WO2021148459A1 - Kolbenspeichersystem sowie überwachungsmodul und überwachungsverfahren für ein kolbenspeichersystem - Google Patents

Kolbenspeichersystem sowie überwachungsmodul und überwachungsverfahren für ein kolbenspeichersystem Download PDF

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WO2021148459A1
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piston
sealing
monitoring module
energy
housing
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PCT/EP2021/051186
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Christoph SCHÜLE
Martin Franz
Johan Strandberg
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Trelleborg Sealing Solutions Germany Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a piston accumulator system with an accumulator housing and a flying piston which separates a gas space and a liquid space in the accumulator housing from one another.
  • the invention also relates to a method for monitoring a piston accumulator system.
  • Piston accumulator systems are used for cyclical intermediate storage and delivery of mechanical energy, especially when there is a short-term need for high mechanical power.
  • liquid typically oil
  • gas typically nitrogen
  • This increases the pressure in the gas space.
  • liquid is prevented from flowing out of the liquid space, typically by closing a valve.
  • liquid In order to discharge the piston storage system, liquid is allowed to flow out of the liquid space, typically by opening the valve, so that the gas pressure drives liquid out of the liquid space via the piston.
  • a device for determining the position of a movable piston which is arranged within a piston accumulator as a partition between a gas space and a fluid space comprises at least one pressure sensor for capturing pressure data, at least one ultrasonic sensor for capturing ultrasonic data and at least one computer unit for evaluating the data.
  • the position of the piston can be determined with the computer unit.
  • the sensors and the computer unit are arranged on a housing or outside the housing of the piston accumulator. A thermal capacity can be introduced into the piston in order to cool the gas when the piston accumulator is being charged, so that more energy can be absorbed.
  • DE 10 2005 015 948 A1 describes a fluidic component with at least one sensor device and with a wireless data transmission device for transmitting sensor and / or control signals between the fluidic component and an external control device.
  • at least one solar cell arrangement or a thermoelectric converter or a converter which converts the kinetic energy of a moving part of the fluidic component into electrical energy is electrically connected as an energy supply device for providing the operating voltage for the data transmission device.
  • Electrical buffers can be provided for buffering electrical energy.
  • a method and a device for supplying electrical consumers in or on a pneumatic device with electrical supply energy are known.
  • the pneumatic device is connected to a pressure source via a pneumatic line.
  • the energy transfer to the pneumatic device takes place via the pneumatic line by means of sound waves, microwaves, pressure changes or a gas flow in the pneumatic line.
  • a conversion of this transmitted energy into the electrical supply energy takes place in or on the pneumatic device.
  • DE 10 2004 055 054 A1 discloses a method and a hydraulic circuit for supplying electrical consumers, in particular electric actuators, a hydraulic circuit with electrical energy, the electrical energy required to actuate and control the electrical consumers by at least partially converting the hydraulic energy, of the pressure medium conveyed by a hydraulic pump is generated.
  • Piston accumulator systems are used, for example, to turn the blades of wind turbines out of the wind when there is a threat of overload, for example due to gusts of wind.
  • a dangerous failure mechanism in piston accumulator systems is leakage past the piston, in which case gas can enter the liquid space from the gas space or, conversely, liquid can enter the gas space from the liquid space.
  • a piston accumulator system has an accumulator housing.
  • the piston accumulator system also has a flying piston.
  • the flying piston separates a gas space and a liquid space in the storage housing from one another.
  • the flying piston has no mechanical connection from the accumulator housing. In particular, there is no piston rod extending out of the storage housing.
  • the gas space is typically filled with nitrogen.
  • the liquid space is typically filled with oil.
  • the piston accumulator system can have a pump in order to pump liquid into the liquid space.
  • a monitoring module is arranged on the piston.
  • the monitoring module has the following:
  • the monitoring module is preferably a monitoring module according to the invention as described below.
  • the piston accumulator system can advantageously be monitored with a monitoring method according to the invention described below.
  • the energy generation unit can generate electrical energy that can be used for the monitoring module from mechanical, in particular kinetic, and / or thermal energy of the piston.
  • the mechanical energy can in particular be kinetic energy of a rigid body movement of the piston.
  • the energy generation unit can have a magnet that can be moved with respect to a coil and / or a piece of mass supported on a piezo element. A change in the acceleration of the piston leads to a deflection of the magnet or piece of mass that can be used to generate electrical energy.
  • the energy generation unit can have a thermoelectric and / or pyroelectric generator, in particular a Peltier element. A temperature gradient that can be used for this purpose can be applied to the piston, since the gas in the gas space is heated or cooled when the piston storage system is being charged or discharged.
  • the energy generation unit can have a photodiode for converting electromagnetic waves, in particular light, into electrical energy.
  • a light source can be provided on the storage housing, in particular facing the piston on an end face of the gas space.
  • the electrical energy obtained can be held in the energy storage unit until it is required to operate the sensor arrangement and / or the radio unit.
  • the sensor arrangement and the radio unit can therefore be operated independently of the current generation of electrical energy by the energy generation unit.
  • the energy generation unit, the sensor arrangement and the radio unit are basically with the Energy storage unit electrically connected. The aforementioned components can thereby be supplied with electrical energy from the energy storage unit.
  • the sensor arrangement has at least one sensor.
  • the operating data can include the measured values of the sensor or sensors. Alternatively or additionally, the operating data can be derived from the measured values.
  • the sensor arrangement can have an evaluation unit for processing measured values of the sensor arrangement.
  • the piston typically has a seal arrangement.
  • the operating data determined can be used in particular to monitor the sealing arrangement, preferably within the scope of a method according to the invention described below.
  • the sealing arrangement can have one or more sealing devices, each with one or more sealing elements, each with one or more dynamic and / or static sealing sections.
  • the radio unit is basically set up for wireless transmission of the operating data.
  • the radio unit can have a radio transmitter for this purpose.
  • the radio unit is preferably also set up to receive radio signals, for example containing control information for the monitoring module.
  • the radio unit can then have a combined radio transmitter / receiver.
  • the radio unit can in particular have a radio frequency radio transmitter or radio frequency radio transmitter / receiver or a lightwave radio transmitter or lightwave radio transmitter / receiver.
  • the radio unit can have a Bluetooth module.
  • the radio unit can comprise a microcontroller.
  • the piston accumulator system according to the invention allows autonomous monitoring of its operating state by recording and transmitting operating data.
  • An external energy source or an external energy supply is not required for this.
  • the operating data can be recorded directly on the piston (which is not accessible from the outside) and in particular relate to the piston itself.
  • Undesired, in particular dangerous, operating states can be recognized in the piston accumulator system according to the invention, so that suitable countermeasures can be initiated in good time, if necessary.
  • the sensor arrangement can be any sensor arrangement.
  • a gas pressure sensor for measuring a gas pressure in the gas space and / or
  • a liquid pressure sensor for measuring a liquid pressure in the liquid space and / or
  • a temperature sensor in particular for measuring a temperature in the gas space and / or
  • a distance sensor in particular for measuring a distance between the piston and a wall, preferably an end face delimiting the gas space, of the storage housing and / or
  • an impedance sensor for measuring an impedance in the gas space.
  • Another temperature sensor can be provided for measuring a temperature in the liquid space.
  • the distance sensor is preferably an infrared distance sensor.
  • Operating data of the piston accumulator system can be determined by means of the aforementioned sensors. An operating state of the piston accumulator system can be inferred from the combination of different measured values from the sensors or from the change in the measured values.
  • the piston advantageously has a sealing device with a first and a second dynamic sealing section.
  • the two dynamic sealing sections seal the piston against the accumulator housing.
  • the dynamic sealing sections slide along the accumulator housing.
  • a particularly effective separation of the liquid space from the gas space can be achieved by means of two dynamic sealing sections.
  • one of the sealing sections can primarily seal the gas space and the other sealing section primarily the liquid space.
  • the both dynamic sealing sections can be formed on a common sealing element. This can simplify production, in particular assembly on the piston.
  • the sensor system can have an inner seal pressure sensor for measuring an inner seal pressure between the first and the second dynamic sealing section.
  • the measurement of the inner seal pressure opens up expanded diagnostic options, in particular with regard to a leak at one or the other dynamic sealing section.
  • the sealing device can have a first sealing element with a retaining groove in which a second sealing element is arranged.
  • One of the two dynamic sealing sections can be formed on the first or on the second sealing element.
  • the two dynamic sealing sections can be formed on the first sealing element.
  • the first sealing element can in turn be arranged in a receiving groove of the piston.
  • the first sealing element can consist of a viscoplastic or elastic-plastic material, in particular a thermoplastic, for example PTFE.
  • the second sealing element can consist of a rubber-elastic or hyper-elastic material, in particular an elastomer.
  • At least one pressure channel can extend through the first sealing element.
  • the pressure channel is used to transmit the inner seal pressure to the inner seal pressure sensor.
  • a plurality of pressure channels are preferably formed and in particular are arranged distributed uniformly over the circumference of the first sealing element.
  • the pressure channel can extend from the retaining groove, in particular a groove base of the retaining groove, through the first sealing element.
  • the two dynamic sealing sections are typically formed on the first sealing element.
  • the second sealing element can have one or two further dynamic sealing sections for sealing on the storage housing.
  • the second Sealing element can have two static sealing sections for sealing on the first sealing element.
  • the second sealing element can have a V-shaped cross section.
  • the two static sealing sections are then formed on the legs of the V-shaped cross section and the further dynamic sealing section is formed at the tip.
  • the second sealing element can have an X-shaped cross section (with two further dynamic and two static sealing sections).
  • the pressure channel can open into the retaining groove between the two static sealing sections of the second sealing element.
  • the inner seal pressure sensor then enables the diagnosis of a twisting of the second sealing element
  • the sealing device can have two retaining grooves, in each of which a second sealing element is arranged.
  • One of the two dynamic sealing sections can each be formed on the two second sealing elements. If the two dynamic sealing sections are formed on the first sealing element, a further dynamic sealing section can be formed on each of the two second sealing elements.
  • the pressure channel can extend between the two retaining grooves. This enables the two second sealing elements to be monitored.
  • the first sealing element can have an extension through which the pressure channel runs.
  • the first sealing element can be prestressed on both sides of the extension via a prestressing element of the sealing device.
  • the prestressing of the first sealing element against the storage housing by means of the prestressing elements allows the use of materials for the first sealing element which themselves do not have sufficient elasticity, but have advantages with regard to their sealing properties, such as tough elastic materials.
  • the preload elements can be spaced apart from one another by the extension.
  • the prestressing elements can statically seal the first sealing element with respect to the piston.
  • the prestressing elements can be designed as O-rings, preferably made of rubber-elastic material.
  • a recess for engaging the extension can be formed in the receiving groove of the piston.
  • the piston accumulator system can have a single-stage sealing arrangement on the piston, in particular with a previously described sealing device with a first and a second dynamic sealing section.
  • the piston can have a two-stage sealing arrangement with a liquid-side sealing device and a gas-side sealing device.
  • This allows a specific design or layout of the sealing device which is respectively arranged on the gas side or on the liquid side.
  • the gas-side and / or the liquid-side sealing device can each be a previously described sealing device with two dynamic sealing sections.
  • the sensor system can have an intermediate seal pressure sensor for measuring an intermediate seal pressure between the liquid-side and the gas-side sealing device.
  • the measurement of the intermediate seal pressure opens up expanded diagnostic options, in particular with regard to a leak at the liquid-side and / or the gas-side sealing device.
  • a further radio unit can be arranged on the storage housing, in particular on an end face of the storage housing that delimits the gas space.
  • the further radio unit can receive operating data transmitted by the radio unit of the monitoring module and preferably forward them for further processing and / or buffer them. Radio signals are only slightly attenuated by the gas in the gas space, so that the radio unit of the monitoring module can be operated with particularly low power.
  • the further radio unit on the storage housing has a radio receiver, preferably a combined radio receiver / transmitter. In the latter case, the further radio unit on the storage housing can transmit control information for the monitoring module to the radio unit of the monitoring module which is set up to receive radio signals.
  • the piston has a depression on the gas space side, and that at least the energy generation unit, the energy storage unit and the radio unit of the monitoring module are arranged in the depression.
  • Some or all of the sensors of the sensor arrangement are preferably also arranged in the trough. Arranged in the trough means that the components mentioned at least extend into the trough and preferably do not protrude from the trough. This arrangement allows a stable and protected attachment of the aforementioned components.
  • the energy storage unit can have an accumulator and / or a capacitor.
  • An accumulator allows the storage of larger amounts of electrical energy.
  • a capacitor can be charged or discharged particularly quickly.
  • the energy generation unit can have an energy converter for converting thermal or mechanical energy stored in a thermal and / or mechanical energy store into electrical energy.
  • the energy content of the thermal or mechanical energy store can be increased by means of the piston.
  • the mechanical energy store can be a flywheel, for example.
  • the piston accumulator system can have an actuator for influencing the piston.
  • the actuator is basically arranged on the piston itself and can be part of the monitoring module.
  • the actuator can be an actively controllable valve.
  • the actuator can have an electrically influenceable material, for example a piezoelectric material.
  • the actuator can open or close a bypass for bypassing a sealing section, a sealing element or a sealing device of a sealing arrangement of the piston. As a result, the lubrication of the sealing arrangement can be influenced, in particular increased.
  • the actuator is basically electrically connected to the energy storage unit of the monitoring module. The actuator can therefore be supplied with electrical energy from the energy storage unit.
  • the monitoring module can furthermore have a voltage converter, preferably a DC voltage converter, which is set up to increase an output voltage of the energy generation unit to a maximum input voltage of the energy storage unit.
  • a voltage converter preferably a DC voltage converter
  • the energy storage unit can deliver greater electrical power at higher voltages.
  • the monitoring module can be releasably attached to the piston.
  • the monitoring module can then simply be removed from the piston when the monitoring module or the piston are to be replaced.
  • the monitoring module is preferably held magnetically on the piston.
  • the monitoring module can then be attached or removed particularly quickly and easily, in particular without tools.
  • a piston arrangement in particular for an above-described piston accumulator system according to the invention, having
  • a first sealing element arranged in the receiving groove with two dynamic sealing sections and with at least one holding groove, with a pressure channel extending through the holding element
  • At least one second sealing element which is arranged in the receiving groove, is assigned its own inventive content.
  • a connection channel for an (inner seal) pressure sensor can open into the receiving groove.
  • a sealing device in particular for such a piston arrangement, is also regarded as inventive, which has the following: a first sealing element with a retaining groove, a pressure channel extending from the retaining groove, in particular a groove base of the retaining groove, through the first sealing element,
  • a second sealing element with a first and a second static sealing section, which is arranged in the receiving groove, wherein the pressure channel opens between the first and the second static sealing section.
  • the monitoring module has the following:
  • An energy generation unit that can be driven by means of the piston and has a preferably ring-shaped housing part and a moving part that is movable along a longitudinal axis relative to the housing part, the energy generation unit being set up to generate electrical energy from a movement of the moving part relative to the housing part
  • a radio unit in particular with a Bluetooth module, for transmitting the operating data.
  • the monitoring module according to the invention can have further features of the monitoring module of the piston accumulator system according to the invention.
  • the energy generation unit can generate usable electrical energy from mechanical energy of the piston for the monitoring module.
  • a relative movement of the moving part and the housing part is used.
  • the housing part can typically be attached to the piston.
  • the moving part can be received in the housing part.
  • a relative movement of the housing part and the moving part can take place when the acceleration of the piston, and thus of the housing part typically attached to the piston, changes.
  • the piston is also movable along the longitudinal axis in an accumulator housing of the piston accumulator system.
  • the energy generation unit can have a piece of mass supported on a piezo element. A change in the acceleration of the piston and therefore of the monitoring module leads to a deflection of the mass piece that can be used to generate electrical energy. By deflecting the mass, the piezo element can be deformed so that it generates electrical energy.
  • the electrical energy obtained can be held in the energy storage unit until it is required to operate the sensor arrangement and / or the radio unit.
  • the sensor arrangement and the radio unit can therefore be operated independently of the current generation of electrical energy by the energy generation unit.
  • the energy generation unit, the sensor arrangement and the radio unit are fundamentally electrically connected to the energy storage unit. The aforementioned components can thereby be supplied with electrical energy from the energy storage unit.
  • the sensor arrangement has at least one sensor.
  • the operating data can include the measured values of the sensor or sensors. Alternatively or additionally, the operating data can be derived from the measured values.
  • the sensor arrangement can have an evaluation unit for processing measured values of the sensor arrangement. The operating data determined can be used in particular to monitor the sealing arrangement, preferably within the scope of a method according to the invention described below.
  • the radio unit is basically set up for wireless transmission of the operating data.
  • the radio unit can have a radio transmitter for this purpose.
  • the radio unit is preferably also for receiving radio signals, for example containing control information for the monitoring module, set up.
  • the radio unit can then have a combined radio transmitter / receiver.
