WO2017001009A1 - Vorrichtung und verfahren zum abbremsen einer rotierenden schwungmasse - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum abbremsen einer rotierenden schwungmasse Download PDF

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WO2017001009A1
WO2017001009A1 PCT/EP2015/065004 EP2015065004W WO2017001009A1 WO 2017001009 A1 WO2017001009 A1 WO 2017001009A1 EP 2015065004 W EP2015065004 W EP 2015065004W WO 2017001009 A1 WO2017001009 A1 WO 2017001009A1
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housing
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propellant charge
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Ralf Fischer
Markus Reinhard
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16D57/00—Liquid-resistance brakes; Brakes using the internal friction of fluids or fluid-like media, e.g. powders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T1/00—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles
    • B60T1/02—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
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    • H02K7/025—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels for power storage
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/102—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with friction brakes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a brake for a rotating
  • flywheels For storing kinetic energy, rotating flywheel mass storage devices, so-called “flywheels” are often used, in which the energy is stored in a rotating flywheel or the like.
  • This flywheel is connected to a drive which stores the energy as a motor and for retrieval the power is switched as a generator.
  • other drives eg spindles of centrifuges, high-vacuum ⁇ pumping and the like.
  • the moving parts of the Schwungmas ⁇ sendron rotate usually at high speeds in order to store a correspondingly large amount of energy.
  • the high rotational speeds have the same
  • the surface velocities are high, resulting in increased friction with the air, which corresponding losses, so-called.
  • "Reibgas ⁇ losses” causes.
  • the solenoid valves are so out ⁇ regularly leads that the valve must be energized during normal operation, so to maintain the vacuum, so durable electrical power required and thus the overall efficiency ⁇ degree affect the assembly.
  • the elekt ⁇ step solenoid valves may have leaks that require the degree of vacuum, and hence the efficiency of the arrangement be ⁇ impair that regular controlling and filling the compressed-gas container or require the regular use of a vacuum pump to restore the vacuum.
  • the capsule In the case of a requested emergency stop, the capsule is ignited and the resulting gas fills the vacuum chamber, ie the housing, very quickly.
  • the rotating mass ( "Flywheel") is thereby slowed down in the shortest possible time.
  • the rotating mass and the other moving parts as ⁇ also red hot at very hot at its surface, depending on braking power.
  • the use of combustion gases is better than the use of pure ambient air, because the Ver ⁇ combustion gases less, or containing no oxygen and therefore oxidation reactions are avoided.
  • the signal for triggering emergency braking of a master control come, for example, when the air gap between the mass (flywheel) and the housing is too small, when a Vibration sensor strikes, an emergency stop button is pressed or another alarm system (fire alarm or the like.) Is triggered.
  • the object is achieved in particular by a device according to the patent claim 1 and by a method according to the patent claim 15.
  • a brake for a rotating flywheel in ⁇ particular for a device with a rotating flywheel mass storage or a rotating machine or a drive at high speed, proposed, wherein the flywheel is arranged in a normally evacuated in normal operation housing, and wherein for braking the momentum ⁇ mass, in particular for a deceleration in an accident, the interior of the housing is subjected to a gas. Since ⁇ is provided that for generating the gas, a pyrotechnic gas generator with a pyrotechnic propellant charge (also propellant or primer called) is used.
  • a pyrotechnic gas generator can be easily, reliably and economically and with a high reaction speed for braking the flywheel he ⁇ required gas atmosphere in the housing with the flywheel sensory ⁇ sensory memory to be generated.
  • the pyro ⁇ technical propellant charge in normal operation requires little or no energy and is virtually maintenance-free.
  • the object is also achieved by a method for braking a rotating flywheel, in particular for a device with a rotating flywheel mass storage device or a rotating machine or a drive at high speed, the flywheel being arranged in a housing which is essentially evacuated in control mode, and wherein for slowing down the flywheel, in particular for a Abbrem ⁇ tion in a malfunction, the interior of the housing is acted upon with a gas.
  • a py ⁇ rochnischer gas generator is used to generate the gas.
  • the gas generator In contrast to the use of compressed gas cylinders whose gaseous content must already be present during the production or filling of the compressed gas cylinders, it is advantageously provided to activate the gas generator only at the time of deceleration. This has the advantage that in normal operation no standing under high pressure gas must be stored over ⁇ all.
  • the pyrotechnic propellant charges are virtually unlimited and produce their activation reliably the required amount of gas in the desired amount and thus with the desired pressure.
  • the gas generator is arranged or integrated in the housing of the device with the rotating flywheel so that no leaks of Gasgene ⁇ erator can occur to the environment and thus the vacuum in the housing is not subject to creeping impairment.
  • the gas generator can also be flanged to the housing, wherein a connection between the gas generator ⁇ and the interior of the housing is designed such that the gas can flow into the housing in the desired speed.
  • Propellant charge is more accessible and thus better maintained, checked or exchanged after activation and thus can be restored.
  • this solution can be used advantageously as a retrofit solution, because this retrofit solution is also possible with housings in which a subsequent integration of the gas generator is structurally not possible.
