsperioder med korresponderende forskyvningskurver 9a, 9b og ventilfunksjonskurve 8 for en driftsperiode på 35 %. Figur 10 viser et utførelseseksempel av en pulsbredderegulerende ventil 1 tilordnet en stempelmaskin 100. Figur 11 viser tilsvarende en første og en andre pulsbredderegulerende ventil 1, 1' tilordnet et første og et andre ekspansjonskammer 101, 102 i en stempelmaskin 100 (multiekspansjonsmaskin). Figur 12 viser et typisk PV-diagram 1100 for en dampmaskin eller tilsvarende, hvor 1110 indikerer et arbeidsslag, og hvor 1110a indikerer et tilstrømningsforløp, 1110a' indikerer effekten av et forbedret tilstrømningsforløp som kan oppnås ved hjelp av oppfinnelsen, 1110b viser et nær-adiabatisk ekspansjonsforløp og 1110c indikerer utstrømningsstart (eksos). Videre indikerer lllOd et utstrømningsforløp, lllOe en forkomprimering og lllOf et innledende tilstrømningsforløp (fortilstrømning). Figur 15 viser hvordan en pulsbredderegulerende ventil 1 prinsipielt er anordnet i en arbeidsfluidkrets i en varmemaskin.

Det henvises så til figur 16a og 16b hvor den pulsbredderegulerende ventilen 1 er forsynt med roterbare ventilelementer 10a, 10b hvor fluidpassasjen lia, henholdsvis 11b strekker seg i radiell retning med en avtakende lysåpning Ila', henholdsvis 11b' mot ventilelementets senterakse. Innløpsportens 12 lysåpning er angitt med henvisningstallet 12'. Mellomløpsportens 14 lysåpning er angitt med henvisningstallet 14'. Utløps-portens 13 lysåpning er angitt med henvisningstallet 13'.

Figur 17a og 17b viser ulike prinsipper for overføring av en ventilaktuators 20 oscillerende bevegelse via en ventilaktuatorforbindelse 20a til rotasjonsbevegelse av ventilelementene 10a, 10b, her vist med en roterende kamaksel 22a, 22b av i og for seg kjent art; i en første utførelse (se figur 17a) ved overføring av en støtstangs 20a oscillerende bevegelse via et tannstangparti 20a' til et tannhjul 103 anordnet på ventilelementets 10a, 10b ene ventilskaft 10c, eventuelt 10d, og i en andre utførelse (se figur 17b) ved overføring av en støtstangs 20a oscillerende bevegelse til en ventilarm 103' anordnet på ventilelementets 10a, 10b ene ventilskaft 10c, eventuelt 10d.

En ventilsynkroniseringsanordning 23, som er vist skjematisk (se for eksempel figur 2), er tilordnet ventilstyringen 2 på en slik måte at kamakslenes 22a, 22b rotasjon kan faseforskyves.

Ventilelementenes 10a, 10b symmetri, dvs. at begge ender av ventilelementene 10a,

10b tildanner ventilskaftene 10c, 10d som rager ut gjennom hver sin ventilpakning 18 (se figur 16b), gir en balansert aksiell trykkbelastning på ventilelementene 10a, 10b, i og med at en første og en andre endeflate 104, 104' som vender mot ventilpakningene 18, er like store. Dermed reduseres friksjonskreftene mellom ventilelementet 10a, 10b og ventilpakningene 18. Det kreves dermed liten effekt til å bevege ventilelementene 10a, 10b. Ventilen 1 vil normalt være forsynt med endeplater (ikke vist) som holder ventilpakningene 18 på plass. Det kan også anordnes mer enn én ventilpakning 18 for hvert ventilskaft 10c, 10d, og i så fall vil det være naturlig at ventilen 1 er forsynt med et tilsvarende antall ekstra endeplater (ikke vist).

Ventilelementenes 10a, 10b veksling mellom åpen og lukket stilling med en regulerbar faseforskyvning gir en fullt variabel ventilfunksjon fra et minimumsnivå som er bestemt av det "ventilmellomvolumet" som er tildannet av mellomløpsporten 14 som stadig vil fylles med fluid.

Selv om det i utførelsene ovenfor er beskrevet og vist roterende ventilelementer, vil den beskrevne effekten også oppnås ved anvendelse av sleideventiler som oppviser sine åpne posisjoner mellom sine endeposisjoner.

Anvendelse av ventilelementforinger 17 i ventilhuset 19 kan ha avgjørende betydning for ventilens 1 funksjon og levetid, som for denne anordningstypen bør være minst 10000 timer.

