WO2022187879A1 - Vorrichtung und verfahren zur geregelten bereitstellung von hochdruckfluid - Google Patents

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Franz Trieb
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    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for the regulated provision of high-pressure fluid by means of a pressure generator formed with a fluid supply and a fluid supply in the high-pressure cylinder and in this movable high-pressure plunger with a drive of the same and a supply of high-pressure fluid in a high-pressure line, optionally with a pulsation damper in this, with a pressure sensor for a control of the drive and, if necessary, a switchable pressure relief valve.
  • the invention also relates to a method for providing high-pressure fluid for consumers, for example water jet cutting systems with controllable parameters when using pressure generators with high-pressure cylinders and high-pressure plungers according to the above device.
  • pressure fluctuations that can result from pressure intensifiers must be minimized for procedural reasons, but also for material reasons, of system components, because these pressure fluctuations cause alternating mechanical loads on parts of the device and can lead to material fatigue or fatigue fractures.
  • EP 3012075 B1 discloses a method for operating a system for water jet cutting with a high-pressure pump that has several plungers and is connected to a water tank, with the plungers of the high-pressure pump being moved via a crankshaft, stopped by a drive using a servomotor and put back into operation be taken. Bearing play on the crankshaft and also on the plunger piston joints and the inertial forces during acceleration and deceleration in the course of controlling the drive can have a disadvantageous effect.
  • the known devices that can be assigned to the prior art can have disadvantages in terms of a complicated design, noticeable wear, complicated controllability with the speed possibly being too low, and improved economics.
  • the pressure generator or several cooperating pressure generators each have an electric linear motor with a stator and forcer for driving the high-pressure plunger in the high-pressure cylinder and the electric linear motor(s) with an electric control unit which has an electric Includes power supply, a servo converter for electric linear motors, a programmable computing unit and measured value feeds connected (are).
  • the possibly cooperating pressure generators each have an electric linear motor with stator and forcer, whereby the designations “stator and forcer” do not describe an embodiment of a force introduction, but describe a definition of the motor parts that can be moved relative to one another in the device.
  • a power flow takes place directly in the direction of movement of the high-pressure plunger without a usual path with a conversion of rotational energy into translational energy, as a result of which the inertia forces are minimized during acceleration or deceleration of the transmission parts
  • electric linear motors For a direct translational working movement, electric linear motors have a simple design and direct, precise controllability using an electric control unit.
  • An electrical control unit which includes an electrical energy supply, a servo converter for one or more electrical linear motors, which can also be positioned in cooperating pressure generators, a programmable computing unit and measured value feeds, can precisely regulate the respective movement of the individual electrical linear motors with the high-pressure plungers in a timely manner .
  • the forcer of the linear motor and thus the high-pressure plunger can be moved at increased speed into any filling position in the high-pressure cylinder by means of the electrical control unit and can be positioned in this way for a programmable or controllable high-pressure stroke.
  • the device for the regulated provision of high-pressure fluid can be formed with two or more than two pressure generators, which are connected to a common high-pressure line. Connecting the electric linear motors to an electric control unit enables the pressure generators to be combined functionally with regard to a reduction in pressure fluctuations in the high-pressure line or the need for a pulsation damper.
  • the pressure generators are formed with two high-pressure cylinders with high-pressure plungers located opposite one another at a distance in the axial direction, and an electric linear motor connected to an electric control unit is positioned between these high-pressure cylinders.
  • the forcer or the moving part of the linear motor has fastening means or power connections for the high-pressure plunger.
  • a filling with a fluid from a high-pressure cylinder and a pressure feed of high-pressure fluid into a high-pressure line from the opposite high-pressure cylinder with an intermediate controllable electric linear motor can take place at the same time.
  • Pressure generators with two or more coupled electric linear motors can be driven in a regulated manner with an electric control unit, with a parallel or serial arrangement of the forcers of linear motors in the pressure system on the high-pressure plunger being usable to increase the translatory forces.
  • the present invention also relates to a method for providing high-pressure fluid with controllable parameters for consumers of the type mentioned initially, for example for water jet cutting systems.
  • the control unit includes an energy supply, a servo converter for the electric linear motor(s), a programmable computing unit with measured value inputs of at least high fluid pressure and plunger position in the high-pressure cylinder(s) and regulates the servo converter.
  • the power flow in the high-pressure plunger is thus achieved in a favorable manner without converting rotational energy into linear energy, with a simple, robust, compact design of the transmission means, high accuracy due to increased detection of the current position of the parts, improved precision of the movement control at high speed and however also Force impacts of the stator in an anchoring of the same at a high acceleration of the forcer that are given in fractions of milliseconds.
  • the high-pressure plunger transmits a signal to the control unit when a definable penetration depth into the high-pressure cylinder is reached, and the servo converter is regulated in such a way that the forcer of the linear motor moves the high-pressure plunger at increased speed into a changed position, in particular to the home position for a maximum compression stroke.
  • a control unit with a servo converter synchronizes the linear motor movements of the individual devices and regulates them according to an actual pressure determination in the high-pressure line and the set specifications.
  • Fig. 1 high-pressure pump with a pressure generator and electric linear motor drive
  • Fig. 1 A high-pressure curve pump like.