  • the pyrotechnic propellant charge of the gas generator is replaceable, so that after activation or use of the gas generator not the entire gas generator must be replaced or overhauled, but only the pyrotechnic
  • the propellant must be replaced.
  • the propellant is advantageous as a removable cartridge, cartridge or capsule from ⁇ designed or installed in such, which also simplifies the handling ⁇ tion.
  • the replaceable propellant charge is used in a special receiving device, said receiving device is adapted to adapt a commercial or standard pyrotechnic propellant charge.
  • a commercial or standard pyrotechnic propellant charge This makes it possible to use according to commercial pyrotechnic Treibla ⁇ applications received by almost commercially worldwide are ⁇ Lich, which simplifies the replacement or can spare an inch technically demanding international shipping.
  • the replacement procurement is simple and also very cost-effective because of the high quantities if the provided for motor vehicle airbag pyrotechnic propellant charges can be used.
  • the pressure increase of the gas ⁇ can be controlled inside the housing ge time, for example, by a stepwise increase in pressure.
  • the Gasgenera ⁇ tor several separately ignitable propellant charges and / or a multi-stage ignitable propellant charge includes.
  • the curves of the internal gas pressure of the housing can be adapted to current operating conditions and operating parameters, for example to the current speed and tempera ture of the flywheel or the housing.
  • a fixed or a dynamically changeable trigger sequence of the control multiple propellant charges or the multiple stages of propellant charge depending on the operating state of the device can be defined for different operating states ver ⁇ different Auslierekennfeider.
  • operating parameters of the flywheel mass storage device or the flywheel to be braked are monitored in the device by one or more sensors, so that by evaluating the sensor values, in particular if limit values are violated (for example speed, vibration or temperature limit values) Propellant is triggered automatically.
  • limit values for example speed, vibration or temperature limit values
  • Propellant is triggered automatically.
  • a gap between the rotating flywheel and the housing monitored ⁇ who, so that in an operational condition (for example, as a result of speed or vibration or load or mechanical damage) critical reduction of the gap dimension, the propellant charge can be triggered, thus achieving emergency braking can be.
  • Leakage test of the housing can be particularly easily detected.
  • special test propellant charges can be provided, which are used and triggered for such tests in the gas generator.
  • means for cooling the gas generated by the gas generator can be provided in or on the housing, which on the one hand leads to a reduction in the thermal load on the moving and stationary parts during deceleration. Gert is, and on the other hand, a faster deceleration ⁇ light.
  • Such a means for cooling for example, be a heat exchanger, or an injection device for an aerosol, which absorbs heat energy according to its evaporation.
  • the gas generator has a foam generating device, in which the generated gas is bound in a viscous liquid, so that a
  • Foam results.
  • This foam has the advantage over pure gas that results in a better braking effect, and that the heat capacity is higher.
  • the liquid ⁇ ness is advantageously held in a separate reservoir and foamed up at the time of the braking operation with the gas of the propellant charge and injected into the housing.
  • several ⁇ re inflow or injection openings or nozzles may be provided for uniformly exposing the housing interior.
  • the single FIGURE shows a schematic representation (sectional view) of a rotating flywheel mass accumulator with a evacuated in normal operation housing and a gas generator according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a flywheel energy storage ones shown, provides, in which one with like ⁇ netic bearings L-bearing axis A is arranged in a gas-tight housing GH, where both the rotor R of an electric machine, as well as a flywheel mass M are arranged.
  • the stator ST of the electrical machine Connected to the housing and thus not co-rotating are the stator ST of the electrical machine and a sensor S, which in this embodiment serves to monitor the gap between the rotating flywheel mass M and the housing GH (distance sensor).
  • a gas generator GG is formed on the housing, which has a Separately removable cartridge with a pyrotechnic propellant ⁇ charge T (also referred to as "propellant”) contains.
  • the electrical machine formed of a stator ST and the rotor R can be as ⁇ used in both for driving the inertial mass M (charging of the swing memory) as a generator for discharging the stored rotational energy.
  • the housing GH is largely evacuated during normal operation or filled at low pressure with a light molecular gas, such as helium.
  • a light molecular gas such as helium.
  • “Housing gap” monitored is associated with a (not shown) monitoring electronics, said monitoring electronics advantageously has its own energy storage for supplying the electronics and the ignition of the propellant charge T;
  • Such an energy store can be, for example, an accumulator or, particularly advantageously, a capacitor
  • flywheel M the rotational energy is converted into heat and thus the moving masses are decelerated.
  • the flywheel M on its surface and the housing GH be contoured on its inner surfaces or aerodynamically effective elements to further increase the friction and thus to shorten the braking process.
  • a plurality of propellant charges T or a multi-stage propellant charge T may be provided, the evaluation depending on the operating condition (speed, temperature, type of accident, etc.) delayed the triggering of the various propellant charges or the various stages or in a temporal Sequence controls and thus controls the pressure build-up of the gas pressure in the housing GH and thus controls the delay.