Det kan være en fordel å anvende en akkumulator (ikke vist) rett i forkant av den første ventilenheten la, særlig ved væskeinjeksjon, men vil også kunne være viktig ved gassinjeksjon, dvs. ved bruk av ventilen 1 i ORC-maskiner (Organic Rankine Cycle). Akkumulatoren reduserer faren fortrykkslag ved væskeinjeksjon, og den reduserer trykkfallet under den innledende injeksjonen. En foretrukket akkumulatortype er metallbelgakkumulator som tåler høye temperaturer, for eksempel 180 °C eller mer.

Ventilelementene 10a, 10b oppviser fordelaktig en relativt stor diameter, typisk ca. 24 mm når ventilelementåpningens lia, 11b perifere bredde er ca. 6 mm. Stor diameter medfører større periferi hastig het enn liten diameter ved en gitt rotasjonshastighet, og det oppnås dermed høy vekslingshastighet når ventilen går fra åpen til lukket og motsatt, noe som er viktig for å unngå for store trykkfall, og dermed tap i vekslingsfase- ne. Ventil skaftenes 10c, 10d diameter er derimot relativ liten, typisk ca. 8-10 mm ved ventilelementdiameter 24 mm.

Ventilelementåpningene lia, 11b oppviser fortrinnsvis liten bredde (dvs. utstrekning i ventilelementets 10a, 10b bevegelsesretning) i forhold til høyden, for eksempel i området 2/10-4/10. I et ventilelement 10a, 10b med dimensjonene nevnt i foregående avsnitt er bredde/høyde-forholdet typisk ca. 4/14. Dette gir en raskere åpning eller lukking enn med stor bredde.

Selv om det i utførelseseksempelet er vist en ventilstyring 2 med kamaksel 22 (se figurene 17a og 17b), kan en helroterende, mekanisk ventilstyring også være anven-delig for praktiske formål. En helroterende ventilstyring har fordelen at den er svært enkel og billig. En ventilstyring 2 med kamaksel 22 gir derimot den fordelen at hastig-hetsprofilen til ventilen kan manipuleres innenfor visse rammer. Med en kamstyring kan det oppnås stor hastighet i vekslingsfasen, dvs. når ventilelementet 10a, 10b går fra åpen til lukket stilling eller motsatt. Samtidig vil den kunne stå tilnærmet stille når den har nådd fullt åpen posisjon. Dette kan ha en gunstig effekt på trykkfallet over ventilen 1, og dermed gi redusert tap. For en helroterende ventilstyring kan det tilsvarende tenkes at ventilens 1 porter 12, 13 er overdimensjonert slik at det uansett vil bli et relativt lavt trykkfall, og i så fall vil en kunne oppnå et bra, men fremdeles enkelt kompromiss.

Ved væskeinjeksjon vil det i ventilmellomvolumet, representert ved mellomløpsporten 14, oppstå en situasjon hvor tilstrømningsventilen lb er stengt og avbruddsventilen la åpner og ventilmellomvolumet fylles av væske. Dette vil kunne føre til uønskede trykkslag (kavitering). En "myk" åpning av avbruddsventilen la er derfor gunstig, noe som lar seg implementere ved kamstyring, men tilsvarende skal avbruddsventilens la lukking skje raskt for å redusere strupningstapet. Denne kombinasjonen kan tilfreds-stilles ved hjelp av en tilpasset kamprofil. Denne effekten er vanskelig å oppnå med helroterende ventilstyring med fast hastighet.

Ventilens 1 elementer, dvs. ventilelementene 10a, 10b, ventilelementforingene 17 m.m., bør ha nær samme temperatur som maksimaltemperaturen til arbeidsfluidet for ikke å miste noe effekt gjennom injektoren. Dette er også gunstig for å redusere faren for forhøyet friksjon, eventuelt skjæring, mellom bevegelige og statiske deler. Dette kan løses ved at det opprettes god termisk forbindelse med en eksisterende varmeveksler, eller ventilhuset 19 kan forsynes med kanaler for sirkulasjon av et oppvarmet termofluid. Ventilhuset 19 kan eventuelt isoleres.

De roterbare ventilelementene 10a, 10b ifølge utførelseseksempelet vist i figur 16b er forspent i aksial retning for å fastsette den aksiale posisjonen til ventilelementene 10a, 10b. Forspenningselementer 18b, typisk i form av o-ringer, er anordnet mellom ven-tilpakningen 18 og en glideskive 18a tildannet av et høytemperaturbestandig plastma-teriale som minimaliserer friksjonskreftene som oppstår mellom ventilelementet 10a, 10b og glideskiva 18a som følger av forspenningen.