  • Fig. 1 Fig. 2 High-pressure pump with phased pressure generator
  • Fig. 2A High-pressure curve Pump like.
  • Fig. 2 Fig. 3 High-pressure pump with two oppositely positioned pressure generators in the axial direction with an electric linear motor drive
  • FIG. 3A High-pressure curve pump like.
  • Fig. 3 Fig. 4 high-pressure pump with synchronized pressure generators
  • Fig. 5 high-pressure pump with coupled linear motor drive
  • Fig. 6 high-pressure pump with longitudinally coupled linear motor drive
  • Fig. 7 high-pressure pump with two-stage pressure increase
  • 1 shows a high-pressure pump with a fluid inlet 1, a pressure generator D, an electric linear motor L and a high-pressure connection 22.
  • shut-off valve for the fluid 2; Pressure reducing agent (if required): 3; Booster pump: 4 for rapid filling of the high-pressure cylinder: 15 of the pressure generator: D; Filter unit for cleaning the fluid: 5; Check suction valve: 13.
  • the high-pressure pumps according to the invention can be used in a favorable manner for all fluid media.
  • a pressure generator D with a high-pressure cylinder 15 and a high-pressure plunger 17 that can be pushed into this is fixed on a base plate 6 via a connecting flange 16 .
  • the high-pressure plunger 17 is moved via a plunger attachment 18 directly in the axial direction thereof by a forcer 10 of an electric linear motor L, with a stator 9 being connected to the base plate 6 .
  • the terms forcer and stator mean the moving part and the stationary part, regardless of the structure of the parts! It is also possible for the stator to be designed as a moving part and for the forcer to be stationary.
  • the electric linear motor L is connected to an electric control unit 12, which includes at least one electric power supply, a servo converter for the electric linear motor L, a programmable computing unit and measured value feeds.
  • An electrical control unit 12 regulates the direction of movement of the forcer and a direct force effect on the high-pressure plunger 17 in a high-pressure cylinder 15 of a pressure generator D, with a non-return suction valve 13 being provided in the fluid inlet and a further non-return valve 14 for conveying high-pressure fluid.
  • a pressure sensor 21 transmits measured values for a respective fluid pressure in the high-pressure range to the control unit 12, which measured values can contribute to the regulation of the linear motor movement.
  • a pressure relief valve 23 with a drainage connection 24 can be provided in the line 20 for the high-pressure fluid.
  • FIG. 1A a diagram of a course of pressure [p] in the high-pressure line 22 of a device according to Fig. 1 as a function of time [t] is shown schematically in a diagram.
  • the high-pressure plunger 17 is moved into the high-pressure cylinder by a movement of the forcer 10 of the electric linear motor L, controlled by the control unit 12 15 is pressed, with the fluid pressure [p] in the high-pressure line 20 rising to a specified pressure pi in the area a.
  • the high-pressure plunger 17 is returned by the forcer 10 of the electric linear motor L, which return stroke can be done at increased speed or in a shorter time, controlled by the electric control unit 12 .
  • the pressure valve 14 closes and the fluid pressure in the pump system would fall to ambient pressure as a result of a withdrawal in area g of the illustration according to FIG. 1A.
  • a pulsation damper 20 in the high-pressure line By means of a pulsation damper 20 in the high-pressure line, however, high-pressure fluid is subsequently supplied to the system, so that a pressure drop p2 in area d is delayed.
  • FIG. 2 shows a high-pressure pump with a pressure generator D that is phased or operated in phase.
  • the individual pressure generators D, D', D" are each constructed in the same way as that shown in FIG. 1, but the associated electric linear motors L, L', L" are connected to a control unit 12 which controls the movement of the high-pressure plungers 17, 17', 17''. In this way, fluid delivery into the high-pressure line 20 is balanced and pressure fluctuation therein is minimized, as illustrated in FIG. 2A.
  • FIG. 3 schematically shows a high-pressure pump with two pressure generators D and D′, opposite one another in the axial direction, with an electric linear motor in between.
  • the forcer 10 of an electric linear motor L is connected to the opposing high-pressure plungers 17, 17' of the two high-pressure cylinders 15, 15' of the pressure generator D, D' by means of plunger attachments 18, 18' to form a highly advantageous, compact, backlash-free, lightweight unit tied together.
  • FIG. 3A A representation of the pressure [p] over time [t] in an aforementioned high-pressure pump in operation is shown in FIG. 3A.
  • the two high-pressure cylinders 15, 15′′ which deliver alternatively and are filled with fluid, cause a largely stable delivery pressure pi in the high-pressure fluid with small pressure drops p 2 , caused by a switchover of the two pressure generators D, D′′.
  • a high-pressure pump with synchronized pressure generators can be seen schematically in FIG.
  • Such a fluid delivery device which has minimal pressure fluctuations in the area of the high-pressure connection 22, is formed with four synchronized pressure generators D, D", D", D"' or with two devices with pressure generators located opposite one another in the axial direction.
  • FIG 5 shows a high-pressure pump with two pressure generators D, D' opposite each other in the axial direction, with an arrangement of electric linear motors L parallel to the axis being provided to increase the translational forces between the hydraulic pressure generators D, D'.