  • the radio unit can in particular have a radio frequency radio transmitter or radio frequency radio transmitter / receiver or a lightwave radio transmitter or lightwave radio transmitter / receiver.
  • the radio unit can have a Bluetooth module.
  • the radio unit can comprise a microcontroller.
  • the monitoring module according to the invention allows the operating state of a piston accumulator system to be monitored independently by recording and transmitting operating data.
  • An external energy source or an external energy supply is not required for this. Due to the continuous or repeated energy generation in the monitoring module itself, the energy required for monitoring is available even after very long operating times.
  • the operating data can be recorded directly on the monitoring module and relate in particular to the piston. Undesired, in particular dangerous, operating states of a piston accumulator system can be detected with the monitoring module according to the invention, so that, if necessary, suitable countermeasures can be initiated in good time.
  • the energy generation unit can have at least one magnet arranged on the moving part and at least one coil arranged on the housing part, preferably have a plurality of magnets and / or coils arranged symmetrically to the longitudinal axis.
  • the at least one magnet is preferably arranged on a rim of the moving part that is located radially outside with respect to the longitudinal axis.
  • the at least one magnet can be a (single) ring magnet. If there are several magnets, a separate coil can be provided for each magnet.
  • the moving part is out of a neutral position in both directions along the longitudinal axis against the action of a spring device movable relative to the housing part.
  • a resonance frequency of the moving part preferably corresponds to a clock frequency of a pump for charging a piston accumulator system with the monitoring module. This allows a particularly large amount of electrical energy to be generated.
  • At least one first support magnet and at least one second support magnet of the spring device are arranged on the housing part, between which the at least one magnet of the energy generation unit is arranged.
  • the at least one magnet thus serves, on the one hand, for inductive energy generation and, on the other hand, at the same time for resilient mounting of the moving part by means of magnetic levitation.
  • the support magnets are preferably aligned in such a way that they each repel the magnet of the power generation unit from themselves.
  • the support magnet or the support magnets can also be used to hold the monitoring module on the piston.
  • the spring device has at least one spring element, preferably two spring elements acting against one another.
  • the use of (linear) spring elements makes it possible to set up a resonance frequency that is independent of the movement amplitude of the moving part.
  • the spring element or the spring elements can be coil springs.
  • the spring element or the spring elements can be supported on the one hand on the moving part and on the other hand on the housing part.
  • the spring element or the spring elements can encompass a guide rod of the housing part on which the moving part is displaceably guided.
  • the moving part can have extensions which are guided in grooves in the housing part.
  • the extensions can prevent a rotation of the moving part about a movement axis.
  • the extensions can be arranged on a rim of the moving part.
  • the housing part can have a guide rod on which the moving part is guided with a sleeve section.
  • the guide rod can define a direction of movement of the moving part with respect to the housing part.
  • the guide rod is preferably arranged on a housing cover of the housing part.
  • the sleeve section is preferably connected to a rim of the moving part via spokes. Extensions for guidance in grooves of the housing part can be formed on the rim. Components of the energy generation unit, for example accumulators, and / or or of the sensor system can be arranged in a space-saving manner between the spokes.
  • a housing cover of the housing part has printed conductor tracks, and that at least one sensor of the sensor arrangement is arranged on the housing cover, preferably all sensors of the sensor arrangement are arranged on the housing cover.
  • the energy storage unit is preferably also arranged on the housing cover. This enables a particularly compact and integrated design of the monitoring module.
  • the housing part and the moving part are preferably designed to be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis. This can simplify the assembly of the monitoring module. Furthermore, a rotational symmetry can counteract tilting of the moving part with respect to the housing part in the event of an axial relative movement. The rotational symmetry can be established with respect to rotations by 90 ° or 120 ° or multiples thereof. Monitoring method according to the invention
  • the scope of the present invention also includes a method for monitoring a piston accumulator system with an accumulator housing and a flying piston which separates a gas space and a liquid space in the accumulator housing from one another.
  • the flying piston has no mechanical connection from the accumulator housing.
  • the piston accumulator system is preferably a piston accumulator system according to the invention, particularly preferably with a monitoring module according to the invention.
  • the method comprises the steps: a) driving an energy generation unit by means of the piston and generating electrical energy, b) operating a sensor arrangement arranged on the piston with the electrical energy and determining operating data of the piston storage system by means of the sensor arrangement, c) wireless transmission of the operating data.
  • the energy generation unit is basically arranged on the piston.
  • the sensor arrangement has at least one sensor.
  • the operating data can include the measured values of the sensor or sensors. Alternatively or additionally, the operating data can be derived from the measured values.
  • the sensor arrangement can have an evaluation unit for processing measured values of the sensor arrangement.
  • the transmitted operating data are typically further processed outside of the memory housing.
  • This method makes it possible to monitor a piston accumulator system, in particular its piston, preferably with regard to a sealing arrangement of the piston, without an external energy supply.
  • operating data on the flying piston can be recorded and transmitted that were previously inaccessible.
  • the recorded and transmitted operating data can allow conclusions to be drawn about a possible leakage of the sealing arrangement on the piston. Undesired, especially dangerous, operating states of the piston accumulator system can therefore be recognized and eliminated before consequential damage occurs.
  • the electrical energy is preferably temporarily stored between steps a) and b).
  • the energy generation and the determination and transmission of the operating data can thus be separated from one another in terms of time.
  • operating data can also be determined when no electrical energy can be generated, for example when the piston accumulator system is in an idle state.
  • a functional efficiency parameter of the piston accumulator system is preferably determined from the operating data.
  • the functional capability parameter can indicate a current performance, in particular a maximum amount of energy that can be called up, in relation to a nominal performance of the piston accumulator system that is new, in particular not deteriorated by wear.
  • the functional capability parameter can alternatively or additionally describe a state of wear of a sealing arrangement of the piston.
  • the performance characteristic can indicate when maintenance of the piston accumulator system is required.
  • the functionality characteristic value can indicate whether a security-relevant problem has occurred. In this case, the health characteristic typically comprises a binary value.
  • a leak via a sealing arrangement of the piston can be determined from the operating data.
  • the leakage can be a leakage of gas from the gas space into the liquid space.
  • leakage of liquid from the liquid space into the gas space can be determined.
  • a leakage rate and / or a leakage volume can be determined in each case.
  • a failure of the sealing arrangement endangers the functionality of the piston accumulator system. When a (impermissible) leakage is detected via the sealing arrangement, the piston accumulator system can be put out of operation and repaired before it fails.
  • a monitoring module of the piston accumulator system which has the energy generation unit, the sensor arrangement and a radio unit for transmitting the operating data, is switched from a sleep mode to a monitoring mode when a predefined wake-up event takes place.
  • the monitoring module consumes particularly little energy.
  • the wake-up event can be a predefined acceleration of the piston or a predefined travel path of the piston relative to the accumulator housing being exceeded.
  • the wake-up event can be the generation of a predefined electrical voltage or a predefined amount of electrical energy by the energy generation unit.
  • the wake-up event can be triggered by an operator, for example by pressing a button or selecting a button. This means that the monitoring module can be kept in (energy-saving) sleep mode for a particularly long time; monitoring only takes place on special request by the operator.
  • a lubrication state of the piston can be deduced from a movement profile of the piston.
  • the lubrication state can in particular relate to a sealing arrangement of the piston. If a predetermined number of movements of the piston which do not reach a minimum travel distance of the piston are exceeded, a condition of insufficient lubrication can be recognized. Inadequate lubrication can increase the wear and tear on the sealing arrangement and, in the worst case, lead to its failure. By doing If insufficient lubrication conditions are detected, maintenance measures can be planned and taken before damage occurs.
  • the electrical energy obtained in step a) can be used to actively influence the piston, in particular to increase the lubrication of a sealing arrangement of the piston. This can reduce wear on the sealing arrangement.
  • a bypass can be opened to bypass a seal of the sealing arrangement.
  • FIG. 1 shows a piston storage system according to the invention with a flying piston which separates a gas space from a liquid space in a storage housing and on which a monitoring module according to the invention is arranged, in a schematic sectional view;
  • FIG. 2 shows a housing-side area of the piston from FIG. 1 with receiving grooves for sealing devices for sealing the piston opposite the storage housing, in a schematic sectional view;
  • FIG. 3 shows a receiving groove of the piston from FIG. 1 with a sealing device arranged therein with a first sealing element which has a retaining groove for a second sealing element, a pressure channel extending from a groove base of the retaining groove through the first sealing element, and with the first and the second sealing element are each formed with two dynamic sealing sections for sealing on the storage housing, in a schematic sectional view;
  • FIG. 4 shows a further sealing device with a first sealing element which has two retaining grooves for second sealing elements, the second sealing elements each having a dynamic sealing section for sealing on the storage housing, and wherein a pressure channel extends through the first sealing element between the retaining grooves, in a schematic sectional view;
  • FIG. 5 shows a further sealing device with a first sealing element on which a first dynamic sealing section is formed and which has a holding groove for a second sealing element with a second dynamic sealing section, a pressure channel extending through the first sealing element between the first dynamic sealing section and the holding groove extends, in a schematic sectional view;
  • FIG. 6 shows a piston for a piston storage system according to the invention with a monitoring module according to the invention, which has an energy generation device with a housing part and a moving part, an energy storage unit, a sensor arrangement and a radio unit, in a schematic sectional view;
  • FIG. 7 shows the moving part and two ring-shaped elements of the housing part of the monitoring module from FIG. 6, with between the two annular elements a coil for the inductive generation of electrical energy is arranged when the moving part is moved, in a schematic perspective view;
  • FIG. 8 shows the coil and one of the ring-shaped elements of the housing part as well as the moving part of the monitoring module from FIG. 6, in a schematic perspective view;
  • the ring-shaped element having support magnets for fastening the housing part to the piston and for magnetic levitation of the moving part, in a schematic perspective view;
  • FIG. 10 shows a housing cover of the housing part of the monitoring module from FIG. 6, a guide rod for guiding the moving part and storage elements of the energy storage unit being arranged on the housing cover, in a schematic perspective view;
  • FIG. 1 shows a piston accumulator system 10.
  • the piston accumulator system 10 has an accumulator housing 12.
  • a floating piston 14 is arranged in the storage housing 12.
  • the flying piston 14 is freely movable in the storage housing 12 along a longitudinal axis 15.
  • the flying piston 14 separates a gas space 16 from a liquid space 18.
  • the gas space 16 is filled with nitrogen.
  • the liquid space 18 is filled with oil, in particular hydraulic oil.
  • a monitoring module 20 is arranged on the piston 14.
  • the monitoring module 20 is received here in a depression 22 of the piston 14 on the gas chamber side.
  • the recess 22 can also be used as a recess in the piston 14 are designated.
  • Components of the monitoring module 20 are shown in a highly abstracted manner in FIG.
  • the monitoring module 20 has an energy generation unit 24 and an energy storage unit 26.
  • the energy generation unit 24 is driven by the piston 14 and is used to generate electrical energy.
  • the energy generation unit 24 can convert energy, in particular mechanical energy, into electrical energy.
  • the energy storage unit 26 serves to temporarily store the electrical energy generated by the energy generation unit 24.
  • the monitoring module 20 can have a voltage converter not shown in detail in FIG.
  • the energy storage unit 26 can have one or more accumulators and / or capacitors.
  • the monitoring module 20 also has a sensor arrangement 28.
  • the sensor arrangement 28 serves to determine operating data of the piston accumulator system 10.
  • the sensor arrangement 28 can comprise a plurality of sensors not shown in detail in FIG. 1, for example a gas pressure sensor for measuring a gas pressure in the gas space 16, a liquid pressure sensor for measuring a liquid pressure in the liquid space 18, Temperature sensors for measuring temperatures in the gas space 16 or liquid space 18, an acceleration sensor, a distance sensor for measuring a distance between the piston 14 and an end face 30 of the storage housing 12 delimiting the gas space 16 and / or an impedance sensor for measuring an impedance in the gas space 16.
  • the sensor arrangement 28 can furthermore be an intermediate seal pressure sensor for measuring an intermediate seal pressure between two sealing devices of a sealing arrangement of the piston 14 and / or an inner seal pressure sensor for measuring an inner seal pressure between two sealing sections have a sealing device.
  • the sensor arrangement 28 can furthermore be a Have evaluation unit for processing measured values of the individual sensors.
  • the monitoring module 20 also has a radio unit 32.
  • the radio unit 32 serves to transmit the operating data of the piston accumulator system 10 recorded or determined by the sensor arrangement 28.
  • the radio unit 32 can be a Bluetooth module.
  • a further radio unit 34 can be arranged on the end face 30 of the storage housing 12 delimiting the gas space 16.
  • a bushing 36 for connecting the further radio unit 34 can be formed on the end face 30.
  • the passage 36 is basically closed in a gas-tight manner.
  • the sensor arrangement 28 and the radio unit 32 are operated with electrical energy generated by the energy generation unit 24.
  • the electrical energy can be supplied to the sensor arrangement 28 or the radio unit 32 directly when it is generated in the energy generation unit 24.
  • the sensor arrangement 28 and the radio unit 32 are supplied with electrical energy from the energy storage unit 26.
  • FIG. 2 a radially outer region of the piston 14 of the piston accumulator system 10 from FIG. 1 is shown enlarged.
  • the piston 14 adjoins a cylinder wall 38 of the storage housing 12 radially on the outside.
  • the circumferential wall 38 surrounds the longitudinal axis 15 in an annular manner, see also FIG. 1.
  • the piston 14 has two receiving grooves 40 for two sealing devices (not shown in FIGS. 1 and 2) of a two-stage sealing arrangement.
  • One of the sealing devices is designed as a liquid-side sealing device and is arranged closer to the liquid space 18; the other sealing device is designed as a gas-side sealing device and is arranged closer to the gas space 16.
  • the receiving grooves 40 are spaced from one another along the longitudinal axis 15.
  • a connecting channel 42 opens between the two receiving grooves 40 Connecting channel 42 transmits a pressure prevailing between the two sealing devices held in receiving grooves 40 (referred to here as intermediate seal pressure) to the intermediate seal pressure sensor.
  • the connecting channel 42 can open radially on the outside into a circumferential groove 43, which extends between the receiving grooves 40 circumferentially around the piston 14.
  • a connection channel 44 opens into one of the two receiving grooves 40.
  • the connecting channel 44 transmits a pressure (here referred to as inner seal pressure) prevailing in the receiving groove 40 to the inner seal pressure sensor.
  • the second receiving groove 40 can also have a further connection channel for a further inner seal pressure sensor of the sensor arrangement 28 (not shown).
  • the piston 14 also has two guide grooves 46.
  • guide grooves 46 not shown in detail in Figures 1 and 2 guide bands for supporting the piston 14 on the cylinder wall 38 of the storage housing 12 are arranged.
  • the two receiving grooves 40 for the sealing devices can be formed in the axial direction between the two guide grooves 46.
  • FIG. 3 shows a sealing device 48 of a sealing arrangement 50.
  • the sealing device 48 is arranged in the receiving groove 40 of the piston 14, see FIGS. 1 and 2.
  • the sealing device 48 seals the piston 14 from the cylinder wall 38 of the storage housing 12.
  • Such a sealing device 48 can also be arranged in the second receiving groove 40.
  • the sealing device 48 has a first sealing element 52.
  • the first sealing element 52 has a first and a second dynamic sealing section 54a, 54b.
  • the dynamic sealing sections 54a, 54b of the first sealing element 52 slide along the cylinder wall 38.
  • the sealing device 48 also has two prestressing elements 56.
  • the pretensioning elements 56 press the first sealing element 52, in particular its dynamic sealing sections 54a, 54b in the radial direction to the longitudinal axis 15 against the cylinder wall 38.
  • the pretensioning elements 56 are each designed here as O-rings.
  • the prestressing elements 56 can statically seal the first sealing element 52 with respect to the piston 14.
  • An extension 58 of the first sealing element 52 extends radially inward between the two prestressing elements 56.
  • the two prestressing elements 56 are spaced apart from one another in the axial direction by the extension 58.
  • the first sealing element 52 has a retaining groove 60.
  • the retaining groove 60 is arranged in the axial direction between the two dynamic sealing sections 54a, 54b.
  • a pressure channel 64 extends through the first sealing element 52.
  • the pressure channel 64 runs here through the extension 58.
  • the pressure channel 64 fluidly connects the retaining groove 60 with the circumferential groove 43 or the connecting channel 42 of the piston 14.
  • a second sealing element 66 of the sealing device 48 is arranged in the retaining groove 60.
  • the second sealing element 66 can be designed with an X-shaped cross section.
  • the second sealing element 66 here has two further dynamic sealing sections 68a, 68b.
  • the second sealing element 66 also has two static sealing sections 70a, 70b.
  • the pressure channel 64 opens between the two static sealing sections 70a, 70b in the retaining groove 60.
  • the pressure channel 64 and the connecting channel 42 transmit the between the two dynamic sealing sections 54a, 54b of the first sealing element 52 prevailing inner seal pressure to the inner seal pressure sensor of the sensor arrangement 28.