Den pulsbredderegulerende ventilen 1 er står i fluidkommunikasjon med ett eller flere arbeidskamre 101, 102 i en varmemaskin 100, eller mer generelt en deplasements-maskin, slik det er vist blant annet på figurene 10 og 11. Deplasementsmaskinen kan typisk være en stempelmaskin, en scrollmaskin (spiralmaskin), en vingemaskin, en tannhjulsmaskin eller en skruemaskin. For en fagperson på området er det nærliggen-de at det med stempelmaskin også menes en hydraulisk sylinder.

Claims (16)

1. Pulsbredderegulerende ventil (1) for regulering av en fluidstrøm og/eller et fluidtrykk,karakterisert vedat den pulsbredderegulerende ventilen (1) omfatter en avbruddsventil (la) seriekoplet med en ti I— strømningsventil (lb), idet minst én av avbruddsventilen (la) og tilstrøm-ningsventilen (lb) er forsynt med et aksielt forskyvbart eller dreibart ventilelement (10a, 10b) med glidende portoverganger.

2. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 1, hvor minst én av avbruddsventilen (la) og tilstrømningsventilen (lb) er hentet fra gruppen bestående av glideventil, sleideventil og helt eller delvis roterende ventil.

3. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 1, hvor avbruddsventilen (la) oppviser en åpningshastighet som er større enn lukkehastigheten, og til-strømningsventilen (lb) oppviser er lukkehastighet som er større enn åp-ningshastigheten.

4. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 1, hvor minst én av avbruddsventilen (la) og tilstrømningsventilen (lb) er tilknyttet en ventilstyringsanordning (2).

5. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 4, hvor ventilstyringsanordningen (2) er tildannet ved hjelp av minst én aktuator (20) av minst én type hentet fra gruppen bestående av mekanisk ventilaktuator, hydraulisk ventilaktuator, pneumatisk ventilaktuator, elektromekanisk ventilaktuator, elektrohydraulisk ventilaktuator og elektropneumatisk ventilaktuator.

6. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 4 eller 5, hvor ventilstyringsanordningen (2) er forbundet med en ventilsynkroniseringsanordning (23).

7. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 6, hvor ventilsynkroniseringsanordningen (23) er innrettet til å regulere det driftsmessige faseforholdet for åpne- og lukkebevegelsene mellom de minst to ventilene (la, lb).

8. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 7, hvor den pulsbredderegulerende ventilen (1) omfatter et ventilhus (19) forsynt med minst én innløpsport (12), minst én utløpsport (13) og minst én mellomløpsport (14), og hvor minst to ventilelementer (10a, 10b) med respektive ventilelementåpninger (lia, 11b) er innrettet til å kunne åpne for, henholdsvis stenge av en fluidstrøm med fluidstrømsmessig retning fra den minst ene innløpsporten (12) via den minst ene mellomløpsporten (14) og til den minst ene utløpsporten (13).

9. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvor ventilhuset (19) er forsynt med minst én lekkasjeport (15).

10. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 9, hvor minst én av den minste ene innløpsporten (12), den minst ene utløps-porten (13) og den minst ene mellomløpsporten (14) oppviser en lysåpning (12', 13', 14') vesentlig forskjellig fra minst én ventilelementlysåpning (lia', 11b'), for derved å kunne ivareta maksimal ventilåpning over et utvidet område av det minst ene ventilelementets (10a, 10b) totale forskyvningsområde.

11. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 10, hvor minst ett ventilelement (10a) er utformet med minst én lekkasjekanal (lic), for derved å kunne opprettholde en fluidstrømning når nevnte ventilelement (10a) er i sin startposisjon.

12. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 11, hvor det fra en første og en andre endeflate (104, 104') på ventilelementene (10a, 10b) rager ventilskaft (10c, 10d) gjennom respektive ventilpak-ninger (18) anordnet i ventilhuset (19).

13. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 12, hvor den første og den andre endeflaten (104, 104') tildanner jevnstore aksialtrykkflater.

14. Pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge krav 12 eller 13, hvor ventilelementene (10a, 10b) er aksielt forspent idet et forspenningselement (18b) tilveiebringer en trykkraft mot den første og den andre endeflaten (104, 104').

15. Framgangsmåte for drift av en pulsbredderegulerende ventil (1) ifølge et hvilket som helst av kravene 1-14,karakterisert vedat framgangsmåten omfatter følgende trinn: ved hjelp av en ventilsynkroniseringsanordning (23) å regulere en ventilstyringsanordning (2) i henhold til minst to forskyvningskurver (9a, 9b); og ved hjelp av én eller flere ventilaktuatorer (20, 20') å forskyve eller å rotere korresponderende ventilelementer (10a, 10b) anordnet i den pulsbredderegulerende ventilen (1).

16. Framgangsmåte ifølge krav 15, hvor framgangsmåten omfatter det ytterligere trinnet: å regulere kontinuerlig et faseforhold mellom de minst to forskyvningskurvene (9a, 9b).