  • Fig. 6 shows schematically a serial arrangement of electric linear motors L
  • L' between the hydraulic pressure generators D, D'. 7 shows a high-pressure pump with a double pressure increase by two pumps driven by electric linear motors L, L'.
  • the first pressure increase of the fluid from an inlet pressure 1 in a high-pressure area takes place by means of a first linear motor pump system.
  • a further increase in the pressure of the high-pressure fluid from this high-pressure area is effected by means of a second electric linear motor pump system.
  • the control unit 12 regulates and coordinates the two electric linear motors L, L' of the two pumps.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid. Um die Nachteile im Stand der Technik hinsichtlich einer komplizierten Bauart, eines bemerkenswerten Verschleißes, einer aufwändigen Regelbarkeit mit geringer Geschwindigkeit zu minimieren und einen wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Druckerzeuger (D) jeweils einen elektrischen Linearmotor (L) mit Stator (9) und Forcer (10) für einen Antrieb des Hochdruckplungers (17) im Hochdruckzylinder (15) aufweist und der/die elektrischen Linearmotor(en) (L, L') mit einer elektrischen Steuerungseinheit (12) verbunden ist (sind).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid mittels Druckerzeugers gebildet mit einer Fluidversorgung und einem Fluidzulauf im Hochdruckzylinder und in diesem bewegbaren Hochdruckplunger mit einem Antrieb derselben und einer Zuführung von Hochdruckfluid in eine Hochdruckleitung, gegebenenfalls mit Pulsationsdämpfer in dieser, mit Druckaufnehmer für eine Steuerung des Antriebes und gegebenenfalls einem schaltbaren Druckentlastungsventil.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid für Verbraucher, beispielsweise Wasserstrahl-Schneidanlagen mit regelbaren Parametern bei Verwendung von Druckerzeugern mit Hochdruckzylinder und Hochdruckplunger gemäß obiger Vorrichtung.
Vorrichtungen zur Herstellung von Hochdruckfluid unterschiedlicher Art bekommen in der Verfahrenstechnik in zunehmendem Maße einen erhöhten Stellenwert, wobei diese Vorrichtungen Forderungen nach höchster Präzision bei gleichzeitig steigender Geschwindigkeit der Regelungen genügen müssen.
Insbesondere bei hohen Fluiddrücken sind Druckschwankungen, die von Druckübersetzern herrühren können, aus verfahrenstechnischen Gründen, aber auch aus werkstofftechnischen Gründen, von Anlagenkomponenten zu minimieren, weil diese Druckschwankungen eine wechselnde mechanische Belastung von Teilen der Vorrichtung begründen und zu Materialermüdungen bzw. Dauerbrüchen führen können.
Bei einem Hydraulikantrieb zur Bereitstellung von Hochdruckfluid wurde nach EP 2 610490 B1 vorgeschlagen, die Menge und/oder den Druck desselben bei Verwendung eines zwei Plunger aufweisenden Druckübersetzers sowie eines Schaltblocks mit einer Pumpe angetrieben von einem steuerbaren Servomotor zu regeln. Um einen Druckabfall im Hochdruckfluid während der Umschaltung eines Druckübersetzers für Anlagen zum Wasserstrahlschneiden mit zwei Plunger gering zu halten, wurde gemäß EP 3012453 A2 angeregt, dass der Servoantrieb für eine Hydraulikpumpe bidirektional, also mit einem reversiblen Motor gebildet ist und derart eine direkte Beaufschlagung eines hydraulischen Druckübersetzers erfolgt.
Aus der EP 3012075 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zum Wasserstrahlschneiden mit einer mehrere Tauchkolben aufweisenden, an einem Wasserbehälter angeschlossenen Hochdruckpumpe bekannt geworden, wobei die Tauchkolben der Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle bewegt wird, von einem Antrieb mittels eines Servomotors stillgesetzt und wieder in Betrieb genommen werden. Ein Lagerspiel an der Kurbelwelle und auch der Tauchkolbengelenke sowie die Massenkräfte bei einem Beschleunigen und Verzögern im Zuge einer Regelung des Antriebes kann nachteilig wirksam sein.
Die bekannten dem Stand der Technik zuzuordnenden Vorrichtungen können Nachteile hinsichtlich einer komplizierten Bauart, eines bemerkenswerten Verschleißes, einer aufwändigen Regelbarkeit mit gegebenenfalls zu geringer Geschwindigkeit und einer verbesserbaren Wirtschaftlichkeit aufweisen.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine neue Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckerzeuger oder mehrere kooperierende Druckerzeuger jeweils einen elektrischen Linearmotor mit Stator und Forcer für einen Antrieb des Hochdruckplunger im Hochdruckzylinder aufweist und der/die elektrische(n) Linearmotor(en) mit einer elektrischen Steuerungseinheit, welche eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für elektrische Linearmotoren, eine programmierbare Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst, verbunden ist (sind). Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer einfachen Bauart, einem wirtschaftlichen Betrieb, einer umfassenden Regelbarkeit und einer hohen Regelgeschwindigkeit der Vorrichtung.
Die gegebenenfalls kooperierenden Druckerzeuger weisen jeweils einen elektrischen Linearmotor mit Stator und Forcer auf, wobei die Bezeichnungen „Stator und Forcer“ nicht eine Ausführungsform einer Krafteinleitung darlegen, sondern eine Festlegung der relativ zueinander bewegbaren Motorteile in der Vorrichtung beschreibt.