  • the inner seal pressure sensor therefore enables the correct arrangement and alignment of the second sealing element 66 to be monitored.
  • the two dynamic sealing sections 54a, 54b of the first sealing element 52 primarily act here as a liquid seal, in particular when the Piston 14 moves.
  • the two dynamic sealing sections 68a, 68b of the second sealing element 66 primarily act here as a gas seal.
  • the two dynamic sealing sections 68a, 68b of the second sealing element 66 also act as a static liquid seal against leakage of liquid via the sealing device 48.
  • FIG. 4 shows a further sealing device 72 for the piston 14 of a piston accumulator system 10, compare FIG. 1.
  • the sealing device 72 has a first sealing element 74 and two second sealing elements 76.
  • the sealing arrangement 72 can be arranged pretensioned via pretensioning elements 56 in a receiving groove 40 of the piston 14, see Figure 3.
  • the first sealing element 74 and the second sealing elements 76 of the sealing device 72 replace the first and the second sealing element 52, 66 of the sealing device 48.
  • the first sealing element 74 has two retaining grooves 78.
  • One of the second sealing elements 76 is arranged in each of the two retaining grooves 78.
  • a dynamic sealing section 80 for sealing the storage housing 12 is formed on each of the two second sealing elements 76.
  • the second sealing elements 76 also each have two static sealing sections 82 for sealing against the first sealing element 74.
  • the second sealing elements 76 can each have a V-shaped cross section. Further dynamic sealing sections 84 can be formed on the first sealing element 74.
  • a pressure channel 86 extends through the first sealing element 74 between the two retaining grooves 78 or between the two second sealing elements 76.
  • the pressure channel 86 transmits an inner seal pressure prevailing between the two second sealing elements 76 or between the axially inner further sealing sections 84 to an inner seal pressure sensor of the Sensor arrangement 28.
  • FIG. 5 shows a further sealing device 88 for the piston 14 of a piston accumulator system 10, compare FIG a first sealing element 90 and a second sealing element 92.
  • the sealing arrangement 88 can be arranged pretensioned via pretensioning elements 56 in a receiving groove 40 of the piston 14, see FIG. 3.
  • the first sealing element 90 and the second sealing element 92 of the sealing device 88 replace the first and the second sealing element 52, 66 of the sealing device 48.
  • the first sealing element 90 has a retaining groove 94.
  • the second sealing element 92 is arranged in the retaining groove 94.
  • a first dynamic sealing section 96 is formed on the first sealing element 90.
  • a second dynamic sealing section 98 is formed on the second sealing element 92.
  • the first dynamic sealing section 96 is typically arranged on the piston 14 facing the liquid space 18; the second dynamic sealing section 98 is typically arranged on the piston 14 facing the gas space 16.
  • the second sealing element 92 also has two static sealing sections 82 for sealing against the first sealing element 90.
  • the second sealing element 92 can have a V-shaped cross section.
  • a pressure channel 102 extends through the first sealing element 90 between the first dynamic sealing section 96 of the first sealing element 90 and the second sealing element 92 or the retaining groove 94 Sensor arrangement 28.
  • FIG. 6 shows a piston 14 for a piston accumulator system 10, compare FIG. 1.
  • the piston 14 has two guide bands 103 held in guide grooves 46.
  • the guide bands 103 encompass the piston 14 in an annular manner.
  • the piston 14 has a sealing arrangement 50, here one-stage.
  • One The sealing device of the sealing arrangement 50 is held in a receiving groove 40 of the piston 14.
  • the sealing device can be one of the sealing devices 48, 72 or 88 described above, compare FIGS. 3, 4 or 5.
  • a monitoring module 20 is detachably held on the piston 14.
  • the monitoring module 20 may be magnetically attached to the piston 14.
  • the monitoring module 20 is here predominantly sunk into a recess 22 of the piston 14.
  • the monitoring module has an energy generation unit 24, an energy storage unit 26, a sensor arrangement 28 and a radio unit 32. With regard to their functions and in particular the sensor equipment of the sensor arrangement 28, reference is made to the above description.
  • the energy generation unit 24 has a housing part 104 and a moving part 106.
  • the moving part 106 is movable along a longitudinal axis 15 with respect to the housing part 104.
  • the housing part 104 has two ring-shaped elements 108a, 108b, see also FIGS. 7, 8 and 9, and a housing cover 110, see also FIG. 10.
  • the two ring-shaped elements 108a, 108b can be constructed identically.
  • a coil 112 is arranged between the two annular elements 108a, 108b. The coil 112 is used for the inductive generation of electrical energy when the moving part 106 is moved.
  • the moving part 106 has several magnets 114.
  • the magnets 114 are held on a rim 116 of the moving part 106.
  • the magnets 114 are arranged here symmetrically with respect to the longitudinal axis 15, see FIG. 8.
  • the two ring-shaped elements 108a, 108b of the moving part 104 each have several, here six, support magnets 118a, 118b.
  • the magnets 114 of the moving part 106 are (in the axial direction with respect to the longitudinal axis 15) between the support magnets 118a, 118b of the two annular elements 108a, 108b arranged.
  • the support magnets 118a, 118b are oriented in such a way that they repel the magnets 114 of the moving part 106 in each case.
  • the moving part 106 is thereby held in suspension between the two annular elements 108a, 108b so that it can move in both directions along the longitudinal axis 15 relative to the housing part 104 when the piston 14 or the housing part 104 is accelerated.
  • the magnets 114 and the support magnets 118a, 118b thus form a spring device of the energy recovery unit 24.
  • the support magnets 118a of the annular element 108a (lower in FIG. 6) can also be held magnetically on a piston head 119 of the piston 14 to fasten the monitoring module 20 to the piston 14 being.
  • the rim 116 of the moving part 106 can be connected to a sleeve section 122 via spokes 120, see in particular FIGS. 7 and 8.
  • the moving part 106 can be guided on a guide rod 124 of the housing part 104 via the sleeve section 122, see FIG held here on the housing cover 110, compare FIG. 10.
  • a further guide for the moving part 106 can be set up on the housing part 104.
  • the moving part 106 has projections 126, compare FIG. 8.
  • the two annular elements 108a, 108b each have grooves 128, compare FIGS. 8 and 9.
  • the respective grooves 128 complement one another and extend parallel to the longitudinal axis 15.
  • the extensions 126 engage in the grooves 128, compare FIGS. 7 and 8.
  • the moving part 106 and the annular elements 108a, 108b of the housing part 104 can be designed to be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 15.
  • the moving part 106 is here rotationally symmetrical with respect to rotations of 120 ° or multiples thereof.
  • the ring-shaped elementsel08a, 108b are here rotationally symmetrical with respect to rotations of 60 ° or multiples thereof.
  • Conductor tracks (not shown in greater detail) for the electrical connection of the energy generating unit 24, the energy storage unit 26, the sensors of the sensor arrangement 28 and the radio unit 32 can be formed on the housing cover 110.
  • the conductor tracks can be printed on the housing cover, in particular on both sides.
  • Some or all of the sensors of the sensor arrangement 28 and the radio unit 32 can be held on the housing cover 110.
  • the radio unit 32 and, for example, a gas pressure sensor for measuring a gas pressure in the gas space 16 or a distance sensor for measuring a distance between the piston 14 and an end face 30 of a storage housing 12 can be arranged on the outside of the housing cover 110, see Figure 6.
  • Other sensors of the sensor arrangement 28 for example an acceleration sensor, can be arranged on the inside of the housing cover 110.
  • Components of the energy storage unit 26, for example capacitors 130 can also be arranged on the inside of the housing cover 110, see FIG. 10.
  • FIG. 11 shows a flow chart of a monitoring method for a piston accumulator system. The method is described below by way of example using the piston accumulator system 10 described above, see FIG. 1, or the monitoring module 20, see FIG. 6.
  • the monitoring module 20 can be in an energy-saving sleep mode.
  • the monitoring module 20 is then first switched to a monitoring mode in a step 202.
  • the sensor system 28 is activated in the monitoring mode. This can be triggered by a user. Alternatively, it can be provided that the monitoring module 20 detects a movement of the piston 14 and automatically activates the monitoring mode.
  • the energy generation unit 24 is driven by the piston 14, so that electrical energy is generated. For this purpose, oscillations or vibrations of the piston 14 can be used, since these cause a relative movement between the moving part 106 and the housing part 104.
  • the generated electrical energy is at least predominantly temporarily stored in a step 206 in the energy storage unit 26.
  • the electrical energy stored in the energy storage unit 26 is used in a step 208 to operate the sensor arrangement 28 and to determine operating data of the piston storage system 10 in a step 210.
  • the operating data can correspond to measured values from sensors of the sensor arrangement 28 and / or can be derived from the measured values by means of an evaluation unit of the sensor arrangement 28. Steps 208 and 210 are typically performed at the same time.
  • the determined operating data are finally transmitted in a step 212 from the radio unit 32 of the monitoring module 20 to the further radio unit 34 by radio.
  • the radio unit 32 is also operated with electrical energy from the energy storage unit 26.
  • the further radio unit 34 is typically connected to a power supply and an analysis unit, for example a PC, via cables.
  • the operating data can be further analyzed in the analysis unit in a step 214.
  • the operating data and / or information derived from the operating data can be further transmitted by the analysis unit via a radio link, for example to a (possibly further) PC arranged remotely from the memory housing 12.
  • a functional efficiency parameter of the piston accumulator system 10 can be determined.
  • the functional efficiency parameter can indicate how great the efficiency of the piston accumulator system 10 is in comparison with a piston accumulator system 10 that is as good as new.
  • a leak can be determined whether a leak has taken place via the sealing arrangement 50 of the piston.
  • a lubrication state of the piston 14 can be estimated.
  • a movement profile of the piston 14 can be evaluated. In particular, it can be determined that there is a lack of lubrication if a predetermined number of movements of the piston 14 has not reached a minimum travel distance.
  • the aforementioned analyzes can alternatively already be carried out in the evaluation unit of the sensor arrangement 28.
  • the operating data then contain the corresponding analysis results.
  • the piston 14 can be actively influenced in a step 216.
  • An influencing order can be transmitted from the further radio unit 34 to the radio unit 32 of the monitoring module 20.
  • the further radio unit 34 can also be designed to transmit radio signals and the radio unit 32 can also be designed to receive radio signals.
  • electrical energy generated by the energy generation unit 24 is used, typically this being temporarily stored in the energy storage unit 26.
  • the active influencing can aim, for example, at increasing a lubrication state of the sealing arrangement 50 of the piston 14.
  • a valve can be opened or an active material on the piston 14 can be electrically deformed so that oil from the liquid space 18 into the area of dynamic sealing sections 54a, 54b, 68a, 68b or 80 or 96, 98, compare FIGS 5, arrived.
  • the monitoring module 20 can be switched back to the idle mode.
  • Most of the sensors in the sensor arrangement are inactive in the sleep mode.
  • an acceleration sensor can also remain active in the idle mode in order to enable an automatic switchover 202 to the monitoring mode.
  • Switching 218 to idle mode means that when the method is run again, immediately after switching on the monitoring mode in a new step 202, sufficient electrical energy is stored in the energy storage unit 26 in order to be able to operate the sensor arrangement 28 to determine operating data.
  • Steps 204 to 216 can be carried out in succession without a temporal overlap. Typically, however, steps 204 to 216 are carried out at least partially in a temporally overlapping manner (simultaneously). In particular, steps 204 to 214 and possibly also step 216 can all take place at the same time at a specific point in time.
  • the invention relates to a piston accumulator system (10) with an accumulator housing (12) and a flying piston (14) which separates a gas chamber (16) and a liquid chamber (18) in the accumulator housing (12), with a monitoring module (20) is arranged on the piston (14), which has an energy generation unit (24) that can be driven by means of the piston (14) for generating electrical energy, an energy storage unit (26) for storing the electrical energy, a sensor arrangement (28) for determining operating data of the piston storage system ( 10) and a radio unit (32) for transmitting the operating data.
  • the invention also relates to a monitoring module (20) to be arranged on a piston (14) of a piston accumulator system (10) having an energy generation unit (24) which can be driven by means of the piston (14) and has a housing part (104) and a housing part (104) relative to the housing part (104).
  • Moving part (106) movable along a longitudinal axis (15), the energy generation unit (24) being configured to supply electrical energy from a movement of the moving part (106) relative to the housing part (104) generate, an energy storage unit (26), a sensor arrangement (28) and a radio unit (32).
  • the invention relates to a method for monitoring a piston accumulator system (10) with a flying piston (14), with the steps of a) driving (204) an energy generation unit (24) by means of the piston (14) and generating electrical energy, b) operating ( 208) a sensor arrangement (28) arranged on the piston (14) with the electrical energy and determining (210) operating data of the piston storage system (10) by means of the sensor arrangement (28), c) wireless transmission (212) of the operating data.
  • Piston accumulator system 10 Accumulator housing 12 Piston 14 Longitudinal axis 15 Gas space 16 Liquid space 18 Monitoring module 20 Trough 22
  • Sealing device 48 sealing arrangement 50, first sealing element 52, first, second dynamic sealing section 54a, 54b
  • Sealing device 72 first sealing element 74 second sealing elements 76 retaining grooves 78 dynamic sealing section 80 static sealing sections 82 further dynamic sealing sections 84 pressure channel 86
  • Sealing device 88 first sealing element 90 second sealing element 92 retaining groove 94 first dynamic sealing section 96 second dynamic sealing section 98 further dynamic sealing sections 100 pressure channel 102 Guide bands 103 housing part 104 moving part 106 annular elements 108a, 108b housing cover 110 coil 112 magnets 114 rim 116

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kolbenspeichersystem (10) mit einem Speichergehäuse (12) und einem fliegenden Kolben (14), der einen Gasraum (16) und einen Flüssigkeitsraum (18) in dem Speichergehäuse (12) voneinander trennt, wobei ein Überwachungsmodul (20) an dem Kolben (14) angeordnet ist, welches eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) zum Erzeugen elektrischer Energie, eine Energiespeichereinheit (26) zum Speichern der elektrischen Energie, eine Sensoranordnung (28) zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) und eine Funkeinheit (32) zum Übermitteln der Betriebsdaten aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungsmodul (20) zum Anordnen an einem Kolben (14) eines Kolbenspeichersystems (10) aufweisend eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) mit einem Gehäuseteil und einem relativ zu dem Gehäuseteil entlang einer Längsachse (15) beweglichen Bewegungsteil, wobei die Energiegewinnungseinheit (24) dazu eingerichtet ist, aus einer Bewegung des Bewegungsteils relativ zu dem Gehäuseteil elektrische Energie zu erzeugen, eine Energiespeichereinheit (26), eine Sensoranordnung (28) und eine Funkeinheit (32). Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Kolbenspeichersystems (10) mit einem fliegenden Kolben (14), mit den Schritten a) Antreiben einer Energiegewinnungseinheit (24) mittels des Kolbens (14) und Erzeugen elektrischer Energie, b) Betreiben einer an dem Kolben (14) angeordneten Sensoranordnung (28) mit der elektrischen Energie und Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) mittels der Sensoranordnung, c) Drahtloses Übermitteln der Betriebsdaten.

Description

Kolbenspeichersystem sowie Überwachungsmodul und
Überwachungsverfahren für ein Kolbenspeichersystem
Die Erfindung betrifft ein Kolbenspeichersystem mit einem Speichergehäuse und einem fliegenden Kolben, der einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum in dem Speichergehäuse voneinander trennt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen eines Kolbenspeichersystems. Kolbenspeichersysteme werden zum zyklischen Zwischenspeichern und Abgeben mechanischer Energie eingesetzt, insbesondere bei kurzzeitigem Bedarf an hohen mechanischen Leistungen. Zum Speichern der mechanischen Energie wird Flüssigkeit, typischerweise Öl, in den Flüssigkeitsraum gepumpt, sodass Gas, typischerweise Stickstoff, im Gasraum mittels des Kolbens komprimiert wird. Dabei erhöht sich der Druck im Gasraum. Um den geladenen Zustand des Kolbenspeichersystems zu sichern, wird ein Abfließen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum verhindert, typischerweise durch Schließen eines Ventils. Zum Entladen des Kolbenspeichersystems wird ein Abfließen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum ermöglicht, typischerweise durch Öffnen des Ventils, sodass der Gasdruck über den Kolben Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum treibt.
Aus EP 2 647 849 A2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines beweglichen Kolbens, der innerhalb eines Kolbenspeichers als Abtrennung zwischen einem Gasraum und einem Fluidraum angeordnet ist, bekannt. Die Bestimmungsvorrichtung umfasst zumindest einen Drucksensor zur Erfassung von Druckdaten, zumindest einen Ultraschallsensor zur Erfassung von Ultraschalldaten und zumindest eine Rechnereinheit zum Auswerten der Daten. Mit der Rechnereinheit ist die Position des Kolbens bestimmbar. Die Sensoren und die Rechnereinheit sind an einem Gehäuse bzw. außerhalb des Gehäuses des Kolbenspeichers angeordnet. In den Kolben kann eine thermische Kapazität eingebracht sein, um beim Laden des Kolbenspeichers das Gas zu kühlen, sodass mehr Energie aufgenommen werden kann.