  • a (not shown here) means for cooling the inflowing Ga ⁇ ses be provided, for example in that parts of the housing GH inside and outside have cooling fins and thus as a heat exchanger between the already hot combustion gas, which through the Recording of the former rotation energy is still heated, and the ambient air act.
  • the above-described solution has the further advantage that primers, so the pyrotechnic propellant charges proposed here, are inexpensive, especially if the known from the automotive sector (airbags) pyrotechnic propellant charges can be used.
  • airbag capsules results in the further advantage that production, use and disposal of these propellants are known and standardized.
  • stage airbags multi-stage propellant charges
  • a main power supply e.g in an emergency stop
  • the pyrotechnic propellant charge by supplying a note energy, such as a Stützbatte ⁇ theory, a backup capacitor, etc., still reliable ge ⁇ can be ignited.
  • gas generators with pyrotechnic propellant charges are comparatively compact and can thus be used even in confined spaces and even be retrofitted to existing housings of existing systems.
  • the composition of the ignitable mixture or the addition of additives can influence the chemical composition of the gas produced when using a gas generator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse (M), insbesondere für eine Einrichtung mit einem rotierenden Schwungmassenspeicher oder einer drehenden Maschine oder einem Antrieb mit hoher Drehzahl, wobei die Schwungmasse in einem im Regelbetrieb im Wesentlichen evakuierten Gehäuse (GH) angeordnet ist, und wobei zum Abbremsen der Schwungmasse, insbesondere für eine Abbremsung in einem Störfall, das Innere des Gehäuses mit einem Gas beaufschlagt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Gases ein pyrotechnischer Gasgenerator (GG) mit einer pyrotechnischen Treibladung (T) (auch Treibsatz oder Zündkapsel genannt) verwendet wird. Durch den Einsatz eines pyrotechnischen Gasgenerators kann einfach, zuverlässig und ökonomisch und mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit die zum Abbremsen der Schwungmasse erforderliche Gasatmosphäre in dem Gehäuse mit dem Schwungmassenspeicher erzeugt werden. Darüber hinaus benötigt die pyrotechnische Treibladung im Regelbetrieb keine oder nur wenig Energie und ist nahezu wartungsfrei.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse
Die Erfindung betrifft eine Bremse für eine rotierende
Schwungmasse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und ein Verfahren zum Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Zur Speicherung von kinetischer Energie werden häufig rotierende Schwungmassenspeicher, sog. „Flywheels", verwendet, bei denen die Energie in einem rotierenden Schwungrad oder dgl . gespeichert wird. Dieses Schwungrad ist mit einem Antrieb verbunden, welcher zur Speicherung der Energie als Motor und zum Abruf der Energie als Generator geschaltet wird. Genau wie andere Antriebe, z.B. Spindeln von Zentrifugen, Hochvaku¬ umpumpen und dgl. drehen die bewegten Teile der Schwungmas¬ senspeicher meist mit hohen Drehzahlen, um eine entsprechend hohe Energiemenge speichern zu können. Die hohen Drehzahlen haben gleichzeitig zur Folge, dass die Oberflächengeschwindigkeiten hoch sind, wodurch in verstärktem Maße Reibung mit der Luft entsteht, was entsprechende Verluste, sog. „Reibgas¬ verluste", bewirkt. Um diese Verluste zu verringern oder zu vermeiden, ist es bekannt, die Schwungmassenspeicher bzw. die anderen genannten hochdrehenden Antriebe und Aggregate unter einer Schutzatmosphäre oder sogar im Vakuum zu betreiben, was entsprechend den Wirkungsgrad erhöht. Sind dazu noch die me¬ chanischen Lager der Konstruktion durch Magnetlager ersetzt, ergibt sich ein weiterer Wirkungsgradgewinn, so dass die
Schwungmasse eines „Flywheels" unter fehlenden bzw. geringen Verlusten über eine lange Dauer hinweg bei höchsten Drehzahlen (regelmäßig über 30.000 UPM) rotieren können. Aus Sicherheitsgründen muss die Schwungmasse jederzeit abge¬ bremst werden können, beispielsweise im Notfall bei mechani¬ schen Defekten oder dgl. Mechanische Bremsen, beispielsweise Backenbremsen oder Scheibenbremsen, sind bei den auftretenden hohen Drehzahlen konstruktiv schwierig zu realisieren, teuer und verursachen darüber hinaus schon im Regelbetrieb Verluste beim elektrischen Offenhalten und hohe Wartungskosten. Überdies droht beim Einsatz mechanischer Bremsen bei einem unabsichtlichen Blockieren der Schwungmasse Schäden am Schwungmassenspeicher bzw. dem hochdrehenden Antrieb.