Für einen Druckerzeuger mit einem Flochdruckzylinder und in diesen bewegbar ein Flochdruckplunger hat eine axgleiche Anordnung eines elektrischen Linearmotors wesentliche funktionstechnische Vorteile.
Ein Kraftfluss erfolgt direkt in Bewegungsrichtung des Hochdruckplungers ohne einen üblichen Weg mit einer Umwandlung von Rotationsenergie in translatorische Energie, wodurch die Massenkräfte bei Beschleunigung oder Verzögerungen der Übertragungsteile minimiert sind
Bei einer gesicherten Bereitstellung von Hochdruckfluid im Hochdruckzylinder stellt für alle Betriebsarten und Förderungen des Fluids ein Antrieb des Hochdruckplungers mittels eines elektrischen Linearmotors eine hochwirtschaftliche Lösung dar.
Elektrische Linearmotoren weisen für eine direkte translatorische Arbeitsbewegung eine einfache Bauart und eine unmittelbare genaue Regelbarkeit unter Verwendung einer elektrischen Steuerungseinheit auf.
Eine elektrische Steuerungseinheit, welche eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für einen oder mehrere elektrische Linearmotore, welche auch in kooperierenden Druckerzeugern positioniert sein können, eine programmierbare Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst, kann in zeitlicher Abstimmung die jeweilige Bewegung der einzelnen elektrischen Linearmotore mit den Hochdruckplungern präzise regeln. In einer Ausführungsform der Erfindung ist bei gesichertem Fluidzulauf in den Hochdruckzylinder der Forcer des Linearmotors und damit der Hochdruckplunger mit erhöhter Geschwindigkeit in jede Füllposition im Hochdruckzylinder mittels der elektrischen Steuerungseinheit bewegbar und derart für einen programmierbaren oder regelbaren Hochdruckhub positionierbar.
Nach der vorgenannten Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid mit zwei oder mehr als zwei Druckerzeugern gebildet sein, welche mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung in Verbindung stehen. Ein Anschluss der elektrischen Linearmotoren an eine elektrische Steuerungseinheit ermöglicht eine funktionstechnische Kombinierbarkeit der Druckerzeuger im Hinblick auf eine Reduzierung von Druckschwankungen in der Hochdruckleitung beziehungsweise ein Erfordernis eines Pulsationsdämpfers.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckerzeuger mit zwei in Axrichtung distanziert gegengleich gegenüberliegenden Hochdruckzylindern mit Hochdruckplunger gebildet und zwischen diesen Hochdruckzylindern ist ein mit einer elektrischen Steuerungseinheit verbundener elektrischer Linearmotor positioniert.
Der Forcer beziehungsweise der bewegte Teil des Linearmotors weist Befestigungsmittel beziehungsweise Kraftanschlüsse für die Hochdruckplunger auf.
Mit Vorteil kann derart bei den Bewegungen des Forcers des elektrischen Linearmotors jeweils gleichzeitig eine Füllung mit einem Fluid eines Hochdruckzylinder und eine Druckeinspeisung von Hochdruckfluid in eine Hochdruckleitung aus dem gegenüberliegenden Hochdruckzylinder mit einem zwischenliegenden steuerbaren elektrischen Linearmotor erfolgen.
Es kann auch für eine Bereitstellung von Hochdruckfluid mit geringen Druckschwankungen vorteilhaft sein, wenn zwei oder mehrere Anlagen mit einer Fluidhochdruckleitung in Verbindung stehen und die elektrischen Linearmotoren von einer elektrischen Steuerungseinheit phasenverschoben aktivierbar sind.
Zur Intensivierung der Krafteinwirkungen der Hochdruckplunger in den Hochdruckzylindern kann, beziehungsweise können mit Vorteil der oder die Druckerzeuger mit zwei oder mehreren gekoppelten elektrischen Linearmotoren mit einer elektrischen Steuerungseinheit geregelt antreibbar sein, wobei zur Erhöhung der translatorischen Kräfte eine parallele oder eine serielle Anordnung der Forcer von Linearmotoren im Drucksystem auf die Hochdruckplunger verwendbar ist.
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid mit regelbaren Parametern für Verbraucher der eingangs genannten Art, beispielsweise für Wasserstrahl-Schneidanlagen.
Auf Grund der allgemeinen Technologieentwicklung in der Verfahrenstechnik, insbesondere auch in oben genannten Anlagen, sind auch die Mängel der bisherigen Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid mit regelbaren Parametern für Verbraucher bei Verwendung von Druckerzeugern mit Hochdruckzylindern und in diesen bewegbaren Hochdruckplunger zu beseitigen, was das weitere Ziel der Erfindung darstellt.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der (die) Hochdruckplunger vom (von) elektrischen Linearmotor(en) bewegt wird (werden), wobei die Regelung der Verfahrensparameter durch eine elektrische Steuerungseinheit erfolgt. Die Steuereinheit umfasst eine Energieversorgung, einen Servoumrichter für den (die) elektrischen Linearmotor(en), eine programmierbare Recheneinheit mit Messwert- Eingaben von zumindest Fluidhochdruck und Plungerposition in dem (den) Hochdruckzylinder(n) und führt eine Regelung des Servoumrichters durch.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass durch den (die) elektrischen Linearmotor(en) ein Direktantrieb des (der) Hochdruckplunger erfolgt, also eine vorteilhafte direkte translatorische Bewegung von Hochdruckplunger und Forcer bzw. Antrieb erreicht wird.