DE 10 2005 015 948 Al beschreibt eine fluidische Komponente mit wenigstens einer Sensoreinrichtung und mit einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung von Sensor- und/oder Steuersignalen zwischen der fluidischen Komponente und einer externen Steuereinrichtung. Dabei ist wenigstens eine Solarzellenanordnung oder ein thermoelektrischer Wandler oder ein die Bewegungsenergie eines sich bewegenden Teils der fluidischen Komponente in elektrische Energie umsetzender Wandler als Energieversorgungseinrichtung zur Bereitstellung der Betriebsspannung für die Datenübertragungseinrichtung mit dieser elektrisch verbunden. Beispielsweise kann ein an einem Kolben angeordneter Permanentmagnet beim Passieren wenigstens einer entlang der Bewegungsbahn angeordneten Spule oder eines sonstigen magnetempfindlichen Elements in dieser Spule oder in diesem magnetempfindlichen Element Energie erzeugen, die als Versorgungsenergie eingesetzt werden kann. Es können elektrische Zwischenspeicher zum Zwischenspeichern elektrischer Energie vorgesehen sein.
Aus DE 199 42 509 Al sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in oder an einer pneumatischen Vorrichtung mit elektrischer Versorgungsenergie bekannt. Die pneumatische Vorrichtung ist über eine pneumatische Leitung an eine Druckquelle angeschlossen. Die Energieübertragung zur pneumatischen Vorrichtung erfolgt über die pneumatische Leitung mittels Schallwellen, Mikrowellen, Druckänderungen oder einer Gasströmung in der pneumatischen Leitung. Eine Umwandlung dieser übertragenen Energie in die elektrische Versorgungsenergie erfolgt in oder an der pneumatischen Vorrichtung.
DE 10 2004 055 054 Al offenbart ein Verfahren und eine hydraulische Schaltung zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere elektrischen Stellantrieben, einer hydraulischen Schaltung mit elektrischer Energie, wobei die zur Betätigung und Ansteuerung der elektrischen Verbraucher erforderliche elektrische Energie durch zumindest teilweise Umwandlung der hydraulischen Energie, des von einer Hydropumpe geförderten Druckmittels, erzeugt wird.
In vielen Fällen ist die Funktionstüchtigkeit eines Kolbenspeichersystems für die Sicherheit einer Anlage mit dem Kolbenspeichersystem von entscheidender Bedeutung. So werden Kolbenspeichersysteme beispielsweise eingesetzt, um Flügel von Windkraftanlagen bei drohender Überlastung, etwa durch Sturmböen, aus dem Wind zu drehen. Ein gefährlicher Versagensmechanismus bei Kolbenspeichersystemen ist eine Leckage am Kolben vorbei, wobei Gas aus dem Gasraum in den Flüssigkeitsraum gelangen kann oder umgekehrt Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum in den Gasraum gelangen kann. Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Betriebssicherheit von Kolbenspeichersystemen zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kolbenspeichersystem gemäß Anspruch 1, ein Überwachungsmodul gemäß Anspruch 15 sowie ein Überwachungsverfahren gemäß Anspruch 25. Die jeweiligen Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Varianten an.
Erfindungsgemäßes Kolbenspeichersystem
Erfindungsgemäß ist ein Kolbenspeichersystem vorgesehen. Das Kolbenspeichersystem weist ein Speichergehäuse auf. Das Kolbenspeichersystem weist ferner einen fliegenden Kolben auf. Der fliegende Kolben trennt einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum in dem Speichergehäuse voneinander. Der fliegende Kolben weist keine mechanische Verbindung aus dem Speichergehäuse heraus auf. Insbesondere ist keine aus dem Speichergehäuse herausführende Kolbenstange vorhanden. Der Gasraum ist typischerweise mit Stickstoff gefüllt. Der Flüssigkeitsraum ist typischerweise mit Öl gefüllt. Das Kolbenspeichersystem kann eine Pumpe aufweisen, um Flüssigkeit in den Flüssigkeitsraum zu pumpen.
Erfindungsgemäß ist ein Überwachungsmodul an dem Kolben angeordnet. Das Überwachungsmodul weist Folgendes auf:
- eine mittels des Kolbens antreibbare Energiegewinnungseinheit zum Erzeugen elektrischer Energie,
- eine Energiespeichereinheit zum Speichern der elektrischen Energie,
- eine Sensoranordnung zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems und
- eine Funkeinheit zum Übermitteln der Betriebsdaten. Das Überwachungsmodul ist vorzugsweise ein unten beschriebenes, erfindungsgemäßes Überwachungsmodul. Das Kolbenspeichersystem kann vorteilhaft mit einem unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Überwachungsverfahren überwacht werden.
Die Energiegewinnungseinheit kann für das Überwachungsmodul nutzbare elektrische Energie aus mechanischer, insbesondere kinetischer, und/oder thermischer Energie des Kolbens gewinnen (erzeugen). Die mechanische Energie kann insbesondere kinetische Energie einer Starrkörperbewegung des Kolbens sein. Zur Erzeugung der elektrischen Energie kann die Energiegewinnungseinheit einen gegenüber einer Spule bewegbaren Magneten und/oder ein auf einem Piezoelement abgestütztes Massestück aufweisen. Eine Änderung der Beschleunigung des Kolbens führt zu einer zur Gewinnung elektrischer Energie nutzbaren Auslenkung des Magneten bzw. Massestücks. Zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie kann die Energiegewinnungseinheit einen thermoelektrischen und/oder pyroelektrischen Generator, insbesondere ein Peltierelement, aufweisen. An dem Kolben kann ein hierfür nutzbarer Temperaturgradient anliegen, da sich das Gas in dem Gasraum beim Aufladen bzw. Entladen des Kolbenspeichersystems erwärmt bzw. abkühlt.
Die Energiegewinnungseinheit kann alternativ oder zusätzlich zur Energiegewinnung mittels des Antriebs durch den Kolben eine Fotodiode zum Umwandeln von elektro-magnetischen Wellen, insbesondere von Licht, in elektrische Energie aufweisen. Zur Bereitstellung der elektro-magnetischen Wellen kann eine Lichtquelle an dem Speichergehäuse vorgesehen sein, insbesondere dem Kolben zugewandt an einer Stirnseite des Gasraums.
Die gewonnene elektrische Energie kann in der Energiespeichereinheit vorgehalten werden, bis sie zum Betreiben der Sensoranordnung und/oder der Funkeinheit benötigt wird. Der Betrieb der Sensoranordnung und der Funkeinheit kann daher unabhängig von der aktuellen Erzeugung elektrischer Energie durch die Energiegewinnungseinheit erfolgen. Die Energiegewinnungseinheit, die Sensoranordnung und die Funkeinheit sind grundsätzlich mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden. Die vorgenannten Komponenten können dadurch von der Energiespeichereinheit mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Sensoranordnung weist wenigstens einen Sensor auf. Die Betriebsdaten können die Messwerte des Sensors bzw. der Sensoren umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebsdaten aus den Messwerten abgeleitet sein. Die Sensoranordnung kann eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Messwerten der Sensoranordnung aufweisen.
Der Kolben weist typischerweise eine Dichtungsanordnung auf. Die ermittelten Betriebsdaten können insbesondere zur Überwachung der Dichtungsanordnung, vorzugsweise im Rahmen eines unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens, dienen. Die Dichtungsanordnung kann eine oder mehrere Dichtungseinrichtungen mit jeweils einem oder mehreren Dichtelementen mit jeweils einem oder mehreren dynamischen und/oder statischen Dichtabschnitten aufweisen.
Die Funkeinheit ist grundsätzlich für ein drahtloses Übermitteln der Betriebsdaten eingerichtet. Die Funkeinheit kann hierzu einen Funksender aufweisen. Vorzugsweise ist die Funkeinheit auch zum Empfangen von Funksignalen, beispielsweise enthaltend Steuerungsinformationen für das Überwachungsmodul, eingerichtet. Die Funkeinheit kann dann einen kombinierten Funksender- /empfänger aufweisen. Die Funkeinheit kann insbesondere einen Radiofrequenzfunksender bzw. Radiofrequenzfunksender/-empfänger oder einen Lichtwellenfunksender bzw. Lichtwellenfunksender/-empfänger aufweisen. Die Funkeinheit kann ein Bluetooth-Modul aufweisen. Die Funkeinheit kann einen Mikrocontroller umfassen.
Das erfindungsgemäße Kolbenspeichersystem erlaubt eine autarke Überwachung seines Betriebszustandes durch Erfassung und Übermittlung von Betriebsdaten. Eine externe Energiequelle bzw. eine Energieversorgung von außen ist hierzu nicht erforderlich. Durch die fortlaufende bzw. wiederholte Energieerzeugung am Kolben steht auch nach sehr langen Betriebszeiten die zur Überwachung erforderliche Energie zur Verfügung. Die Betriebsdaten können unmittelbar am (von außen nicht zugänglichen) Kolben erfasst werden und insbesondere den Kolben selbst betreffen. Unerwünschte, insbesondere gefährliche, Betriebszustände können bei dem erfindungsgemäßen Kolbenspeichersystem erkannt werden, so dass ggf. rechtzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Die Sensoranordnung kann
- einen Gasdrucksensor zur Messung eines Gasdrucks im Gasraum und/oder
- einen Flüssigkeitsdrucksensor zur Messung eines Flüssigkeitsdrucks im Flüssigkeitsraum und/oder
- einen Temperatursensor, insbesondere zur Messung einer Temperatur im Gasraum und/oder
- einen Beschleunigungssensor und/oder
- einen Distanzsensor, insbesondere zur Messung eines Abstands des Kolbens von einer Wandung, vorzugsweise einer den Gasraum begrenzenden Stirnseite, des Speichergehäuses und/oder
- einen Impedanzsensor zur Messung einer Impedanz in dem Gasraum aufweisen. Es kann ein weiterer Temperatursensor zur Messung einer Temperatur im Flüssigkeitsraum vorgesehen sein. Der Distanzsensor ist vorzugsweise ein Infrarot-Distanzsensor. Mittels der vorgenannten Sensoren können Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems ermittelt werden. Aus der Kombination verschiedener Messwerte der Sensoren bzw. aus der Veränderung der Messwerte kann auf einen Betriebszustand des Kolbenspeichersystems geschlossen werden.
Vorteilhafterweise weist der Kolben eine Dichtungseinrichtung mit einem ersten und einem zweiten dynamischen Dichtabschnitt auf. Die beiden dynamischen Dichtabschnitte dichten den Kolben gegen das Speichergehäuse ab. Bei einer Bewegung des Kolbens gleiten die dynamischen Dichtabschnitte am Speichergehäuse entlang. Durch zwei dynamische Dichtabschnitte kann eine besonders wirksame Trennung des Flüssigkeitsraums vom Gasraum erreicht werden. Insbesondere kann einer der Dichtabschnitte vorrangig den Gasraum abdichten und der andere Dichtabschnitt vorrangig den Flüssigkeitsraum. Die beiden dynamischen Dichtabschnitte können an einem gemeinsamen Dichtelement ausgebildet sein. Dies kann die Fertigung, insbesondere die Montage am Kolben, vereinfachen.
Das Sensorsystem kann einen Innerdichtungsdrucksensor zur Messung eines Innerdichtungsdrucks zwischen dem ersten und dem zweiten dynamischen Dichtabschnitt aufweisen. Die Messung des Innerdichtungsdrucks eröffnet erweiterte Diagnosemöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf eine Leckage an dem einen oder dem anderen dynamischen Dichtabschnitt.
Die Dichtungseinrichtung kann ein erstes Dichtelement mit einer Haltenut aufweisen, in der ein zweites Dichtelement angeordnet ist. Je einer der beiden dynamischen Dichtabschnitte kann an dem ersten bzw. dem zweiten Dichtelement ausgebildet sein. Alternativ können die beiden dynamischen Dichtabschnitte an dem ersten Dichtelement ausgebildet sein. Das erste Dichtelement kann seinerseits in einer Aufnahmenut des Kolbens angeordnet sein. Das erste Dichtelement kann aus einem zähelastischen bzw. elastisch-plastischen Material, insbesondere einem Thermoplasten, beispielsweise PTFE, bestehen. Das zweite Dichtelement kann aus einem gummielastischen bzw. hyperelastischen Material, insbesondere einem Elastomer, bestehen.
Wenigstens ein Druckkanal kann sich durch das erste Dichtelement hindurch erstrecken. Der Druckkanal dient der Übertragung des Innerdichtungsdrucks zu dem Innerdichtungsdrucksensor. Vorzugsweise sind mehrere Druckkanäle ausgebildet und insbesondere gleichmäßig über den Umfang des ersten Dichtelements verteilt angeordnet.
Bei einer ersten Weiterbildung kann der Druckkanal sich von der Haltenut, insbesondere einem Nutgrund der Haltenut, ausgehend durch das erste Dichtelement hindurch erstrecken. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden dynamischen Dichtabschnitte typischerweise an dem ersten Dichtelement ausgebildet. Das zweite Dichtelement kann einen oder zwei weitere dynamische Dichtabschnitte zur Abdichtung an dem Speichergehäuse aufweisen. Das zweite Dichtelement kann zwei statische Dichtabschnitte zur Abdichtung an dem ersten Dichtelement aufweisen. Das zweite Dichtelement kann einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. An den Schenkeln des V-förmigen Querschnitts sind dann die beiden statischen Dichtabschnitte und an der Spitze der weitere dynamische Dichtabschnitt ausgebildet. Alternativ kann das zweite Dichtelement einen X- förmigen Querschnitt (mit zwei weiteren dynamischen und zwei statischen Dichtabschnitten) aufweisen. Der Druckkanal kann zwischen den beiden statischen Dichtabschnitten des zweiten Dichtelements in der Haltenut münden. Der Innerdichtungsdrucksensor ermöglicht dann die Diagnose einer Verdrillung des zweiten Dichtelements
Bei einer alternativen Weiterbildung kann die Dichtungseinrichtung zwei Haltenuten aufweisen, in denen jeweils ein zweites Dichtelement angeordnet ist. An den beiden zweiten Dichtelementen kann jeweils einer der beiden dynamischen Dichtabschnitte ausgebildet sein. Wenn die beiden dynamischen Dichtabschnitte an dem ersten Dichtelement ausgebildet sind, kann an den beiden zweiten Dichtelementen jeweils ein weiterer dynamischer Dichtabschnitt ausgebildet sein. Der Druckkanal kann sich zwischen den beiden Haltenuten erstrecken. Dies ermöglicht eine Überwachung der beiden zweiten Dichtelemente.
Das erste Dichtelement kann einen Fortsatz aufweisen, durch welchen der Druckkanal verläuft. Dass erste Dichtelement kann beidseits des Fortsatzes über jeweils ein Vorspannelement der Dichtungseinrichtung vorgespannt sein. Die Vorspannung des ersten Dichtelements gegen das Speichergehäuse mittels der Vorspannelemente erlaubt die Verwendung von Materialien für das erste Dichtelement, welche selbst über keine ausreichende Elastizität verfügen, jedoch im Hinblick auf ihre Dichteigenschaften Vorteile besitzen, wie beispielsweise zähelastische Materialien. Durch den Fortsatz können die Vorspannelemente voneinander beabstandet sein. Die Vorspannelemente können das erste Dichtelement gegenüber dem Kolben statisch abdichten. Die Vorspannelemente können als O-Ringe, vorzugsweise aus gummielastischem Material, ausgebildet sein. In der Aufnahmenut des Kolbens kann eine Rücknehmung für einen Eingriff des Fortsatzes ausgebildet sein. Das Kolbenspeichersystem kann eine einstufige Dichtungsanordnung an dem Kolben aufweisen, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Dichtungseinrichtung mit einem ersten und einem zweiten dynamischen Dichtabschnitt.
Alternativ kann der Kolben eine zweistufige Dichtungsanordnung mit einer flüssigkeitsseitigen Dichtungseinrichtung und einer gasseitigen Dichtungseinrichtung aufweisen. Dies erlaubt eine spezifische Gestaltung bzw. Auslegung der jeweils gasseitig bzw. flüssigkeitsseitig angeordneten Dichtungseinrichtung. Die gasseitige und/oder die flüssigkeitsseitige Dichtungseinrichtung können je eine zuvor beschriebene Dichtungseinrichtung mit zwei dynamischen Dichtabschnitten sein.
Das Sensorsystem kann einen Zwischendichtungsdrucksensor zur Messung eines Zwischendichtungsdrucks zwischen der flüssigkeitsseitigen und der gasseitigen Dichtungseinrichtung aufweisen. Die Messung des Zwischendichtungsdrucks eröffnet erweiterte Diagnosemöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf eine Leckage an der flüssigkeitsseitigen und/oder der gasseitigen Dichtungseinrichtung.