Für das sichere und zuverlässige Abbremsen der Schwungmassen, insbesondere im Fehlerfall, macht man sich die bereits er¬ wähnten Reibgasverluste zunutze. Dabei wird eine Möglichkeit vorgesehen, um einen im Vakuum oder unter teilweise evakuierten Bedingungen rotierenden Körper herum zum Abbremsen eine dichte Atmosphäre schnell aufzubauen, beispielsweise durch Belüftung des im Regelbetrieb evakuierten Gehäuses. Dabei be¬ reits bekannte Lösungen umfassen beispielsweise Magnetventi¬ le, die im Fehlerfall das Gehäuse mit der normalen Atmosphäre belüften oder den Inhalt einer Druckgasflasche in das Gehäuse einströmen lassen. Um die Anordnung „eigensicher" auszuführen, sind die Magnetventile dabei regelmäßig derart ausge¬ führt, dass im Regelbetrieb, also zur Aufrechterhaltung des Vakuums, das Ventil bestromt werden muss, also dauerhaft elektrische Leistung benötigt und somit den Gesamtwirkungs¬ grad der Anordnung beeinträchtigt. Außerdem können die elekt¬ rischen Magnetventile Leckagen aufweisen, die den Evakuierungsgrad und damit auch den Wirkungsgrad der Anordnung be¬ einträchtigen, das regelmäßige Kontrollieren bzw. Auffüllen des Druckgasbehälters erfordern oder den regelmäßigen Einsatz einer Vakuumpumpe zur Wiederherstellung des Vakuums erfordern .
Eine weitere Möglichkeit zum Belüften des Gehäuses im Fehler¬ fall besteht im Einsatz einer sog. „Berstscheibe", also einer Art Sollbruchstelle in der Gehäusewand bzw. zwischen Gehäuse und einem Druckgasbehälter, die das Vakuum dauernd und zuverlässig von der umgebenden Atmosphäre oder einem Druckgasbe¬ hälter trennt. Im Notfall kann die Scheibe durch eine Spreng¬ ladung, einen vorschnellenden, elektrisch ausgelösten Stift oder dgl . zerstört werden. Neben den auch hier fallweise auf- tretenden Leckagen, die das Vakuum beeinträchtigen, muss die Berstscheibe nach jedem Einsatz ersetzt werden, was hohe Kos¬ ten verursachen kann. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und zuverlässige Alternative für das Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse anzugeben, wobei die angestrebte Lösung im Regelbetrieb einen geringen Energiebedarf aufweisen soll, im Aktivierungsfall mit einer geringen Akti- vierungsenergie auskommen soll, und wobei die Lösung nach ih¬ rer Nutzung bzw. Aktivierung für die Rückkehr in den Regelbetrieb kostengünstig in einen Ausgangszustand zurückversetzbar sein soll. Es ist eine Kernidee der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe, das zum Abbremsen der rotierenden Masse benötigte Gas ("Reibgas") erst zum Zeitpunkt des Bremsvorgangs zu erzeugen, indem durch das Zünden einer kleinen Sprengkapsel oder einer anderen Treibladung das Gas auf pyrotechnische Weise erzeugt wird. Der Gasgenerator wird dabei im oder am Vakuumgefäß un¬ tergebracht. Im Fall eines angeforderten Nothalts wird die Kapsel gezündet und das entstehende Gas füllt sehr schnell die Vakuumkammer, also das Gehäuse, auf. Die rotierende Masse („Flywheel") wird dadurch in kürzester Zeit abgebremst. Die rotierende Masse und die anderen beweglichen Teile werden da¬ bei an ihre Oberfläche sehr heiß, je nach Bremsleistung auch rotglühend. Hierbei ist der Einsatz von Verbrennungsgasen besser als die Verwendung reiner Umgebungsluft, weil die Ver¬ brennungsgase weniger oder keinen Sauerstoff enthalten und somit Oxidationen vermieden werden. Erfindungsgemäß kann das Signal zum Auslösen der Notbremsung von einer übergeordneten Steuerung kommen, beispielsweise wenn der Luftspalt zwischen Masse (Schwungmasse) und dem Gehäuse zu klein wird, wenn ein Schwingungssensor anschlägt, ein Nothalttaster betätigt wird oder ein anderes Alarmsystem (Feueralarm oder dgl . ) ausgelöst wird . Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 15 gelöst.
Dabei wird eine Bremse für eine rotierende Schwungmasse, ins¬ besondere für eine Einrichtung mit einem rotierenden Schwungmassenspeicher oder einer drehenden Maschine oder einem Antrieb mit hoher Drehzahl, vorgeschlagen, wobei die Schwungmasse in einem im Regelbetrieb im Wesentlichen evakuierten Gehäuse angeordnet ist, und wobei zum Abbremsen der Schwung¬ masse, insbesondere für eine Abbremsung in einem Störfall, das Innere des Gehäuses mit einem Gas beaufschlagt wird. Da¬ bei ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Gases ein pyrotechnischer Gasgenerator mit einer pyrotechnischen Treibladung (auch Treibsatz oder Zündkapsel genannt) verwendet wird. Durch den Einsatz eines pyrotechnischen Gasgenerators kann einfach, zuverlässig und ökonomisch und mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit die zum Abbremsen der Schwungmasse er¬ forderliche Gasatmosphäre in dem Gehäuse mit dem Schwungmas¬ senspeicher erzeugt werden. Darüber hinaus benötigt die pyro¬ technische Treibladung im Regelbetrieb keine oder nur wenig Energie und ist nahezu wartungsfrei.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse, insbesondere für eine Ein¬ richtung mit einem rotierenden Schwungmassenspeicher oder einer drehenden Maschine oder einem Antrieb mit hoher Drehzahl, gelöst, wobei die Schwungmasse in einem im Regelbetrieb im Wesentlichen evakuierten Gehäuse angeordnet ist, und wobei zum Abbremsen der Schwungmasse, insbesondere für eine Abbrem¬ sung in einem Störfall, das Innere des Gehäuses mit einem Gas beaufschlagt wird. Dabei wird zur Erzeugung des Gases ein py¬ rotechnischer Gasgenerator verwendet. Mit diesem Verfahren können dieselben Vorteile realisiert werden, die zuvor bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wurden . Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die dabei beschriebenen Merkmale und deren Vorteile können sowohl einzeln, als auch in Kombination miteinander realisiert wer- den. Die vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren .
Im Unterschied zu dem Einsatz von Druckgasflaschen, deren gasförmiger Inhalt bereits bei der Produktion bzw. Befüllung der Druckgasflaschen vorliegen muss, ist vorteilhaft vorgesehen, den Gasgenerator erst zum Zeitpunkt der Abbremsung zu aktivieren. Das hat zum Vorteil, dass im Regelbetrieb über¬ haupt kein unter Hochdruck stehendes Gas gelagert werden muss. Darüber hinaus sind die pyrotechnischen Treibladungen nahezu unbegrenzt haltbar und erzeugen bei ihrer Aktivierung zuverlässig die erforderliche Gasmenge in gewünschter Menge und somit mit dem gewünschten Druck. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gasgenerator im Gehäuse der Einrichtung mit der rotierenden Schwungmasse angeordnet bzw. integriert, so dass keine Leckagen des Gasgene¬ rators zur Umgebung auftreten können und somit das Vakuum in dem Gehäuse keiner schleichenden Beeinträchtigung unterworfen ist. Alternativ kann der Gasgenerator aber auch an dem Gehäuse angeflanscht sein, wobei eine Verbindung zwischen dem Gas¬ generator und dem Inneren des Gehäuses derart ausgestaltet ist, dass das Gas in der gewünschten Geschwindigkeit in das Gehäuse einströmen kann. Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Gasgenerator bzw. die darin angeordnete pyrotechnische
Treibladung besser zugänglich ist und somit besser gewartet, überprüft oder nach einer Aktivierung getauscht und somit wiederhergestellt werden kann. Außerdem ist diese Lösung als Nachrüstlösung vorteilhaft verwendbar, weil diese Nachrüstlö- sung auch bei solchen Gehäusen möglich ist, bei denen eine nachträgliche Integration des Gasgenerators konstruktiv nicht möglich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der pyrotechnische Treibsatz des Gasgenerators auswechselbar, so dass nach einer Aktivierung bzw. einem Einsatz des Gasgenerators nicht der komplette Gasgenerator ausgewechselt oder überholt werden muss, sondern lediglich die pyrotechnische
Treibladung ersetzt werden muss. Dabei ist der Treibsatz vorteilhaft als wechselbare Kartusche, Patrone oder Kapsel aus¬ gestaltet oder in einer solchen eingebaut, was auch die Hand¬ habung vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die auswechselbare Treibladung in eine spezielle Aufnahmevorrichtung eingesetzt wird, wobei diese Aufnahmevorrichtung zur Adaption einer handelsüblichen oder genormten pyrotechnischen Treibladung ausgebildet ist. Dies macht es möglich, entsprechend handelsübliche pyrotechnische Treibla¬ dungen zu verwenden, die nahezu weltweit kommerziell erhält¬ lich sind, was die Ersatzbeschaffung vereinfacht bzw. einen zolltechnisch aufwändigen internationalen Versand erübrigen kann. Insbesondere ist die Ersatzbeschaffung einfach und darüber hinaus auch wegen der hohen Stückzahlen sehr kostengünstig, wenn die für Kfz-Airbags vorgesehenen pyrotechnischen Treibladungen eingesetzt werden können. Zur Steuerung des Abbremsvorgangs und zur Steuerung der Erwärmung des erhitzten Gases ist es von Vorteil, wenn der Druckanstieg des Gases im Inneren des Gehäuses zeitlich ge¬ steuert werden kann, beispielsweise durch eine stufenweise Druckerhöhung. Damit können auch mechanische Lastspitzen ver- ringert werden. Dazu wird vorgeschlagen, dass der Gasgenera¬ tor mehrere separat zündbare Treibladungen und/oder eine mehrstufig zündbare Treibladung umfasst. Kombiniert mit einer entsprechenden mehrkanaligen Ansteuerungselektronik können dabei auch die Verläufe des Gasinnendrucks des Gehäuses an aktuelle Betriebsbedingungen und Betriebsparameter angepasst werden, beispielsweise an die aktuelle Drehzahl und Tempera¬ tur der Schwungmasse bzw. des Gehäuses. Somit lässt sich eine festgelegte oder eine dynamisch änderbare Auslösesequenz der mehren Treibladungen oder der mehreren Stufen der Treibladung abhängig vom Betriebszustand der Einrichtung steuern. Beispielsweise können für verschiedene Betriebszustände ver¬ schiedene Auslösekennfeider definiert werden.