Der Kraftfluss in den Hochdruckplunger wird also in günstigerWeise ohne eine Umwandlung von Rotationsenergie in lineare Energie erreicht, wobei auch eine einfache robuste kompakte Bauart der Übertragungsmittel, eine hohe Genauigkeit wegen gesteigerter Erkennung der aktuellen Lage der Teile, eine verbesserte Präzision der Bewegungsregelung mit hoher Geschwindigkeit und allerdings auch Kraftstößen des Stators in eine Verankerung desselben bei einer hohen Beschleunigung des Forcers die in Bruchteilen von Millisekunden gegeben sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Hochdruckplunger bei einem Erreichen einer festlegbaren Eindringtiefe in den Hochdruckzylinder ein Signal der Steuerungseinheit übermittelt und der Servoumrichter derart geregelt wird, dass der Forcer des Linearmotors den Hochdruckplunger mit erhöhter Geschwindigkeit in eine geänderte Position, insbesondere in die Ausgangsposition für einen maximalen Druckhub, verbringt.
Mittels obiger Ausführungsform des Verfahrens ist es mit Vorteil möglich, eine Füllzeit eines Hochdruckzylinders des Druckerzeugers zu verringern und dadurch bei Verwendung eines hochvolumigen Pulsationsdämpfers den Druckabfall im Hochdruckfluid zu begrenzen.
Bei einer Verwendung von zwei Druckerzeugern im System, die durch eine Steuerungseinheit gephast mit nach obigem Verfahren geregelten Linearmotoren betrieben werden, kann auf einen Pulsationsdämpfer in der Hochdruckleitung verzichtet werden, weil durch eine raschere Füllung des Hochdruckzylinders mit einer folgenden Druckbeaufschlagung durch den Hochdruckplunger der Druck im Hochdruckfluid auch bei Förderungswechsel der Druckerzeuger erhalten bleibt.
Um bei zwei oder mehr als zwei zusammenwirkenden Vorrichtungen, welche jeweils mit in Axrichtung distanziert gegengleich gegenüberliegende Hochdruckzylinder mit Hochdruckplunger gebildet sind und zwischenliegend Linearmotoren aufweisen, welche die Hochdruckplunger bewegen, ein mit geringsten Schwankungen behaftetes Hochdruckfluid bereitzustellen, ist in günstigerWeise vorgesehen, dass eine Steuerungseinheit mit einem Servoumrichter die Linearmotorbewegungen der einzelnen Vorrichtungen synchronisiert und entsprechend einer IST-Druckermittlung in der Hochdruckleitung und den eingestellten Vorgaben regelt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Prinzipskizzen und schematischen Darstellungen, die allenfalls nur einen Ausführungsweg aufzeigen, näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 Hochdruckpumpe mit einem Druckerzeuger und el. Linearmotorantrieb Fig. 1 A Hochdruckverlauf Pumpe gern. Fig. 1 Fig. 2 Hochdruckpumpe mit gephastem Druckerzeuger Fig. 2A Hochdruckverlauf Pumpe gern. Fig. 2 Fig. 3 Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüberliegenden Druckerzeugern mit el. Linearmotorantrieb
Fig. 3A Hochdruckverlauf Pumpe gern. Fig. 3 Fig. 4 Hochdruckpumpe mit synchronisierten Druckerzeugern Fig. 5 Hochdruckpumpe mit gekoppeltem Linearmotorantrieb Fig. 6 Hochdruckpumpe mit längs gekoppeltem Linearmotorantrieb Fig. 7 Hochdruckpumpe mit zweistufiger Druckerhöhung
Eine leichtere Zuordnung der Teile und Komponenten in den Darstellungen und Skizzen soll die nachfolgende Bezugszeichenliste ermöglichen:
D, D‘, D“, D“‘ Druckerzeuger L, L‘, L“ Elektrischer Linearmotor
Pi P2 Erzeugerdruck [p] Druck im Hochdruckfluid
[t] Zeit
1 Fluidzulauf
2 Absperrventil
3 Druckminderer
4 Vordruckpumpe
5 Filtereinheit
6 Grundplatte
7 Führungsschiene
8 Führungswagen
9 Stator
10 Forcer 11 Steuerleitung 12 Elektrische Steuerungseinheit 13 Säugventil 14 Druckventil
15 Hochdruckzylinder
16 Anschlussflansch
17 Hochdruckplunger 18 Plungerbefestigung
19 Verbindungsplatte
20 Pulsationsdämpfer
21 Druckaufnehmer
22 Hochdruckanschluss 23 Druckentlastungsventil
24 Drainageanschluss
Fig. 1 zeigt eine Hochdruckpumpe mit einem Fluidzulauf 1 , einem Druckerzeuger D, einem elektrischen Linearmotor L und einem Hochdruckanschluss 22.