An dem Speichergehäuse, insbesondere an einer den Gasraum begrenzenden Stirnseite des Speichergehäuses, kann eine weitere Funkeinheit angeordnet sein. Die weitere Funkeinheit kann von der Funkeinheit des Überwachungsmoduls übermittelte Betriebsdaten empfangen und vorzugsweise zur Weiterverarbeitung weiterleiten und/oder Zwischenspeichern. Durch das Gas im Gasraum werden Funksignale nur wenig gedämpft, sodass die Funkeinheit des Überwachungsmoduls mit einer besonders geringen Leistung betrieben werden kann. Die weitere Funkeinheit am Speichergehäuse weist einen Funkempfänger, vorzugsweise einen kombinierten Funkempfänger/-sender, auf. In letzterem Fall kann die weitere Funkeinheit am Speichergehäuse Steuerungsinformationen für das Überwachungsmodul an die zum Empfangen von Funksignalen eingerichtete Funkeinheit des Überwachungsmoduls übermitteln. Es kann vorgesehen sein, dass der Kolben eine gasraumseitige Mulde aufweist, und dass zumindest die Energiegewinnungseinheit, die Energiespeichereinheit und die Funkeinheit des Überwachungsmoduls in der Mulde angeordnet sind. Vorzugsweise sind auch einige oder alle Sensoren der Sensoranordnung in der Mulde angeordnet. In der Mulde angeordnet bedeutet, dass die genannten Komponenten zumindest in die Mulde hineinreichen und vorzugsweise nicht aus der Mulde herausragen. Diese Anordnung erlaubt eine stabile und geschützte Befestigung der vorgenannten Komponenten.
Die Energiespeichereinheit kann einen Akkumulator und/oder einen Kondensator aufweisen. Ein Akkumulator erlaubt das Speichern größerer Mengen elektrischer Energie. Ein Kondensator kann besonders schnell geladen bzw. entladen werden.
Die Energiegewinnungseinheit kann einen Energiewandler zum Umwandeln von in einem thermischen und/oder mechanischen Energiespeicher gespeicherter thermischer bzw. mechanischer Energie in elektrische Energie aufweisen. Der Energiegehalt des thermischen bzw. mechanischen Energiespeichers kann mittels des Kolbens erhöht werden. Der mechanische Energiespeicher kann beispielsweise ein Schwungrad sein.
Dass Kolbenspeichersystem kann einen Aktor zur Beeinflussung des Kolbens aufweisen. Der Aktor ist grundsätzlich am Kolben selbst angeordnet und kann Teil des Überwachungsmoduls sein. Der Aktor kann ein aktiv steuerbares Ventil sein. Der Aktor kann ein elektrisch beeinflussbares Material, beispielsweise ein piezoelektrisches Material, aufweisen. Der Aktor kann einen Bypass zur Umgehung eines Dichtabschnitts, eines Dichtelements oder einer Dichtungseinrichtung einer Dichtungsanordnung des Kolbens eröffnen bzw. verschließen. Dadurch kann die Schmierung der Dichtungsanordnung beeinflusst, insbesondere erhöht, werden. Der Aktor ist grundsätzlich elektrisch mit der Energiespeichereinheit des Überwachungsmoduls verbunden. Der Aktor kann daher von der Energiespeichereinheit mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Überwachungsmodul kann weiterhin einen Spannungswandler, vorzugsweise einen Gleichspannungswandler, aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Ausgangsspannung der Energiegewinnungseinheit auf eine maximale Eingangsspannung der Energiespeichereinheit zu erhöhen. Durch Erhöhen der der Energiespeichereinheit zur Verfügung gestellten Spannung kann eine größere Menge elektrische Energie gespeichert werden. Ferner kann die Energiespeichereinheit bei größeren Spannungen größere elektrische Leistungen abgeben.
Das Überwachungsmodul kann lösbar an dem Kolben befestigt sein. Das Überwachungsmodul kann dann einfach vom Kolben entfernt werden, wenn das Überwachungsmodul oder der Kolben ausgetauscht werden sollen. Vorzugsweise ist das Überwachungsmodul magnetisch an dem Kolben gehalten. Das Befestigen bzw. Entfernen des Überwachungsmoduls kann dann besonders schnell und einfach erfolgen, insbesondere ohne Werkzeug.
Einer Kolbenanordnung, insbesondere für ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Kolbenspeichersystem, aufweisend
- einen Kolben mit einer Aufnahmenut,
- ein in der Aufnahmenut angeordnetes erstes Dichtelement mit zwei dynamischen Dichtabschnitten und mit wenigstens einer Haltenut, wobei sich ein Druckkanal durch das Halteelement hindurch erstreckt,
- zwei Vorspannelemente, die beidseits eines Fortsatzes des ersten Dichtelements, durch welchen der Druckkanal verläuft, das erste Dichtelement Vorspannen, und
- wenigstens ein zweites Dichtelement, das in der Aufnahmenut angeordnet ist, wird ein eigener erfinderischer Gehalt zugeschrieben. In die Aufnahmenut kann ein Anschlusskanal für einen (Innerdichtungs-) Drucksensor münden.
Ebenfalls als erfinderisch wird eine Dichtungseinrichtung, insbesondere für eine solche Kolbenanordnung, angesehen, die Folgendes aufweist: - ein erstes Dichtelement mit einer Haltenut, wobei sich ein Druckkanal von der Haltenut, insbesondere einem Nutgrund der Haltenut, ausgehend durch das erste Dichtelement hindurch erstreckt,
- zwei Vorspannelemente, die beidseits eines Fortsatzes des ersten Dichtelements, durch welchen der Druckkanal verläuft, angeordnet sind,
- ein zweites Dichtelement mit einem ersten und einem zweiten statischen Dichtabschnitt, das in der Aufnahmenut angeordnet ist, wobei der Druckkanal zwischen dem ersten und dem zweiten statischen Dichtabschnitt mündet.
Erfindungsgemäßes Uberwachungsmodul
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner ein Überwachungsmodul zum Anordnen an einem Kolben eines Kolbenspeichersystems, insbesondere eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Kolbenspeichersystems. Das Überwachungsmodul weist Folgendes auf:
- eine mittels des Kolbens antreibbare Energiegewinnungseinheit mit einem, vorzugsweise ringförmigen, Gehäuseteil und einem relativ zu dem Gehäuseteil entlang einer Längsachse beweglichen Bewegungsteil, wobei die Energiegewinnungseinheit dazu eingerichtet ist, aus einer Bewegung des Bewegungsteils relativ zu dem Gehäuseteil elektrische Energie zu erzeugen,
- eine Energiespeichereinheit zum Speichern der elektrischen Energie,
- eine Sensoranordnung zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems und
- eine Funkeinheit, insbesondere mit einem Bluetooth-Modul, zum Übermitteln der Betriebsdaten.
Das erfindungsgemäße Überwachungsmodul kann weitere Merkmale des Überwachungsmoduls des erfindungsgemäßen Kolbenspeichersystems aufweisen.
Die Energiegewinnungseinheit kann für das Überwachungsmodul nutzbare elektrische Energie aus mechanischer Energie des Kolbens gewinnen (erzeugen). Hierzu wird eine Relativbewegung von Bewegungsteil und Gehäuseteil ausgenutzt. Das Gehäuseteil ist typischerweise an dem Kolben befestigbar. Das Bewegungsteil kann in dem Gehäuseteil aufgenommen sein. Eine Relativbewegung von Gehäuseteil und Bewegungsteil kann stattfinden, wenn sich die Beschleunigung des Kolbens, und mithin des typischerweise an dem Kolben befestigten Gehäuseteils, ändert. Typischerweise ist auch der Kolben entlang der Längsachse in einem Speichergehäuse des Kolbenspeichersystems beweglich. Zur Erzeugung der elektrischen Energie kann die Energiegewinnungseinheit ein auf einem Piezoelement abgestütztes Massestück aufweisen. Eine Änderung der Beschleunigung des Kolbens und mithin des Überwachungsmoduls führt zu einer zur Gewinnung elektrischer Energie nutzbaren Auslenkung des Massestücks. Durch die Auslenkung des Massestücks kann das Piezoelement deformiert werden, sodass es elektrische Energie erzeugt.
Die gewonnene elektrische Energie kann in der Energiespeichereinheit vorgehalten werden, bis sie zum Betreiben der Sensoranordnung und/oder der Funkeinheit benötigt wird. Der Betrieb der Sensoranordnung und der Funkeinheit kann daher unabhängig von der aktuellen Erzeugung elektrischer Energie durch die Energiegewinnungseinheit erfolgen. Die Energiegewinnungseinheit, die Sensoranordnung und die Funkeinheit sind grundsätzlich mit der Energiespeichereinheit elektrisch verbunden. Die vorgenannten Komponenten können dadurch von der Energiespeichereinheit mit elektrischer Energie versorgt werden.
Die Sensoranordnung weist wenigstens einen Sensor auf. Die Betriebsdaten können die Messwerte des Sensors bzw. der Sensoren umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebsdaten aus den Messwerten abgeleitet sein. Die Sensoranordnung kann eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Messwerten der Sensoranordnung aufweisen. Die ermittelten Betriebsdaten können insbesondere zur Überwachung der Dichtungsanordnung, vorzugsweise im Rahmen eines unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens, dienen.
Die Funkeinheit ist grundsätzlich für ein drahtloses Übermitteln der Betriebsdaten eingerichtet. Die Funkeinheit kann hierzu einen Funksender aufweisen. Vorzugsweise ist die Funkeinheit auch zum Empfangen von Funksignalen, beispielsweise enthaltend Steuerungsinformationen für das Überwachungsmodul, eingerichtet. Die Funkeinheit kann dann einen kombinierten Funksender- /empfänger aufweisen. Die Funkeinheit kann insbesondere einen Radiofrequenzfunksender bzw. Radiofrequenzfunksender/-empfänger oder einen Lichtwellenfunksender bzw. Lichtwellenfunksender/-empfänger aufweisen. Die Funkeinheit kann ein Bluetooth-Modul aufweisen. Die Funkeinheit kann einen Mikrocontroller umfassen.
Das erfindungsgemäße Überwachungsmodul erlaubt eine autarke Überwachung des Betriebszustandes eines Kolbenspeichersystems durch Erfassung und Übermittlung von Betriebsdaten. Eine externe Energiequelle bzw. eine Energieversorgung von außen ist hierzu nicht erforderlich. Durch die fortlaufende bzw. wiederholte Energieerzeugung im Überwachungsmodul selbst steht auch nach sehr langen Betriebszeiten die zur Überwachung erforderliche Energie zur Verfügung. Die Betriebsdaten können unmittelbar am Überwachungsmodul erfasst werden und insbesondere den Kolben betreffen. Unerwünschte, insbesondere gefährliche, Betriebszustände eines Kolbenspeichersystems können mit dem erfindungsgemäßen Überwachungsmodul erkannt werden, so dass ggf. rechtzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Die Energiegewinnungseinheit kann wenigstens einen an dem Bewegungsteil angeordneten Magneten und wenigstens eine an dem Gehäuseteil angeordnete Spule aufweisen, vorzugsweise mehrere symmetrisch zu der Längsachse angeordnete Magnete und/oder Spulen aufweisen. Durch Induktion aufgrund einer Relativbewegung von Magnet(en) und Spule(n) kann einfach und zuverlässig verhältnismäßig viel elektrische Energie gewonnen werden. Der wenigstens eine Magnet ist vorzugsweise an einer bezüglich der Längsachse radial außen liegenden Felge des Bewegungsteils angeordnet. Der wenigstens eine Magnet kann ein (einziger) Ringmagnet sein. Wenn mehrere Magnete vorhanden sind, kann für jeden Magneten eine eigene Spule vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist das Bewegungsteil aus einer Neutralstellung heraus in beide Richtungen entlang der Längsachse gegen die Wirkung einer Federeinrichtung relativ zum dem Gehäuseteil bewegbar. Dadurch kann unabhängig von der Richtung einer Bewegungsänderung elektrische Energie erzeugt werden. Eine Resonanzfrequenz des Bewegungsteils entspricht vorzugsweise einer Taktfrequenz einer Pumpe zum Aufladen eines Kolbenspeichersystems mit dem Überwachungsmodul. Dies erlaubt die Erzeugung von besonders viel elektrischer Energie.
Es kann vorgesehen sein, dass an dem Gehäuseteil wenigstens ein erster Stützmagnet und wenigstens ein zweiter Stützmagnet der Federeinrichtung angeordnet sind, zwischen denen der wenigstens eine Magnet der Energiegewinnungseinheit angeordnet ist. Der wenigstens eine Magnet dient damit einerseits zur induktiven Energiegewinnung und andererseits gleichzeitig zur federnden Lagerung des Bewegungsteils durch magnetische Levitation. Die Stützmagnete sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie den Magneten der Energieerzeugungseinheit jeweils von sich abstoßen. Der Stützmagnet bzw. die Stützmagnete können auch zum Halten des Überwachungsmoduls an dem Kolben dienen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung wenigstens ein Federelement, vorzugsweise zwei gegeneinander wirkende Federelemente aufweist. Die Verwendung von (linearen) Federelementen erlaubt es eine von der Bewegungsamplitude des Bewegungsteils unabhängige Resonanzfrequenz einzurichten. Das Federelement bzw. die Federelemente können Schraubenfedern sein. Das Federelement bzw. die Federelemente können sich einerseits an dem Bewegungsteil und andererseits an dem Gehäuseteil abstützen. Das Federelement bzw. die Federelemente können eine Führungsstange des Gehäuseteils umgreifen, an der das Bewegungsteil verschieblich geführt ist.
Das Bewegungsteil kann Fortsätze aufweisen, die in Nuten des Gehäuseteils geführt sind. Die Fortsätze können eine Rotation des Bewegungsteils um eine Bewegungsachse verhindern. Die Fortsätze können an einer Felge des Bewegungsteils angeordnet sein. Das Gehäuseteil kann eine Führungsstange aufweisen, an der das Bewegungsteil mit einem Hülsenabschnitt geführt ist. Die Führungsstange kann eine Bewegungsrichtung des Bewegungsteils gegenüber dem Gehäuseteil definieren. Vorzugsweise ist die Führungsstange an einem Gehäusedeckel des Gehäuseteils angeordnet.
Der Hülsenabschnitt ist vorzugsweise über Speichen mit einer Felge des Bewegungsteils verbunden. An der Felge können Fortsätze zur Führung in Nuten des Gehäuseteils ausgebildet sein. Zwischen den Speichen können Komponenten der Energiegewinnungseinheit, beispielsweise Akkumulatoren, und/oder oder des Sensorsystems platzsparend angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Gehäusedeckel des Gehäuseteils aufgedruckte Leiterbahnen aufweist, und dass wenigstens ein Sensor der Sensoranordnung an dem Gehäusedeckel angeordnet ist, vorzugsweise alle Sensoren der Sensoranordnung an dem Gehäusedeckel angeordnet sind. Vorzugsweise ist auch die Energiespeichereinheit an dem Gehäusedeckel angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und integrierte Gestaltung des Überwachungsmoduls.
Vorzugsweise sind das Gehäuseteil und das Bewegungsteil drehsymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgebildet. Dies kann die Montage des Überwachungsmoduls vereinfachen. Ferner kann eine Drehsymmetrie einem Verkippen des Bewegungsteils gegenüber dem Gehäuseteil bei axialer Relativbewegung entgegenwirken. Die Drehsymmetrie kann bezüglich Drehungen um 90° oder 120° bzw. Vielfache davon eingerichtet sein. Erfindungsgemäßes Uberwachungsverfahren
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin ein Verfahren zum Überwachen eines Kolbenspeichersystems mit einem Speichergehäuse und einem fliegenden Kolben, der einen Gasraum und einen Flüssigkeitsraum in dem Speichergehäuse voneinander trennt. Der fliegende Kolben weist keine mechanische Verbindung aus dem Speichergehäuse heraus auf. Insbesondere ist keine aus dem Speichergehäuse herausführende Kolbenstange vorhanden. Das Kolbenspeichersystem ist vorzugsweise ein erfindungsgemäßes Kolbenspeichersystem, besonders bevorzugt mit einem erfindungsgemäßen Überwachungsmodul.
Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Antreiben einer Energiegewinnungseinheit mittels des Kolbens und Erzeugen elektrischer Energie, b) Betreiben einer an dem Kolben angeordneten Sensoranordnung mit der elektrischen Energie und Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems mittels der Sensoranordnung, c) Drahtloses Übermitteln der Betriebsdaten.
Die Energiegewinnungseinheit ist grundsätzlich an dem Kolben angeordnet. Die Sensoranordnung weist wenigstens einen Sensor auf. Die Betriebsdaten können die Messwerte des Sensors bzw. der Sensoren umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebsdaten aus den Messwerten abgeleitet sein. Die Sensoranordnung kann eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Messwerten der Sensoranordnung aufweisen. Die übermittelten Betriebsdaten werden typischerweise außerhalb des Speichergehäuses weiterverarbeitet.