Vorteilhaft werden Betriebsparameter des Schwungmassenspei¬ chers bzw. der abzubremsenden Schwungmasse in der Einrichtung durch einen oder mehrere Sensoren überwacht, so dass durch eine Auswertung der Sensorwerte insbesondere bei einer Ver- letzung von Grenzwerten (beispielsweise Drehzahl-, Vibrati- ons- oder Temperaturgrenzwerte) die Treibladung automatisch ausgelöst wird. Besonders vorteilhaft kann ein Spalt zwischen der rotierenden Schwungmasse und dem Gehäuse überwacht wer¬ den, so dass bei einer betriebsbedingt (beispielsweise in Folge von Drehzahl oder Vibration oder Last oder mechanischen Schäden) kritischen Verringerung des Spaltmaßes die Treibladung ausgelöst werden kann und somit eine Notfallabbremsung erreicht werden kann.
Durch den Einsatz eines pyrotechnischen Gasgenerators können zur Abbremsung Gase mit gewünschten Eigenschaften erzeugt werden, insbesondere sog. inerte Gase, die beispielsweise ei¬ nen geringen Sauerstoffanteil aufweisen und somit der Korro¬ sion der Schwungmasse und anderer Teile in der Anordnung entgegenwirken. Insbesondere ist es möglich, der pyrotechnischen Treibladung chemische Zusätze beizufügen, bei deren Abbrand Gasbestandteile mit besonders vorteilhaften Eigenschaften entstehen, beispielsweise mit einer hohen Dichte, einer hohen Wärmekapazität oder mit Indikatorstoffen, die bei einer
Leckageprüfung des Gehäuses besonders leicht nachgewiesen werden können. Dazu können auch spezielle Prüf-Treibladungen vorgesehen werden, die zu solchen Tests in den Gasgenerator eingesetzt und ausgelöst werden. Vorteilhaft können im oder an dem Gehäuse Mittel zur Kühlung des durch den Gasgenerator erzeugten Gases vorgesehen werden, was zum Einen dazu führt, dass die thermische Belastung der bewegten und der unbewegten Teile bei der Abbremsung verrin- gert wird, und zum anderen eine schnellere Abbremsung ermög¬ licht. Ein solches Mittel zur Abkühlung kann beispielsweise eine Wärmetauscher sein, oder aber eine Einspritzvorrichtung für ein Aerosol, welches bei seiner Verdampfung entsprechend Wärmeenergie absorbiert.
In einer vorteilhaften Variante weist der Gasgenerator eine Schaumerzeugungseinrichtung auf, bei der das erzeugte Gas in einer zähen Flüssigkeit gebunden wird, so dass sich ein
Schaum ergibt. Dieser Schaum hat gegenüber dem reinen Gas den Vorteil, dass sich eine bessere Bremswirkung ergibt, und dass die Wärmekapazität höher ist. Vorteilhaft wird die Flüssig¬ keit in einem separaten Vorratsbehälter gehalten und zum Zeitpunkt des Bremsvorgangs mit dem Gas der Treibladung auf- geschäumt und in das Gehäuse eingespritzt. Dazu können mehre¬ re Einström- oder Einspritzöffnungen oder Düsen zum gleichmäßigen Beaufschlagen des Gehäuse-Inneren vorgesehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bremse wird nachfolgend anhand der Figur erläutert. Das Ausführungsbei¬ spiel dient gleichzeitig der Erläuterung des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens .
Dabei zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung (Schnittdarstellung) einen rotierenden Schwungmassenspeicher mit einem im Regelbetrieb evakuierten Gehäuse und einem erfindungsgemäßen Gasgenerator.
In der Figur ist schematisch ein Schwungmassenspeicher darge- stellt, bei dem in einem gasdichten Gehäuse GH eine mit mag¬ netischen Lagern L gelagerte Achse A angeordnet ist, auf der sowohl der Rotor R einer elektrischen Maschine, als auch eine Schwungmasse M angeordnet sind. Mit dem Gehäuse verbunden und also nicht mitdrehend sind der Stator ST der elektrischen Ma- schine und ein Sensor S, der in diesem Ausführungsbeispiel der Überwachung des Spaltes zwischen der rotierenden Schwungmasse M und dem Gehäuse GH dient (Abstandssensor) . Weiterhin ist an dem Gehäuse ein Gasgenerator GG angeformt, der eine separat entnehmbare Patrone mit einer pyrotechnischen Treib¬ ladung T (auch als "Treibsatz" bezeichnet) enthält. Die aus Stator ST und Rotor R gebildete elektrische Maschine kann da¬ bei sowohl zum Antrieb der Schwungmasse M (Aufladung des Schwungspeichers) als auch als Generator zum Ausleiten der gespeicherten Rotationsenergie verwendet werden.