Weil die in den Prinzipskizzen (Fig. 1 bis Fig. 7) dargestellten Hochdruckpumpen auch vorteilhaft als Hochdruckpumpen für Wasserstrahl-Schneidanlagen einsetzbar sind, wurde für die Fluidversorgung schematisch eine Wasserversorgung in üblicher Art eingezeichnet.
Es bedeuten: Absperrventil für das Fluid: 2; Druckminderungsmittel (wenn erforderlich): 3; Vordruckpumpe: 4 zur raschen Fülling des Hochdruckzylinders: 15 des Druckerzeugers: D; Filtereinheit zur Reinigung des Fluids: 5; Rückschlagsaugventil: 13.
Es wird jedoch ausdrücklich festgehalten, dass die erfindungsgemäßen Hochdruckpumpen für alle Fluid-Medien in günstiger Weise einsetzbar sind.
Nach Fig.1 ist auf einer Grundplatte 6 über einen Anschlussflansch 16 ein Druckerzeuger D mit einem Hochdruckzylinder 15 und einem in diesen einschiebbar ein Hochdruckplunger 17 festgelegt. Eine Bewegung des Hochdruckplungers 17 erfolgt über eine Plungerbefestigung 18 direkt in Axrichtung desselben durch einen Forcer 10 eines elektrischen Linearmotors L, wobei ein Stator 9 mit der Grundplatte 6 verbunden ist. Die Bezeichnungen Forcer und Stator bedeuten in der gegenständlichen Beschreibung eines elektrischen Linearmotors der bewegte Teil und der feststehende Teil unabhängig vom Aufbau der Teile! Es ist auch möglich, dass der Stator als beweglicher Teil ausgeführt wird und der Forcer feststehend ausgebildet ist.
Der elektrische Linearmotor L ist mit einer elektrischen Steuerungseinheit 12 verbunden, welche mindestens eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für den elektrischen Linearmotor L, eine programmierbare Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst.
Eine elektrische Steuerungseinheit 12 regelt eine Bewegungsrichtung des Forcers und eine unmittelbare Kraftwirkung auf den Hochdruckplunger 17 in einem Hochdruckzylinder 15 eines Druckerzeugers D, wobei prinzipiell ein Rückschlagsaugventil 13 im Fluidzulauf und ein weiteres Rückschlagventil 14 für eine Förderung von Hochdruckfluid vorgesehen sind.
Im Bereitstellungsbereich eines Anschlusses 22 von Hochdruckfluid sollen Druckschwankungen gering gehalten werden, was durch einen Pulsationsdämpfer 20 bewerkstelligt wird.
Ein Druckaufnehmer 21 übermittelt der Steuerungseinheit 12 Messwerte für einen jeweiligen Fluiddruck im Hochdruckbereich, welche Messwerte zur Regelung der Linearmotorbewegung beitragen können.
In der Leitung 20 des Hochdruckfluids kann, wie bekannt, ein Druckentlastungsventil 23 mit einem Drainageanschluss 24 vorgesehen sein.
In Fig. 1 A ist in einem Diagramm schematisch ein Verlauf von Druck [p] in der Hochdruckleitung 22 einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit [t] dargestellt.
Durch eine von der Steuerungseinheit 12 geregelte Bewegung des Forcers 10 des elektrischen Linearmotors L wird der Hochdruckplunger 17 in den Hochdruckzylinder 15 gedrückt, wobei in der Hochdruckleitung 20 der Fluiddruck [p] im Bereich a auf einen vorgesehenen Druck pi steigt.
Nach einer Förderphase von Fluid im Bereich ß erfolgt der Rückhub des Hochdruckplungers 17 durch den Forcer 10 des elektrischen Linearmotors L, welcher Rückhub gegebenenfalls mit erhöhter Geschwindigkeit beziehungsweise in verkürzter Zeit geregelt durch die elektrische Steuerungseinheit 12 erfolgen kann.
Das Druckventil 14 schließt und der Fluiddruck im Pumpensystem würde infolge einer Entnahme im Bereich g der Darstellung gemäß Fig. 1 A auf einen Umgebungsdruck fallen. Mittels eines Pulsationsdämpfers 20 in der Hochdruckleitung erfolgt jedoch eine Nachlieferung von Hochdruckfluid in das System, so dass ein Druckabfall p2im Bereich d verzögert ist.
Bei einem Erreichen des Hochdruckplungers 17 in der Ausgangsposition im Hochdruckzylinder 15 schließt sich unmittelbar eine neuerliche Druckphase des Forcers 10 an, wodurch der Druckabfall P2 im Fluid im Bereich d des Diagrammes abgefangen und der vorgegebene Förderdruck pi wieder eingeregelt wird.
In Fig. 2 ist eine Hochdruckpumpe mit gephastem, beziehungsweise in Phase betriebenem Druckerzeuger D dargestellt.