Dieses Verfahren erlaubt die Überwachung eines Kolbenspeichersystems, insbesondere von dessen Kolben, vorzugsweise im Hinblick auf eine Dichtungsanordnung des Kolbens, ohne Energiezufuhr von außen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Betriebsdaten an dem fliegenden Kolben erfasst und übermittelt werden, die bisher nicht zugänglich waren. Insbesondere können die erfassten und übermittelten Betriebsdaten Rückschlüsse auf eine allfällige Leckage der Dichtungsanordnung an dem Kolben erlauben. Unerwünschte, insbesondere gefährliche, Betriebszustände des Kolbenspeichersystems können daher erkannt und behoben werden, bevor es zu Folgeschäden kommt.
Vorzugsweise wird die elektrische Energie zwischen den Schritten a) und b) zwischengespeichert. Die Energieerzeugung und das Ermitteln und Übermitteln der Betriebsdaten können dadurch zeitlich voneinander getrennt werden. Insbesondere können auch dann Betriebsdaten ermittelt werden, wenn gerade keine elektrische Energie erzeugt werden kann, etwa in einem Ruhezustand des Kolbenspeichersystems.
Vorzugsweise wird aus den Betriebsdaten ein Funktionstüchtigkeitskennwert des Kolbenspeichersystems bestimmt. Der Funktionstüchtigkeitskennwert kann eine aktuelle Leistungsfähigkeit, insbesondere eine maximal abrufbare Energiemenge, im Verhältnis zu einer nominellen Leistungsfähigkeit des neuwertigen, insbesondere nicht durch Verschleiß deteriorierten, Kolbenspeichersystems angeben. Der Funktionstüchtigkeitskennwert kann alternativ oder zusätzlich einen Verschleißzustand einer Dichtungsanordnung des Kolbens beschreiben. Der Funktionstüchtigkeitskennwert kann angeben, wann eine Wartung des Kolbenspeichersystems erforderlich ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Funktionstüchtigkeitskennwert angeben, ob ein sicherheitsrelevantes Problem aufgetreten ist. In diesem Fall umfasst der Funktionstüchtigkeitskennwert typischerweise einen Binärwert.
Aus den Betriebsdaten kann eine Leckage über eine Dichtungsanordnung des Kolbens bestimmt werden. Die Leckage kann eine Leckage von Gas aus dem Gasraum in den Flüssigkeitsraum sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Leckage von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum in den Gasraum bestimmt werden. Es kann jeweils insbesondere eine Leckagerate und/oder ein Leckagevolumen bestimmt werden. Ein Versagen der Dichtungsanordnung gefährdet die Funktionstüchtigkeit des Kolbenspeichersystems. Wenn eine (unzulässige) Leckage über die Dichtungsanordnung erkannt wird, kann das Kolbenspeichersystem außer Betrieb gesetzt und repariert werden, bevor es zu einem Versagen kommt.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Überwachungsmodul des Kolbenspeichersystems, welches die Energiegewinnungseinheit, die Sensoranordnung und eine Funkeinheit zum Übermitteln der Betriebsdaten aufweist, aus einem Ruhemodus in einen Überwachungsmodus geschaltet wird, wenn ein vordefiniertes Aufwachereignis stattfindet. In dem Ruhemodus verbraucht das Überwachungsmodul besonders wenig Energie. Indem das Überwachungsmodul nur bei Bedarf aus dem Ruhemodus in den Überwachungsmodus geschaltet wird, kann erreicht werden, dass in einer Energiespeichereinheit des Überwachungsmoduls noch genügend elektrische Energie zum Erfassen von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems gespeichert ist. Das Aufwachereignis kann ein Überschreiten einer vordefinierten Beschleunigung des Kolbens oder eines vordefinierten Verfahrwegs des Kolbens relativ zu dem Speichergehäuse sein. Das Aufwachereignis kann das Erzeugen einer vordefinierten elektrischen Spannung oder einer vordefinierten Menge elektrischer Energie durch die Energiegewinnungseinheit sein. Das Aufwachereignis kann durch einen Betreiber auslösbar sein, beispielsweise durch Drücken eines Knopfes oder Anwählen einer Schaltfläche. Dadurch kann das Überwachungsmodul besonders lange im (energiesparenden) Ruhemodus gehalten werden; eine Überwachung findet nur auf gesonderte Anforderung durch den Betreiber hin statt.
Aus einem Bewegungsprofil des Kolbens kann auf einen Schmierungszustand des Kolbens geschlossen werden. Der Schmierungszustand kann insbesondere eine Dichtungsanordnung des Kolbens betreffen. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Anzahl von Bewegungen des Kolbens, die einen Mindestverfahrweg des Kolbens nicht erreichen, kann ein Mangelschmierungszustand erkannt werden. Eine unzureichende Schmierung kann den Verschleiß der Dichtungsanordnung erhöhen und schlimmstenfalls zu deren Versagen führen. Indem Mangelschmierungszustände erkannt werden, können Wartungsmaßnahmen eingeplant und ergriffen werden, bevor Schäden auftreten.
Die in Schritt a) gewonnene elektrische Energie kann zur aktiven Beeinflussung des Kolbens, insbesondere zum Erhöhen der Schmierung einer Dichtungsanordnung des Kolbens, verwendet werden. Hierdurch kann ein Verschleiß der Dichtungsanordnung vermindert werden. Hierzu kann beispielsweise ein Bypass zur Umgehung einer Dichtung der Dichtungsanordnung geöffnet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Kolbenspeichersystem mit einem fliegenden Kolben, der in einem Speichergehäuse einen Gasraum von einem Flüssigkeitsraum trennt und an dem ein erfindungsgemäßes Überwachungsmodul angeordnet ist, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 2 einen gehäuseseitigen Bereich des Kolbens aus Figur 1 mit Aufnahmenuten für Dichtungseinrichtungen zur Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Speichergehäuse, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 3 eine Aufnahmenut des Kolbens aus Figur 1 mit einer darin angeordneten Dichtungseinrichtung mit einem ersten Dichtelement, das eine Haltenut für ein zweites Dichtelement aufweist, wobei sich ein Druckkanal von einem Nutgrund der Haltenut durch das erste Dichtelement erstreckt, und wobei an dem ersten und dem zweiten Dichtelement jeweils zwei dynamische Dichtabschnitte zur Abdichtung an dem Speichergehäuse ausgebildet sind, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 4 eine weitere Dichtungseinrichtung mit einem ersten Dichtelement, das zwei Haltenuten für zweite Dichtelemente aufweist, wobei die zweiten Dichtelemente jeweils einen dynamischen Dichtabschnitt zur Abdichtung an dem Speichergehäuse aufweisen, und wobei sich zwischen den Haltenuten ein Druckkanal durch das erste Dichtelement erstreckt, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 5 eine weitere Dichtungseinrichtung mit einem ersten Dichtelement, an dem ein erster dynamischer Dichtabschnitt ausgebildet ist und das eine Haltenut für ein zweites Dichtelement mit einem zweiten dynamischen Dichtabschnitt aufweist, wobei sich zwischen dem ersten dynamischen Dichtabschnitt und der Haltenut ein Druckkanal durch das erste Dichtelement erstreckt, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 6 einen Kolben für ein erfindungsgemäßes Kolbenspeichersystem mit einem erfindungsgemäßen Überwachungsmodul, welches eine Energiegewinnungseinrichtung mit einem Gehäuseteil und einem Bewegungsteil, eine Energiespeichereinheit, eine Sensoranordnung und eine Funkeinheit aufweist, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 7 das Bewegungsteil und zwei ringförmige Elemente des Gehäuseteils des Überwachungsmoduls aus Figur 6, wobei zwischen den beiden ringförmigen Elementen eine Spule zur induktiven Erzeugung elektrischer Energie bei Bewegung des Bewegungsteils angeordnet ist, in einer schematischen Perspektivansicht;
Fig. 8 die Spule und eines der ringförmigen Elemente des Gehäuseteils sowie das Bewegungsteil des Überwachungsmoduls aus Figur 6, in einer schematischen Perspektivansicht;
Fig. 9 eines der ringförmigen Elemente des Gehäuseteils des
Überwachungsmoduls aus Figur 7, wobei das ringförmige Element Stützmagnete zur Befestigung des Gehäuseteils an dem Kolben und zur magnetischen Levitation des Bewegungsteils aufweist, in einer schematischen Perspektivansicht;
Fig. 10 einen Gehäusedeckel des Gehäuseteils des Überwachungsmoduls aus Figur 6, wobei an dem Gehäusedeckel eine Führungsstange zur Führung des Bewegungsteils und Speicherelemente der Energiespeichereinheit angeordnet sind, in einer schematischen Perspektivansicht;
Fig. 11 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen
Überwachungsverfahren für ein Kolbenspeichersystem.
Figur 1 zeigt ein Kolbenspeichersystem 10. Das Kolbenspeichersystem 10 weist ein Speichergehäuse 12 auf. In dem Speichergehäuse 12 ist ein fliegender Kolben 14 angeordnet. Der fliegende Kolben 14 ist in dem Speichergehäuse 12 entlang einer Längsachse 15 frei beweglich. Der fliegende Kolben 14 trennt einen Gasraum 16 von einem Flüssigkeitsraum 18. Der Gasraum 16 ist mit Stickstoff gefüllt. Der Flüssigkeitsraum 18 ist mit Öl, insbesondere Hydrauliköl, gefüllt.
An dem Kolben 14 ist ein Überwachungsmodul 20 angeordnet. Das Überwachungsmodul 20 ist hier in einer gasraumseitigen Mulde 22 des Kolbens 14 aufgenommen. Die Mulde 22 kann auch als eine Vertiefung in dem Kolben 14 bezeichnet werden. Komponenten des Überwachungsmoduls 20 sind in Figur 1 stark abstrahiert dargestellt.
Das Überwachungsmodul 20 weist eine Energiegewinnungseinheit 24 und eine Energiespeichereinheit 26 auf. Die Energiegewinnungseinheit 24 wird von dem Kolben 14 angetrieben und dient zum Erzeugen elektrischer Energie. Die Energiegewinnungseinheit 24 kann hierzu Energie, insbesondere mechanische Energie, in elektrische Energie umwandeln. Die Energiespeichereinheit 26 dient zum Zwischenspeichern der von der Energiegewinnungseinheit 24 erzeugten elektrischen Energie. Um der Energiespeichereinheit 26 eine Eingangsspannung bereitstellen zu können, die größer ist als eine Ausgangsspannung der Energiegewinnungseinheit 24, kann das Überwachungsmodul 20 einen in Figur 1 nicht näher dargestellten Spannungswandler aufweisen. Die Energiespeichereinheit 26 kann einen oder mehrere Akkumulatoren und/oder Kondensatoren aufweisen.
Das Überwachungsmodul 20 weist ferner eine Sensoranordnung 28 auf. Die Sensoranordnung 28 dient zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems 10. Die Sensoranordnung 28 kann eine Vielzahl von in Figur 1 nicht im Einzelnen dargestellten Sensoren umfassen, beispielsweise einen Gasdrucksensor zur Messung eines Gasdrucks im Gasraum 16, einen Flüssigkeitsdrucksensor zur Messung eines Flüssigkeitsdrucks im Flüssigkeitsraum 18, Temperatursensoren zur Messung von Temperaturen im Gasraum 16 bzw. Flüssigkeitsraum 18, einen Beschleunigungssensor, einen Distanzsensor zur Messung eines Abstands des Kolbens 14 von einer den Gasraum 16 begrenzenden Stirnseite 30 des Speichergehäuses 12 und/oder einen Impedanzsensor zur Messung einer Impedanz in dem Gasraum 16. Die Sensoranordnung 28 kann ferner einen Zwischendichtungsdrucksensor zur Messung eines Zwischendichtungsdrucks zwischen zwei Dichtungseinrichtungen einer Dichtungsanordnung des Kolbens 14 und/oder einen Innerdichtungsdrucksensor zur Messung eines Innerdichtungsdrucks zwischen zwei Dichtabschnitten einer Dichtungseinrichtung aufweisen. Die Sensoranordnung 28 kann weiterhin eine Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Messwerten der einzelnen Sensoren aufweisen.
Das Überwachungsmodul 20 weist weiterhin eine Funkeinheit 32 auf. Die Funkeinheit 32 dient zum Übermitteln der von der Sensoranordnung 28 erfassten bzw. ermittelten Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems 10. Die Funkeinheit 32 kann ein Bluetooth-Modul sein. Um die von der Funkeinheit 32 übermittelten Betriebsdaten zu empfangen, kann an der den Gasraum 16 begrenzenden Stirnseite 30 des Speichergehäuses 12 eine weitere Funkeinheit 34 angeordnet sein. An der Stirnseite 30 kann eine Durchführung 36 zum Anschließen der weiteren Funkeinheit 34 ausgebildet sein. Die Durchführung 36 ist grundsätzlich gasdicht verschlossen.
Die Sensoranordnung 28 und die Funkeinheit 32 werden mit von der Energiegewinnungseinheit 24 erzeugter elektrischer Energie betrieben. Die elektrische Energie kann der Sensoranordnung 28 bzw. der Funkeinheit 32 unmittelbar bei ihrer Erzeugung in der Energiegewinnungseinheit 24 zugeführt werden. Typischerweise werden die Sensoranordnung 28 und die Funkeinheit 32 jedoch aus der Energiespeichereinheit 26 mit elektrischer Energie versorgt.
In Figur 2 ist ein radial äußerer Bereich des Kolbens 14 des Kolbenspeichersystems 10 von Figur 1 vergrößert dargestellt. Der Kolben 14 grenzt radial außen an eine Zylinderwand 38 des Speichergehäuses 12 an. Die Umfangswand 38 umgibt die Längsachse 15 ringförmig, vergleiche auch Figur 1.
Der Kolben 14 weist zwei Aufnahmenuten 40 für zwei in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte Dichtungseinrichtungen einer zweistufigen Dichtungsanordnung auf. Eine der Dichtungseinrichtungen ist als eine flüssigkeitsseitige Dichtungseinrichtung ausgebildet und näher an dem Flüssigkeitsraum 18 angeordnet; die andere Dichtungseinrichtung ist als eine gasseitige Dichtungseinrichtung ausgebildet und näher an dem Gasraum 16 angeordnet. Die Aufnahmenuten 40 sind entlang der Längsachse 15 voneinander beabstandet. Zwischen den beiden Aufnahmenuten 40 mündet ein Verbindungskanal 42. Der Verbindungskanal 42 überträgt einen zwischen den beiden in den Aufnahmenuten 40 gehaltenen Dichtungseinrichtungen herrschenden Druck (hier als Zwischendichtungsdruck bezeichnet) an den Zwischendichtungsdrucksensor. Der Verbindungskanal 42 kann radial außen in eine Umfangsnut 43, welche sich zwischen den Aufnahmenuten 40 umlaufend um den Kolben 14 erstreckt, münden.
In eine der beiden Aufnahmenuten 40 mündet ein Anschlusskanal 44. Der Anschlusskanal 44 überträgt einen in der Aufnahmenut 40 herrschenden Druck (hier als Innerdichtungsdruck bezeichnet) an den Innerdichtungsdrucksensor. Auch die zweite Aufnahmenut 40 kann einen weiteren Anschlusskanal für einen weiteren Innerdichtungsdrucksensor der Sensoranordnung 28 aufweisen (nicht dargestellt).
Der Kolben 14 weist ferner zwei Führungsnuten 46 auf. In den Führungsnuten 46 sind in den Figuren 1 und 2 nicht näher dargestellte Führungsbänder zur Abstützung des Kolbens 14 an der Zylinderwand 38 des Speichergehäuses 12 angeordnet. Die beiden Aufnahmenuten 40 für die Dichtungseinrichtungen können in axialer Richtung zwischen den beiden Führungsnuten 46 ausgebildet sein.
Figur 3 zeigt eine Dichtungseinrichtung 48 einer Dichtungsanordnung 50. Die Dichtungseinrichtung 48 ist in der Aufnahmenut 40 des Kolbens 14, vergleiche Figuren 1 und 2, angeordnet. Die Dichtungseinrichtung 48 dichtet den Kolben 14 gegenüber der Zylinderwand 38 des Speichergehäuses 12 ab. Auch in der zweiten Aufnahmenut 40 kann eine solche Dichtungseinrichtung 48 angeordnet sein.
Die Dichtungseinrichtung 48 weist ein erstes Dichtelement 52 auf. Das erste Dichtelement 52 weist einen ersten und einen zweiten dynamischen Dichtabschnitt 54a, 54b auf. Bei einer Bewegung des Kolbens 14 gleiten die dynamischen Dichtabschnitte 54a, 54b des ersten Dichtelements 52 an der Zylinderwand 38 entlang.