Das Gehäuse GH ist im Regelbetrieb weitgehend evakuiert oder bei geringem Druck mit einem leicht-molekularen Gas gefüllt, beispielsweise Helium. Es soll nun davon ausgegangen werden, dass die Achse A mit der Schwungmasse M und dem Rotor R mit einer Nenndrehzahl dreht, beispielsweise 30.000 UPM, so dass die in den rotierenden Massen, insbesondere in der Schwungmasse M, dem Rotor R und der Achse A, gespeicherte Energie über die elektrische Maschine, die aus dem Rotor R und dem Stator ST besteht, zum Abruf bereitsteht. Der Sensor S, der in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch den sog.
"Gehäusespalt" überwacht, ist mit einer (nicht dargestellten) Überwachungselektronik verknüpft, wobei diese Überwachungs- elektronik vorteilhaft über einen eigenen Energiespeicher zur Versorgung der Elektronik und zur Zündung der Treibladung T aufweist; ein solcher Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator oder besonders vorteilhaft ein Kondensator
(Elektrolytkondensator oder „Super Cap") sein.
Sobald der Sensor S oder ein anderer, hier nicht dargestellter Sensor, Notschalter oder dgl . auslöst, wird durch die in der Auswerteelektronik gespeicherte Energie die pyrotechnische Treibladung T gezündet, was zu deren Abbrand führt und damit zu der Erzeugung einer entsprechenden Menge Gas (Verbrennungsgas) . Durch eine Öffnung zwischen dem Gasgenerator GG und dem Gehäuse GH strömt dieses Gas in das zuvor zumin¬ dest teilweise evakuierte Gehäuse GH ein, wobei durch die dann gegebene Reibung zwischen den Teilchen (Atome, Moleküle) des Gases und den bewegten Oberflächen, insbesondere der
Schwungmasse M, die Rotationsenergie in Wärme umgesetzt wird und somit die bewegten Massen abgebremst werden. Vorteilhaft kann insbesondere die Schwungmasse M an ihrer Oberfläche und das Gehäuse GH an seinen Innenflächen konturiert sein oder aerodynamisch wirksame Elemente aufweisen, um die Reibung weiter zu erhöhen und somit den Bremsvorgang zu verkürzen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere Treibladungen T oder eine mehrstufige Treibladung T vorgesehen sein, wobei die Auswerteelektronik je nach Betriebszustand (Drehzahl, Temperatur, Art des Störfalls etc.) die Auslösung der verschiedenen Treibladungen bzw. der verschiedenen Stufen zeitlich verzögert bzw. in einer zeitlichen Sequenz steuert und damit den Druckaufbau des Gasdrucks in dem Gehäuse GH steuert und somit die Verzögerung steuert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein (hier nicht dargestelltes) Mittel zur Kühlung des eingeströmten Ga¬ ses vorgesehen sein, beispielsweise dadurch, dass Teile des Gehäuses GH innen und außen Kühlrippen aufweisen und somit als Wärmetauscher zwischen dem ohnehin schon heißen Verbrennungsgas, welches durch die Aufnahme der vormaligen Rotati- onsenergie noch weiter erhitzt ist, und der Umgebungsluft wirken .
Neben den technischen Vorteilen hat die zuvor geschilderte Lösung den weiteren Vorteil, dass Zündkapseln, also die hier vorgeschlagenen pyrotechnischen Treibladungen, kostengünstig sind, insbesondere dann, wenn die aus dem Automotive-Bereich (Airbags) bekannten pyrotechnischen Treibladungen verwendet werden können. Neben der weltweiten Verfügbarkeit solcher sog. „Airbag-Kapseln" ergibt sich als weiter Vorteil, dass Herstellung, Verwendung und Entsorgung dieser Treibladungen bekannt und standardisiert sind.
In technischer Hinsicht ergeben sich weitere Vorteile, insbe¬ sondere, dass im normalen, regelmäßigen Betrieb kein oder nur ein geringer Energieverbrauch der Bremseinrichtung entsteht, dass Schädigungen der Schwungmassenspeicher (Flywheels) durch das Abbremsen nicht zu befürchten sind - im Gegensatz zu mechanischen Bremsen -, und dass ein gestufter Bremsbetrieb durch Zündungen mehrerer Kapseln oder mehrerer Stufen möglich ist. Dazu können die ebenfalls aus dem Automotive-Bereich bereits bekannten und verfügbaren mehrstufigen Treibladungen ("Stufen-Airbags") verwendet werden, die in solchen Kraft- fahrzeugen Verwendung finden, die je nach Geschwindigkeit und je nach Schwere der Kollision eine angepasste Auslösung der Airbags ermöglichen. Ein weiterer Vorteil, der mit dem geringen Energiebedarf im Regelbetrieb einhergeht, ist derjenige, dass auch bei der Abschaltung einer Hauptstromversorgung (z.B. bei einem Not-Aus) die pyrotechnische Treibladung durch Versorgung einer Notenergie, beispielsweise einer Stützbatte¬ rie, eines Stützkondensators etc., immer noch zuverlässig ge¬ zündet werden kann. Nicht zuletzt sind Gasgeneratoren mit pyrotechnischen Treibladungen vergleichsweise kompakt und können damit auch unter beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden und sogar nachträglich an bestehende Gehäuse von bestehenden Anlagen angebaut werden.