Die einzelnen Druckerzeuger D, D‘, D“ sind jeweils gleich aufgebaut wie jener, der in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch sind die zugehörigen elektrischen Linearmotoren L, L‘, L“ mit einer Steuerungseinheit 12 verbunden, welche in Abhängigkeit von der Zeit die Bewegung der Hochdruckplunger 17, 17‘, 17“ regelt. Derart ist eine Fluidförderung in die Hochdruckleitung 20 abgestimmt und eine Druckschwankung in dieser minimiert, wie in Fig. 2A dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüberliegend den Druckerzeuger D und D‘ mit einem zwischenliegenden elektrischen Linearmotor. Zwar ist eine derartige Positionierung von Druckerzeugern D, D‘ an sich bekannt, jedoch werden durch Anordnung eines zwischenliegenden elektrischen Linearmotors L mit einer Steuerungseinheit 12 anlagentechnisch und verfahrenstechnisch entscheidenden Vorteile erreicht, welche Probleme im Stand der Technik auch in wirtschaftlicher Hinsicht lösen.
Im Einzelnen ist der Forcer 10 eines elektrischen Linearmotors L mittels Plungerbefestigungen 18, 18‘ mit den jeweils gegenüber liegenden Hochdruckplungern 17, 17‘ der beiden Hochdruckzylinder 15, 15‘ der Druckerzeuger D,D‘ zu einer höchst vorteilhaften, kompakten, spielfreien, leichten Einheit verbunden.
Bei einer Entnahme von Hochdruckfluid aus einem Anschluss 22 erfolgt unmittelbar durch die elektrische Steuerungseinheit 12 eine Regelung der Funktion des elektrischen Linearmotors L. Eine Linearbewegung des Forcers 10, in welche Richtung auch immer, bewirkt jeweils eine Fluidförderung eines Druckerzeugers D und gleichzeitig im gegenüber liegenden Druckerzeuger D‘ eine Füllung des Hochdruckzylinders 17‘.
Eine Darstellung des Druckes [p] über die Zeit [t] bei einer vorgenannten Hochdruckpumpe im Betrieb zeigt Fig. 3A.
Die beiden alternativ fördernden und mit Fluid befüllten Hochdruckzylinder 15,15“ bewirken einen weitgehend stabilen Förderdruck p-i im Hochdruckfluid mit geringen Druckeinbrüchen p2, verursacht durch eine Umschaltung der beiden Druckerzeuger D, D“.
In Fig. 4 ist schematisch eine Hochdruckpumpe mit synchronisierten Druckerzeugern entnehmbar.
Eine derartige, geringste Druckschwankungen im Bereich des Hochdruckanschlusses 22 aufweisende Fluidfördereinrichtung ist mit vier synchronisiert arbeitenden Druckerzeugern D, D“, D“, D“‘ bzw. mit zwei Vorrichtungen mit in Axrichtung gegengleich gegenüber liegenden Druckerzeugern gebildet.
Bei einer derartigen Hochdruckpumpe, wie in Fig. 4 dargestellt ist, werden die elektrischen Linearmotoren L, L“ mittels der elektrischen Steuerungseinheit 12 derart synchron geregelt, dass jederzeit mindestens ein Druckerzeuger D Hochdruckfluid zu den von der elektrischen Steuerungseinheit 12 ermittelten Bedingungen fördert.
Im Folgenden wird eine Intensivierung der Druckkräfte auf die Hochdruckzylinder 17 vom Druckerzeuger D durch gekoppelte elektrische Linearmotoren anhand schematischer Darstellungen offenbart.
In Fig. 5 ist eine Hochdruckpumpe mit zwei in Axrichtung gegengleich gegenüber liegenden Druckerzeugern D, D‘ dargestellt, wobei zur Erhöhung der translatorischen Kräfte zwischen den hydraulischen Druckerzeugern D, D‘ eine zur Axe parallele Anordnung von elektrischen Linearmotoren L vorgesehen ist.
Fig. 6 zeigt schematisch eine serielle Anordnung von elektrischen Linearmotoren L,
L‘ zwischen den hydraulischen Druckerzeugern D, D‘. In Fig. 7 ist eine Hochdruckpumpe mit zweifacher Druckerhöhung durch zwei mit elektrischen Linearmotoren L, L‘ angetriebenen Pumpen dargestellt.