Die Dichtungseinrichtung 48 weist ferner zwei Vorspannelemente 56 auf. Die Vorspannelemente 56 pressen das erste Dichtelement 52, insbesondere dessen dynamische Dichtabschnitte 54a, 54b in zu der Längsachse 15 radialer Richtung gegen die Zylinderwand 38. Die Vorspannelemente 56 sind hier jeweils als O-Ringe ausgebildet. Die Vorspannelemente 56 können das erste Dichtelement 52 statisch gegenüber dem Kolben 14 abdichten. Zwischen den beiden Vorspannelementen 56 erstreckt sich ein Fortsatz 58 des ersten Dichtelements 52 nach radial innen. Durch den Fortsatz 58 sind die beiden Vorspannelemente 56 in axialer Richtung voneinander beabstandet.
Das erste Dichtelement 52 weist eine Haltenut 60 auf. Die Haltenut 60 ist in axialer Richtung zwischen den beiden dynamischen Dichtabschnitten 54a, 54b angeordnet. Ausgehend von einem Nutgrund 62 der Haltenut 60 erstreckt sich ein Druckkanal 64 durch das erste Dichtelement 52. Der Druckkanal 64 verläuft hier durch den Fortsatz 58. Der Druckkanal 64 verbindet die Haltenut 60 fluidisch mit der Umfangsnut 43 bzw. dem Verbindungskanal 42 des Kolbens 14.
In der Haltenut 60 ist ein zweites Dichtelement 66 der Dichtungseinrichtung 48 angeordnet. Das zweite Dichtelement 66 kann mit einem X-förmigen Querschnitt ausgebildet sein. Das zweite Dichtelement 66 weist hier zwei weitere dynamische Dichtabschnitte 68a, 68b auf. Bei einer Bewegung des Kolbens 14 gleiten die weiteren dynamischen Dichtabschnitte 68a, 68b des zweiten Dichtelements 66 an der Zylinderwand 38 entlang. Das zweite Dichtelement 66 weist ferner zwei statische Dichtabschnitte 70a, 70b auf. Der Druckkanal 64 mündet zwischen den beiden statischen Dichtabschnitten 70a, 70b in die Haltenut 60. Wenn sich das zweite Dichtelement 66 in der Haltenut 60 verdrillen sollte, übertragen der Druckkanal 64 und der Verbindungskanal 42 den zwischen den beiden dynamischen Dichtabschnitten 54a, 54b des ersten Dichtelements 52 herrschenden Innerdichtungsdrucks zu dem Innerdichtungsdrucksensor der Sensoranordnung 28. Der Innerdichtungsdrucksensor ermöglicht daher eine Überwachung der korrekten Anordnung und Ausrichtung des zweiten Dichtelements 66.
Die beiden dynamischen Dichtabschnitte 54a, 54b des ersten Dichtelements 52 wirken hier vorrangig als eine Flüssigkeitsdichtung, insbesondere wenn sich der Kolben 14 bewegt. Die beiden dynamischen Dichtabschnitte 68a, 68b des zweiten Dichtelements 66 wirken hier vorrangig als eine Gasdichtung. Bei stillstehendem Kolben 14 wirken die beiden dynamischen Dichtabschnitte 68a, 68b des zweiten Dichtelements 66 zudem als eine statische Flüssigkeitsdichtung einer Leckage von Flüssigkeit über die Dichtungseinrichtung 48 entgegen.
Figur 4 zeigt eine weitere Dichtungseinrichtung 72 für den Kolben 14 eines Kolbenspeichersystems 10, vergleiche Figur 1. Die Dichtungseinrichtung 72 weist ein erstes Dichtelement 74 und zwei zweite Dichtelemente 76 auf. Die Dichtungsanordnung 72 kann über Vorspannelemente 56 vorgespannt in einer Aufnahmenut 40 des Kolbens 14 angeordnet sein, vergleiche Figur 3. Das erste Dichtelement 74 und die zweiten Dichtelemente 76 der Dichtungseinrichtung 72 ersetzen dabei das erste und das zweite Dichtelement 52, 66 der Dichtungseinrichtung 48.
Das erste Dichtelement 74 weist zwei Haltenuten 78 auf. In jeder der beiden Haltenuten 78 ist je eines der zweiten Dichtelemente 76 angeordnet. An den beiden zweiten Dichtelemente 76 ist jeweils ein dynamischer Dichtabschnitt 80 zur Abdichtung an dem Speichergehäuse 12 ausgebildet. Die zweiten Dichtelemente 76 weisen ferner jeweils zwei statische Dichtabschnitte 82 zur Abdichtung gegenüber dem ersten Dichtelement 74 auf. Die zweiten Dichtelemente 76 können jeweils einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. An dem ersten Dichtelement 74 können weitere dynamische Dichtabschnitte 84 ausgebildet sein.
Zwischen den beiden Haltenuten 78 bzw. zwischen den beiden zweiten Dichtelementen 76 erstreckt sich ein Druckkanal 86 durch das erste Dichtelement 74. Der Druckkanal 86 überträgt einen zwischen den beiden zweiten Dichtelementen 76 bzw. zwischen den axial inneren weiteren Dichtabschnitten 84 herrschenden Innerdichtungsdrucks zu einem Innerdichtungsdrucksensor der Sensoranordnung 28.
Figur 5 zeigt eine weitere Dichtungseinrichtung 88 für den Kolben 14 eines Kolbenspeichersystems 10, vergleiche Figur 1. Die Dichtungseinrichtung 88 weist ein erstes Dichtelement 90 und ein zweites Dichtelement 92 auf. Die Dichtungsanordnung 88 kann über Vorspannelemente 56 vorgespannt in einer Aufnahmenut 40 des Kolbens 14 angeordnet sein, vergleiche Figur 3. Das erste Dichtelement 90 und das zweite Dichtelement 92 der Dichtungseinrichtung 88 ersetzen dabei das erste und das zweite Dichtelement 52, 66 der Dichtungseinrichtung 48.
Das erste Dichtelement 90 weist eine Haltenut 94 auf. In der Haltenut 94 ist das zweite Dichtelement 92 angeordnet. An dem ersten Dichtelement 90 ist ein erster dynamischer Dichtabschnitt 96 ausgebildet. An dem zweiten Dichtelement 92 ist ein zweiter dynamischer Dichtabschnitt 98 ausgebildet. Der erste dynamische Dichtabschnitt 96 ist typischerweise dem Flüssigkeitsraum 18 zuweisend an dem Kolben 14 angeordnet; der zweite dynamische Dichtabschnitt 98 ist typischerweise dem Gasraum 16 zuweisend an dem Kolben 14 angeordnet. Beidseits des zweiten Dichtelements 92 bzw. der Haltenut 94 können weitere dynamische Dichtabschnitte 100 an dem ersten Dichtelement 90 ausgebildet sein.
Das zweite Dichtelement 92 weist ferner zwei statische Dichtabschnitte 82 zur Abdichtung gegenüber dem ersten Dichtelement 90 auf. Das zweite Dichtelement 92 kann einen V-förmigen Querschnitt aufweisen.
Zwischen dem ersten dynamischen Dichtabschnitt 96 des ersten Dichtelements 90 und dem zweiten Dichtelement 92 bzw. der Haltenut 94 erstreckt sich ein Druckkanal 102 durch das erste Dichtelement 90. Der Druckkanal 102 überträgt einen zwischen den beiden dynamischen Dichtabschnitten 96, 98 herrschenden Innerdichtungsdrucks zu einem Innerdichtungsdrucksensor der Sensoranordnung 28.
Figur 6 zeigt einen Kolben 14 für ein Kolbenspeichersystem 10, vergleiche Figur 1. Der Kolben 14 weist zwei in Führungsnuten 46 gehaltene Führungsbänder 103 auf. Die Führungsbänder 103 umgreifen den Kolben 14 ringförmig. In axialer Richtung bezüglich einer Längsachse 15 zwischen den beiden Führungsbändern 103 weist der Kolben 14 eine, hier einstufige, Dichtungsanordnung 50 auf. Eine Dichtungseinrichtung der Dichtungsanordnung 50 ist in einer Aufnahmenut 40 des Kolbens 14 gehalten. Die Dichtungseinrichtung kann eine der oben beschriebenen Dichtungseinrichtungen 48, 72 oder 88 sein, vergleiche Figuren 3, 4 oder 5.
An dem Kolben 14 ist ein Überwachungsmodul 20 lösbar gehalten. Das Überwachungsmodul 20 kann magnetisch an dem Kolben 14 befestigt sein. Das Überwachungsmodul 20 ist hier überwiegend in einer Mulde 22 des Kolbens 14 versenkt.
Das Überwachungsmodul weist eine Energiegewinnungseinheit 24, eine Energiespeichereinheit 26, eine Sensoranordnung 28 und eine Funkeinheit 32 auf. Im Hinblick auf deren Funktionen und insbesondere die Sensorausstattung der Sensoranordnung 28 wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.
Die Energiegewinnungseinheit 24 weist ein Gehäuseteil 104 und ein Bewegungsteil 106 auf. Das Bewegungsteil 106 ist entlang einer Längsachse 15 gegenüber dem Gehäuseteil 104 beweglich. Im in das Speichergehäuse 12 eingesetzten Zustand des Kolbens 14 ist der Kolben 14 seinerseits entlang der Längsachse 15 in dem Speichergehäuse 12 beweglich, vergleiche Figur 1. Das Gehäuseteil 104 weist zwei ringförmige Elemente 108a, 108b, vergleiche auch Figuren 7, 8 und 9, und einen Gehäusedeckel 110, vergleiche auch Figur 10, auf. Die beiden ringförmigen Elemente 108a, 108b können baugleich ausgeführt sein. Zwischen den beiden ringförmigen Elementen 108a, 108b ist eine Spule 112 angeordnet. Die Spule 112 dient der induktiven Erzeugung elektrischer Energie bei Bewegung des Bewegungsteils 106. Das Bewegungsteil 106 weist mehrere Magnete 114 auf. Die Magnete 114 sind an einer Felge 116 des Bewegungsteils 106 gehalten. Die Magnete 114 sind hier symmetrisch bezüglich der Längsachse 15 angeordnet, vergleiche Figur 8.
Die beiden ringförmigen Elemente 108a, 108b des Bewegungsteils 104 weisen jeweils mehrere, hier sechs, Stützmagnete 118a, 118b auf. Die Magnete 114 des Bewegungsteils 106 sind (in axialer Richtung bezüglich der Längsachse 15) zwischen den Stützmagneten 118a, 118b der beiden ringförmigen Elemente 108a, 108b angeordnet. Die Stützmagnete 118a, 118b sind dabei so orientiert, dass sie die Magnete 114 des Bewegungsteils 106 jeweils abstoßen. Das Bewegungsteil 106 wird dadurch zwischen den beiden ringförmigen Elementen 108a, 108b in der Schwebe gehalten, sodass es sich bei einer Beschleunigung des Kolbens 14 bzw. des Gehäuseteils 104 in beiden Richtungen entlang der Längsachse 15 relativ zu dem Gehäuseteil 104 bewegen kann. Die Magnete 114 und die Stützmagnete 118a, 118b bilden insofern eine Federeinrichtung der Energiegewinnungseinheit 24. Die Stützmagnete 118a des (in Figur 6 unteren) ringförmigen Elements 108a können ferner zur Befestigung des Überwachungsmoduls 20 an dem Kolben 14 magnetisch an einem Kolbenboden 119 des Kolbens 14 gehalten sein.
Die Felge 116 des Bewegungsteils 106 kann über Speichen 120 mit einem Hülsenabschnitt 122 verbunden sein, vergleiche insbesondere Figuren 7 und 8. Über den Hülsenabschnitt 122 kann das Bewegungsteil 106 an einer Führungsstange 124 des Gehäuseteils 104 geführt sein, vergleiche Figur 6. Die Führungsstange 124 ist hier an dem Gehäusedeckel 110 gehalten, vergleiche Figur 10.
Um zu verhindern, dass sich das Bewegungsteil 106 um die Längsachse 15 gegenüber dem Gehäuseteil 104 dreht oder um eine Querachse verkippt, kann eine weitere Führung des Bewegungsteils 106 am Gehäuseteil 104 eingerichtet sein. Hier weist das Bewegungsteil 106 Fortsätze 126 auf, vergleiche Figur 8. Die beiden ringförmigen Elemente 108a, 108b weisen jeweils Nuten 128 auf, vergleiche Figuren 8 und 9. Im aneinander montierten Zustand der ringförmigen Elemente 108a, 108b ergänzen die jeweiligen Nuten 128 einander und erstrecken sich parallel zu der Längsachse 15. Die Fortsätze 126 greifen in die Nuten 128 ein, vergleiche Figuren 7 und 8.
Das Bewegungsteil 106 und die ringförmigen Elemente 108a, 108b des Gehäuseteils 104 können drehsymmetrisch bezüglich der Längsachse 15 ausgebildet sein. Das Bewegungsteil 106 ist hier drehsymmetrisch bezüglich Drehungen von 120° bzw. Vielfachen hiervon. Die ringförmigen Elementel08a, 108b sind hier drehsymmetrisch bezüglich Drehungen von 60° bzw. Vielfachen hiervon.
An dem Gehäusedeckel 110 können nicht näher dargestellte Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Energieerzeugungseinheit 24 der Energiespeichereinheit 26, der Sensoren der Sensoranordnung 28 sowie der Funkeinheit 32 ausgebildet sein. Die Leiterbahnen können auf dem Gehäusedeckel aufgedruckt sein, insbesondere beidseitig. Einige oder alle der Sensoren der Sensoranordnung 28 und die Funkeinheit 32 können an dem Gehäusedeckel 110 gehalten sein. Die Funkeinheit 32 und beispielsweise ein Gasdrucksensor zur Messung eines Gasdrucks in dem Gasraum 16 oder ein Distanzsensor zur Messung eines Abstands des Kolbens 14 von einer Stirnseite 30 eines Speichergehäuses 12 können außen an dem Gehäusedeckel 110 angeordnet sein, vergleiche Figur 6. Andere Sensoren der Sensoranordnung 28, beispielsweise ein Beschleunigungssensor, können innen an dem Gehäusedeckel 110 angeordnet sein. Auch Komponenten der Energiespeichereinheit 26, beispielsweise Kondensatoren 130, können innen an dem Gehäusedeckel 110 angeordnet sein, vergleiche Figur 10.
Figur 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Überwachungsverfahrens für ein Kolbenspeichersystem. Das Verfahren wird nachfolgend beispielhaft anhand des oben beschriebenen Kolbenspeichersystems 10, vergleiche Figur 1, bzw. des Überwachungsmoduls 20, vergleiche Figur 6, beschrieben.
Vor Durchführung des Verfahrens kann sich das Überwachungsmodul 20 in einem energiesparenden Ruhemodus befinden. Das Überwachungsmodul 20 wird dann in einem Schritt 202 zunächst in einen Überwachungsmodus geschaltet. In dem Überwachungsmodus ist das Sensorsystem 28 aktiviert. Dies kann durch einen Benutzer ausgelöst werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Überwachungsmodul 20 eine Bewegung des Kolbens 14 erkennt und selbsttätig den Überwachungsmodus aktiviert. Sodann wird in einem Schritt 204 die Energiegewinnungseinheit 24 von dem Kolben 14 angetrieben, sodass elektrische Energie erzeugt wird. Hierzu können Schwingungen bzw. Vibrationen des Kolbens 14 ausgenutzt werden, da diese eine Relativbewegung zwischen dem Bewegungsteil 106 und dem Gehäuseteil 104 hervorrufen. Die erzeugte elektrische Energie wird in einem Schritt 206 zumindest überwiegend in der Energiespeichereinheit 26 zwischengespeichert.
Die in der Energiespeichereinheit 26 gespeicherte elektrische Energie wird in einem Schritt 208 dazu verwendet, die Sensoranordnung 28 zu betreiben und in einem Schritt 210 Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems 10 zu ermitteln. Die Betriebsdaten können dabei Messwerten von Sensoren der Sensoranordnung 28 entsprechen und/oder mittels einer Auswerteeinheit der Sensoranordnung 28 aus den Messwerten abgeleitet sein. Die Schritte 208 und 210 werden typischerweise zeitgleich durchgeführt. Die ermittelten Betriebsdaten werden schließlich in einem Schritt 212 von der Funkeinheit 32 des Überwachungsmoduls 20 an die weitere Funkeinheit 34 per Funk übermittelt. Auch die Funkeinheit 32 wird mit elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit 26 betrieben. Die weitere Funkeinheit 34 ist typischerweise über Kabel an eine Energieversorgung und eine Analyseeinheit, beispielsweise einen PC, angeschlossen. In der Analyseeinheit können die Betriebsdaten in einem Schritt 214 weiter analysiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebsdaten und/oder aus den Betriebsdaten abgeleitete Informationen von der Analyseeinheit über eine Funkstrecke weiter übertragen werden, beispielsweise an einen von dem Speichergehäuse 12 entfernt angeordneten (ggf. weiteren) PC.
Bei der Analyse der Betriebsdaten kann insbesondere ein Funktionstüchtigkeitskennwert des Kolbenspeichersystems 10 bestimmt werden. Der Funktionstüchtigkeitskennwert kann angeben, wie groß die Leistungsfähigkeit des Kolbenspeichersystems 10 im Vergleich zu einem neuwertigen Kolbenspeichersystem 10 ist.