Im Gegensatz zu der Verwendung von atmosphärischer Luft kann bei der Verwendung eines Gasgenerators durch eine Gestaltung der Zusammensetzung des zündfähigen Gemisches oder durch das Beifügen von Zusatzstoffen die chemische Zusammensetzung des produzierten Gases beeinflusst werden. Insbesondere ist es dabei möglich, ein weitgehend inertes Gas zur Vermeidung von Oxidationen zu erzeugen, Gasbestandteile mit besonders großen bzw. schweren Molekülen zur Verbesserung der Bremswirkung und zur Verbesserung der Wärmekapazität und der Wärmeabfuhr zu erzeugen, oder aber auch mit dem Gas sog. Indikatorstoffe zu erzeugen, mit denen bei einem Drucktest des Gehäuses Leckagen detektierbar oder sichtbar gemacht werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Bremse für eine rotierende Schwungmasse (M) ,
insbesondere für eine Einrichtung mit einem rotierenden
Schwungmassenspeicher oder einer drehenden Maschine oder Antrieb mit hoher Drehzahl,
wobei die Schwungmasse (M) in einem im Regelbetrieb im We¬ sentlichen evakuierten Gehäuse (GH) angeordnet ist, und wobei zum Abbremsen der Schwungmasse (M) , insbesondere für eine Abbremsung in einem Störfall, das innere des Gehäuses (GH) mit einem Gas beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Erzeugung des Gases ein pyrotechnischer Gasgenerator (GG) mit einer pyrotechnischen Treibladung (T) vorgesehen ist.
2. Bremse nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass vorgesehen ist, den Gasgenerator (GG) erst zum Zeitpunkt der Abbremsung zur aktivieren.
3. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator (GG) im Gehäuse (GH) der Einrichtung mit der rotierenden Schwungmasse (M) angeordnet ist.
4. Bremse nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator (GG) an dem Gehäuse (GH) angeflanscht ist, wobei eine Verbindung zwischen dem Gasgenerator (GG) und dem Inneren des Gehäuses (GH) derart ausgestaltet ist, dass das Gas in das Gehäuse (GH) einströmen kann.
5. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die pyrotechnische Treibladung (T) des Gasgenerators (GG) auswechselbar ist.
6. Bremse nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Treibladung (T) als wechselbare Kartusche, Patrone oder Kapsel ausgestaltet ist oder in einer solchen eingebaut ist .
7. Bremse nach Patentanspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Verwendung der auswechselbaren Treibladung (T) eine Aufnahmevorrichtung für diese auswechselbare Treibladung (T) vorgesehen ist, wobei diese Aufnahmevorrichtung zur Adaption einer handelsüblichen oder genormten pyrotechnischen Treibladung (T) , insbesondere eines solchen für KFZ-Airbags, ausge- staltet ist.
8. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator (GG) mehrere separat zündbare Treibla- düngen (T) und/oder eine mehrstufig zündbare Treibladung (T) umfasst .
9. Bremse nach Patentanspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Auslösesequenz der mehreren Treibladungen (T) oder der mehreren Stufen der Treibladung (T) durch zumindest einen Betriebszustand der Einrichtung mit der Schwungmasse (M) steuerbar ist.
10. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bremse ein automatisches Auslösemittel für die
Treibladung (T) mit zumindest einem Sensor (S) zur Überwachung zumindest eines Betriebsparameters der Einrichtung mit der Schwungmasse (M) umfasst, wobei eine automatische Auslö¬ sung bei einer Grenzwertverletzung des zumindest einen Betriebsparameters vorgesehen ist.
11. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator (GG) zur Erzeugung eines im Wesentlichen inerten Gases ausgebildet ist.
12. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel zur Kühlung des durch den Gasgenerator (GG) erzeugten Gases vorgesehen sind.
13. Bremse nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator derart ausgestaltet ist, dass das Gas im Wesentlichen in einem Schaum aus einer zähfließenden Flüs- sigkeit eingebunden ist.
14. Bremse nach Patentanspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasgenerator einen Vorratsbehälter für die Flüssig- keit umfasst oder an einem solchen angeschlossen ist, und dass der Gasgenerator eine Schaumerzeugungseinrichtung aufweist.
15. Verfahren zum Abbremsen einer rotierenden Schwungmasse (M),
insbesondere für eine Einrichtung mit einem rotierenden
Schwungmassenspeicher oder einer drehenden Maschine oder Antrieb mit hoher Drehzahl,
wobei die Schwungmasse (M) in einem im Regelbetrieb im We- sentlichen evakuierten Gehäuse (GH) angeordnet ist, und wobei zum Abbremsen der Schwungmasse (M) , insbesondere für eine Abbremsung in einem Störfall, das innere des Gehäuses
(GH) mit einem Gas beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Erzeugung des Gases ein pyrotechnischer Gasgenerator
(GG) mit einer pyrotechnischen Treibladung (T) verwendet wird .
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