Die erste Druckerhöhung des Fluids von einem Zulaufdruck 1 in einem Hochdruckbereich erfolgt mittels eines ersten Linearmotor-Pumpensystems. Aus diesem Hochdruckbereich wird mittels eines zweiten elektrischen Linearmotor- Pumpensystems eine weitere Drucksteigerung des Hochdruckfluids bewirkt. Eine Regelung und Abstimmung der beiden elektrischen Linearmotoren L, L‘ der beiden Pumpen erfolgt durch die Steuerungseinheit 12.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur geregelten Bereitstellung von Hochdruckfluid mittels Druckerzeugers (D) gebildet mit einer Fluidversorgung und einem Fluidzulauf (1) im Hochdruckzylinder (15) und in diesen bewegbar Hochdruckplunger (17) mit einem Antrieb derselben und einer Zuführung von Hochdruckfluid in eine Hochdruckleitung (22), gegebenenfalls mit Pulsationsdämpfer (20) in dieser, mit Druckaufnehmer (21) für eine Steuerung des Antriebes und gegebenenfalls mit einem schaltbaren Druckentlastungsventil (23), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (D) oder mehrere kooperierende Druckerzeuger ( D, D‘) jeweils einen elektrischen Linearmotor (L) mit Stator (9) und Forcer (10) für einen Antrieb des Hochdruckplungers (17) im Hochdruckzylinder (15) aufweist und der/die elektrische(n) Linearmotor(en) (L, L‘) mit einer elektrischen Steuerungseinheit (12), welche eine elektrische Energieversorgung, einen Servoumrichter für elektrische Linearmotoren (L), eine programmierbare Recheneinheit und Messwertzuführungen umfasst, verbunden ist (sind).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (D) mit einem Hochdruckzylinder (15) gebildet ist und der Hochdruckplunger (17) aus jeder ermittelten Position im Hochdruckzylinder (15) bei einem gesicherten Fluidzulauf (1) in diesem mittels eines elektrischen Linearmotor-Antriebes (L) durch eine elektrische Steuerungseinheit (12) bewegbar und derart für einen programmierten und steuerbaren Hochdruckhub positionierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung mit zwei oder mehr als zwei Druckerzeugern (D, D‘, D“) nach Anspruch 2 gebildet ist, welche Druckerzeuger (D) mit einer gemeinsamen Hochdruckleitung (22) in Verbindung stehen und die elektrischen Linearmotoren (L) einen Anschluss an eine elektrische Steuerungseinheit (12) aufweisen und derart funktionstechnisch koordinierbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeuger (D, D‘) mit zwei in Axrichtung distanziert gegengleich gegenüberliegenden Hochdruckzylindern (15, 15‘) mit Hochdruckplunger (17, 17‘) gebildet und zwischen diesen Hochdruckzylindern (15, 15‘) ein mit einer elektrischen Steuerungseinheit (12) verbundener Linearmotor (L) positioniert ist und am Forcer (10) des Linearmotors (L) in Längsrichtung beabstandet Kraftanschlüsse bzw. Plungerbefestigungen (18, 18‘), die mit den jeweiligen Anschlussteilen für eine Plungerbewegung in Verbindung stehend angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anlagen mit einer Fluid-Hochdruckleitung (22) in Verbindung stehen und die elektrischen Linearmotoren (L, L‘) von einer elektrischen Steuerungseinheit (12) phasenverschoben antreibbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der/die Druckerzeuger (D) mit zwei oder mehreren gekoppelten elektrischen Linearmotoren (L, L‘) mit einer elektrischen Steuerungseinheit (12) geregelt antreibbar sind.
7. Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckfluid (22) mit regelbaren Parametern für Verbraucher bei Verwendung von Druckerzeugern (D, D‘, D“, D“‘) mit Hochdruckzylinder (15) und in diesen bewegter Hochdruckplunger (17), dadurch gekennzeichnet, dass der/die Hochdruckplunger (17) vom(von) elektrischen Linearmotor(en) (L, L’, L“) bewegt wird (werden), wobei die Regelung der Verfahrens-parameter mittels einer elektrischen Steuerungseinheit (12) erfolgt, welche Steuereinheit (12) eine Energieversorgung, einen Servoumrichter für den(die) elektrischen Linearmotor(en) (L, L‘, L“), eine programmierbare Recheneinheit mit Messwert-Eingaben von zumindest Fluidhochdruck (21) und Plungerposition in dem (den) Hochdruckzylinder(n) (15) umfasst und eine Regelung des Servoumrichters durchführt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckplunger (17) bei einem Erreichen einer festlegbaren Eintauchtiefe in den Hochdruckzylinder (15) ein Signal der Steuerungseinheit (12) übermittelt und der Servoumrichter derart geregelt wird, dass der Forcer (10) des Linearmotors (L) den Hochdruckplunger (17) mit erhöhter Geschwindigkeit in eine geänderte Position, insbesondere in die Ausgangsposition für einen maximalen Druckhub, verbringt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwei oder mehr als zwei Druckerzeuger
(D, D‘, D“, D“‘) mit einer Funktion gemäß Anspruch 8 in einer Fluid-Hochdruckleitung (22) zusammengeführt sind mit der Maßgabe, dass mittels einer Steuerungseinheit (12) durch Servoumrichter die elektrischen Linearmotoren (L, L‘, L“) gephast betrieben werden, d.h. nach einer Druckphase bzw. Förderphase eines ersten Druckerzeugers (D), während welcher zumindest ein weiterer Druckerzeuger (D‘) Hochdruckfluid fördert, erfolgt eine Füllung des Hochdruckzylinders (15) und ein Druckaufbau im Fluid im ersten Druckerzeuger (D) derart, dass gegen Ende der Druckphase des(der) weiteren Druckerzeuger (D‘, D“) der erste Druckerzeuger (D) die Förderung von Fluid übernimmt und ein Druckabfall in der Fluid-Hochdruckleitung (22) vermieden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwei oder mehr als zwei zusammenwirkende Vorrichtungen, welche jeweils mit in Axrichtung distanzierten gegengleich gegenüberliegenden Hochdruckzylindern (15) mit Hochdruckplunger (17) gebildet sind und zwischenliegend Linearmotoren (L, L‘) aufweisen, welche die Hochdruckplunger (17) bewegen mit der Maßgabe, dass eine Steuerungseinheit (12) mit einem Servoumrichter die Linearmotorbewegungen der einzelnen Vorrichtungen synchronisiert und entsprechen einer IST-Druckermittlung (21) im Hochdruckfluid (22) und den Druckvorgaben regelt.
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