Ferner kann ermittelt werden, ob eine Leckage über die Dichtungsanordnung 50 des Kolbens stattgefunden hat. Es können insbesondere ein Leckagevolumen und/oder eine Leckagerate (Volumenstrom) bestimmt werden. Sofern eine Leckage aufgetreten ist, wird vorzugsweise auch bestimmt, ob Gas aus dem Gasraum 16 in den Flüssigkeitsraum 18 gelangt ist oder ob umgekehrt Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsraum 18 in den Gasraum 16 gelangt ist. Besonders bevorzugt kann auch erkannt werden, ob eine Leckage in beiden Richtungen stattgefunden hat.
Weiterhin kann ein Schmierungszustand des Kolbens 14 abgeschätzt werden. Hierzu kann ein Bewegungsprofil des Kolbens 14 ausgewertet werden. Insbesondere kann festgestellt werden, dass ein Mangelschmierungszustand vorliegt, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Bewegungen des Kolbens 14 einen Mindestverfahrweg nicht erreicht hat.
Die vorgenannten Analysen können alternativ bereits in der Auswerteeinheit der Sensoranordnung 28 durchgeführt werden. Die Betriebsdaten enthalten dann die entsprechenden Analyseergebnisse.
Falls erforderlich, kann in einem Schritt 216 der Kolben 14 aktiv beeinflusst werden. Ein Beeinflussungsauftrag kann von der weiteren Funkeinheit 34 an die Funkeinheit 32 des Überwachungsmoduls 20 übermittelt werden. Die weitere Funkeinheit 34 kann hierzu auch zum Aussenden von Funksignalen und die Funkeinheit 32 kann auch zum Empfangen von Funksignalen ausgebildet sein. Zur Beeinflussung des Kolbens 14 wird von der Energieerzeugungseinheit 24 erzeugte elektrische Energie verwendet, typischerweise wobei diese in der Energiespeichereinheit 26 zwischengespeichert wurde. Die aktive Beeinflussung kann beispielsweise darauf abzielen, einen Schmierungszustand der Dichtungsanordnung 50 des Kolbens 14 zu erhöhen. Hierzu kann ein Ventil geöffnet werden oder ein aktives Material am Kolben 14 elektrisch deformiert werden, sodass Öl aus dem Flüssigkeitsraum 18 in den Bereich dynamischer Dichtabschnitte 54a, 54b, 68a, 68b bzw. 80 bzw. 96, 98, vergleiche Figuren 3, 4 oder 5, gelangt. In einem abschließenden Schritt 218 kann das Überwachungsmodul 20 wieder in den Ruhemodus geschaltet werden. In dem Ruhemodus sind die meisten Sensoren der Sensoranordnung inaktiv. Insbesondere ein Beschleunigungssensor kann auch im Ruhemodus aktiv bleiben, um ein automatisches Umschalten 202 in den Überwachungsmodus zu ermöglichen. Durch das Umschalten 218 in den Ruhemodus kann erreicht werden, dass bei einem erneuten Verfahrensdurchlauf bereits unmittelbar nach dem Einschalten des Überwachungsmodus in einem erneuten Schritt 202 genügend elektrische Energie in der Energiespeichereinheit 26 gespeichert ist, um die Sensoranordnung 28 zum Ermitteln von Betriebsdaten betreiben zu können.
Die Schritte 204 bis 216 können ohne zeitlichen Überlapp aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Typischerweise werden die Schritte 204 bis 216 jedoch zumindest teilweise zeitlich überlappend (gleichzeitig) durchgeführt. Insbesondere können zu einem bestimmten Zeitpunkt die Schritte 204 bis 214 und ggf. auch Schritt 216 allesamt zugleich stattfinden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Kolbenspeichersystem (10) mit einem Speichergehäuse (12) und einem fliegenden Kolben (14), der einen Gasraum (16) und einen Flüssigkeitsraum (18) in dem Speichergehäuse (12) voneinander trennt, wobei ein Überwachungsmodul (20) an dem Kolben (14) angeordnet ist, welches eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) zum Erzeugen elektrischer Energie, eine Energiespeichereinheit (26) zum Speichern der elektrischen Energie, eine Sensoranordnung (28) zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) und eine Funkeinheit (32) zum Übermitteln der Betriebsdaten aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungsmodul (20) zum Anordnen an einem Kolben (14) eines Kolbenspeichersystems (10) aufweisend eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) mit einem Gehäuseteil (104) und einem relativ zu dem Gehäuseteil (104) entlang einer Längsachse (15) beweglichen Bewegungsteil (106), wobei die Energiegewinnungseinheit (24) dazu eingerichtet ist, aus einer Bewegung des Bewegungsteils (106) relativ zu dem Gehäuseteil (104) elektrische Energie zu erzeugen, eine Energiespeichereinheit (26), eine Sensoranordnung (28) und eine Funkeinheit (32). Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Kolbenspeichersystems (10) mit einem fliegenden Kolben (14), mit den Schritten a) Antreiben (204) einer Energiegewinnungseinheit (24) mittels des Kolbens (14) und Erzeugen elektrischer Energie, b) Betreiben (208) einer an dem Kolben (14) angeordneten Sensoranordnung (28) mit der elektrischen Energie und Ermitteln (210) von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) mittels der Sensoranordnung (28), c) Drahtloses Übermitteln (212) der Betriebsdaten.
Bezuqszeichenliste
Kolbenspeichersystem 10 Speichergehäuse 12 Kolben 14 Längsachse 15 Gasraum 16 Flüssigkeitsraum 18 Überwachungsmodul 20 Mulde 22
Energiegewinnungseinheit 24 Energiespeichereinheit 26 Sensoranordnung 28 Stirnseite 30 Funkeinheit 32 weitere Funkeinheit 34 Durchführung 36 Zylinderwand 38 Aufnahmenuten 40 Verbindungskanal 42 Umfangsnut 43 Anschlusskanal 44 Führungsnuten 46
Dichtungseinrichtung 48 Dichtungsanordnung 50 erstes Dichtelement 52 erster, zweiter dynamischer Dichtabschnitt 54a, 54b
Vorspannelemente 56
Fortsatz 58
Haltenut 60
Nutgrund 62
Druckkanal 64 zweites Dichtelement 66 weitere dynamische Dichtabschnitte 68a, 68b statische Dichtabschnitte 70a, 70b
Dichtungseinrichtung 72 erstes Dichtelement 74 zweite Dichtelemente 76 Haltenuten 78 dynamischer Dichtabschnitt 80 statische Dichtabschnitte 82 weitere dynamische Dichtabschnitte 84 Druckkanal 86
Dichtungseinrichtung 88 erstes Dichtelement 90 zweites Dichtelement 92 Haltenut 94 erster dynamischer Dichtabschnitt 96 zweiter dynamischer Dichtabschnitt 98 weitere dynamische Dichtabschnitte 100 Druckkanal 102 Führungsbänder 103 Gehäuseteil 104 Bewegungsteil 106 ringförmige Elemente 108a,108b Gehäusedeckel 110 Spule 112 Magnete 114 Felge 116
Stützmagnete 118a,118b Kolbenboden 119 Speichen 120 Hülsenabschnitt 122 Führungsstange 124 Fortsätze 126 Nuten 128 Kondensatoren 130
Überwachungsmodus aktivieren 202 Antreiben 204 der Energiegewinnungseinheit 24 Zwischenspeichern 206 Betreiben 208 der Sensoranordnung 28 Ermitteln 210 von Betriebsdaten Übermitteln 212 der Betriebsdaten Analysieren 214 der Betriebsdaten Beeinflussen 216 des Kolbens 14 Ruhemodus aktivieren 218

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenspeichersystem (10) mit einem Speichergehäuse (12) und einem fliegenden Kolben (14), der einen Gasraum (16) und einen Flüssigkeitsraum (18) in dem Speichergehäuse (12) voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsmodul (20) an dem Kolben (14) angeordnet ist, welches Folgendes aufweist:
- eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) zum Erzeugen elektrischer Energie,
- eine Energiespeichereinheit (26) zum Speichern der elektrischen Energie,
- eine Sensoranordnung (28) zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) und
- eine Funkeinheit (32) zum Übermitteln der Betriebsdaten.
2. Kolbenspeichersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (28)
- einen Gasdrucksensor zur Messung eines Gasdrucks im Gasraum (16) und/oder
- einen Flüssigkeitsdrucksensor zur Messung eines Flüssigkeitsdrucks im Flüssigkeitsraum (18) und/oder
- einen Temperatursensor, insbesondere zur Messung einer Temperatur im Gasraum (16) und/oder
- einen Beschleunigungssensor und/oder
- einen Distanzsensor, insbesondere zur Messung eines Abstands des Kolbens (14) von einer Wandung, vorzugsweise einer den Gasraum (16) begrenzenden Stirnseite (30), des Speichergehäuses (12) und/oder
- einen Impedanzsensor zur Messung einer Impedanz in dem Gasraum (16) aufweist.
3. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) eine Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) mit einem ersten und einem zweiten dynamischen Dichtabschnitt (54a, 54b; 80; 96, 98) aufweist, und dass das Sensorsystem (28) einen Innerdichtungsdrucksensor zur Messung eines Innerdichtungsdrucks zwischen dem ersten und dem zweiten dynamischen Dichtabschnitt (54a, 54b; 80; 96, 98) aufweist.
4. Kolbenspeichersystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) ein erstes Dichtelement (52; 74; 90) mit einer Haltenut (60; 78; 94) aufweist, in der ein zweites Dichtelement (66; 76; 92) angeordnet ist, wobei sich wenigstens ein Druckkanal (64; 86; 102) durch das erste Dichtelement (52; 74; 90) hindurch erstreckt.
5. Kolbenspeichersystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckkanal (64) von der Haltenut (60), insbesondere einem Nutgrund (62) der Haltenut (60), ausgehend durch das erste Dichtelement (52) hindurch erstreckt.
6. Kolbenspeichersystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (72) zwei Haltenuten (78) aufweist, in denen jeweils ein zweites Dichtelement (76) angeordnet ist, und dass sich der Druckkanal (86) zwischen den beiden Haltenuten (78) erstreckt.
7. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtelement (52; 74; 90) einen Fortsatz (58) aufweist, durch welchen der Druckkanal (64; 86; 102) verläuft, und dass das erste Dichtelement (52; 74; 90) beidseits des Fortsatzes (58) über jeweils ein Vorspannelement (56) der Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) vorgespannt ist.
8. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) eine zweistufige Dichtungsanordnung mit einer flüssigkeitsseitigen Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) und einer gasseitigen Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) aufweist, und dass das Sensorsystem (28) einen Zwischendichtungsdrucksensor zur Messung eines
Zwischendichtungsdrucks zwischen der flüssigkeitsseitigen und der gasseitigen Dichtungseinrichtung (48; 72; 88) aufweist.
9. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Speichergehäuse (12), insbesondere an einer den Gasraum (16) begrenzenden Stirnseite (30) des Speichergehäuses (12), eine weitere Funkeinheit (34) angeordnet ist.
10. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) eine gasraumseitige Mulde (22) aufweist, und dass zumindest die Energiegewinnungseinheit (24), die Energiespeichereinheit (26) und die Funkeinheit (32) des Überwachungsmoduls (20) in der Mulde (22) angeordnet sind.
11. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (26) einen Akkumulator und/oder einen Kondensator (130) aufweist.
12. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend einen Aktor zur Beeinflussung des Kolbens (14).
13. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (20) weiterhin einen Spannungswandler, vorzugsweise einen Gleichspannungswandler, aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Ausgangsspannung der Energiegewinnungseinheit (24) auf eine maximale Eingangsspannung der Energiespeichereinheit (26) zu erhöhen.
14. Kolbenspeichersystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (20) lösbar an dem Kolben (14) befestigt ist, vorzugsweise magnetisch an dem Kolben (14) gehalten ist.
15. Überwachungsmodul (20) zum Anordnen an einem Kolben (14) eines Kolbenspeichersystems (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:
- eine mittels des Kolbens (14) antreibbare Energiegewinnungseinheit (24) mit einem, vorzugsweise ringförmigen, Gehäuseteil (104) und einem relativ zu dem Gehäuseteil (104) entlang einer Längsachse (15) beweglichen Bewegungsteil (106), wobei die Energiegewinnungseinheit (24) dazu eingerichtet ist, aus einer Bewegung des Bewegungsteils (106) relativ zu dem Gehäuseteil (104) elektrische Energie zu erzeugen,
- eine Energiespeichereinheit (26) zum Speichern der elektrischen Energie,
- eine Sensoranordnung (28) zum Ermitteln von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) und
- eine Funkeinheit (32), insbesondere mit einem Bluetooth-Modul, zum Übermitteln der Betriebsdaten.
16. Überwachungsmodul (20) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegewinnungseinheit (24) wenigstens einen an dem Bewegungsteil (106) angeordneten Magneten (114) und wenigstens eine an dem Gehäuseteil (104) angeordnete Spule (112) aufweist, vorzugsweise jeweils mehrere symmetrisch zu der Längsachse (15) angeordnete Magnete (114) und Spulen (112) aufweist.
17. Überwachungsmodul (20) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (106) aus einer Neutralstellung heraus in beide Richtungen entlang der Längsachse (15) gegen die Wirkung einer Federeinrichtung relativ zum dem Gehäuseteil (104) bewegbar ist.
18. Überwachungsmodul (20) nach Anspruch 16 und Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuseteil (104) wenigstens ein erster Stützmagnet (118a) und wenigstens ein zweiter Stützmagnet (118b) der Federeinrichtung angeordnet sind, zwischen denen der wenigstens eine Magnet (114) der Energiegewinnungseinheit (24) angeordnet ist.
19. Überwachungsmodul (20) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung wenigstens ein Federelement, vorzugsweise zwei gegeneinander wirkende Federelemente, insbesondere in Form einer Schraubenfeder, aufweist.
20. Überwachungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (106) Fortsätze (126) aufweist, die in Nuten (128) des Gehäuseteils (104) geführt sind.
21. Überwachungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (104) eine Führungsstange (124) aufweist, an der das Bewegungsteil (106) mit einem Hülsenabschnitt (122) geführt ist, vorzugsweise wobei die Führungsstange (124) an einem Gehäusedeckel (110) des Gehäuseteils (104) angeordnet ist.
22. Überwachungsmodul (20) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenabschnitt (122) über Speichen (120) mit einer Felge (116) des Bewegungsteils (106) verbunden ist.
23. Überwachungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusedeckel (110) des Gehäuseteils (104) aufgedruckte Leiterbahnen aufweist, und dass wenigstens ein Sensor der Sensoranordnung (28) an dem Gehäusedeckel (110) angeordnet ist, vorzugsweise alle Sensoren der Sensoranordnung (28) an dem Gehäusedeckel (110) angeordnet sind.
24. Uberwachungsmodul (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (104) und das Bewegungsteil (106) drehsymmetrisch bezüglich der Längsachse (15) ausgebildet sind.
25. Verfahren zum Überwachen eines Kolbenspeichersystems (10) mit einem Speichergehäuse (12) und einem fliegenden Kolben (14), der einen Gasraum (16) und einen Flüssigkeitsraum (18) in dem Speichergehäuse (12) voneinander trennt, mit den Schritten a) Antreiben (204) einer Energiegewinnungseinheit (24) mittels des Kolbens (14) und Erzeugen elektrischer Energie, b) Betreiben (208) einer an dem Kolben (14) angeordneten Sensoranordnung (28) mit der elektrischen Energie und Ermitteln (210) von Betriebsdaten des Kolbenspeichersystems (10) mittels der Sensoranordnung (28), c) Drahtloses Übermitteln (212) der Betriebsdaten.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zwischen den Schritten a) und b) zwischengespeichert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Betriebsdaten ein Funktionstüchtigkeitskennwert des Kolbenspeichersystems (10) bestimmt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Betriebsdaten eine Leckage über eine Dichtungsanordnung (50) des Kolbens (14) bestimmt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsmodul (20) des Kolbenspeichersystems (10), welches die Energiegewinnungseinheit (24), die Sensoranordnung (28) und eine Funkeinheit (32) zum Übermitteln der Betriebsdaten aufweist, aus einem Ruhemodus in einen Überwachungsmodus geschaltet wird, wenn ein vordefiniertes Aufwachereignis stattfindet.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Bewegungsprofil des Kolbens (14) auf einen Schmierungszustand des Kolbens (14) geschlossen wird, insbesondere wobei bei Überschreiten einer vorbestimmten Anzahl von Bewegungen des
Kolbens (14), die einen Mindestverfahrweg des Kolbens (14) nicht erreichen, ein Mangelschmierungszustand erkannt wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) gewonnene elektrische Energie zur aktiven
Beeinflussung des Kolbens (14), insbesondere zum Erhöhen der Schmierung einer Dichtungsanordnung (50) des Kolbens (14), verwendet wird.
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