WO2024100026A1 - Drive unit - Google Patents

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WO2024100026A1
WO2024100026A1 PCT/EP2023/080966 EP2023080966W WO2024100026A1 WO 2024100026 A1 WO2024100026 A1 WO 2024100026A1 EP 2023080966 W EP2023080966 W EP 2023080966W WO 2024100026 A1 WO2024100026 A1 WO 2024100026A1
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WO
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valve
pressure
working chamber
low
plunger
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/080966
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German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Oberscheidt
Fabian STOFFERS
Original Assignee
Hammelmann GmbH
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Publication date
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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03CPOSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C1/00Reciprocating-piston liquid engines
    • F03C1/013Reciprocating-piston liquid engines with single cylinder, single-acting piston
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03CPOSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C1/00Reciprocating-piston liquid engines
    • F03C1/02Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders
    • F03C1/04Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinders in star or fan arrangement
    • F03C1/0403Details, component parts specially adapted of such engines
    • F03C1/0428Supporting and guiding means for the pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03CPOSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
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    • F03C1/04Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinders in star or fan arrangement
    • F03C1/0447Controlling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/02Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the valving being fluid-actuated
    • F04B7/0208Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the valving being fluid-actuated the distribution member forming both the inlet and discharge distributor for one single pumping chamber
    • F04B7/0216Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the valving being fluid-actuated the distribution member forming both the inlet and discharge distributor for one single pumping chamber and having an oscillating movement
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • F04B9/10Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B1/00Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/0404Details or component parts
    • F04B1/0439Supporting or guiding means for the pistons

Definitions

  • the present invention relates to a drive unit according to the preamble of claim 1 and the use of such a drive unit.
  • a crankshaft or the like is driven by one or more plungers.
  • the plungers are in turn driven by the supply of a high-pressure fluid which is let into the working chamber of a plunger arrangement. After the plunger has been driven, the fluid, which has been reduced in pressure by the enlargement of the working chamber, is forced back out of the working chamber via a pressure line by the plunger when the plunger returns to its initial position.
  • These plunger cycles are controlled by a valve arrangement with an inlet and an outlet valve, which are controlled by a valve control.
  • valve control unit Usually, separate inlet and outlet valves are used, each of which is controlled separately via the valve control unit.
  • the object of the present invention is to be able to operate a generic drive unit with reduced energy consumption for the control.
  • the drive unit according to the invention has a plunger arrangement with a first working chamber and a plunger arranged to be axially movable back and forth in the first working chamber.
  • the drive unit further comprises a valve housing with a high-pressure connection and a low-pressure connection.
  • a valve seat ring is arranged in the valve housing, with a second working chamber fluidically connected to the first working chamber, a high-pressure valve seat open to this and a low-pressure valve seat open to this.
  • An inlet valve is arranged on the high-pressure valve seat between the high-pressure connection and the valve seat ring.
  • An outlet valve is arranged on the low-pressure valve seat between the low-pressure connection and the valve seat ring.
  • At least one opening of the intake valve can be controlled via the exhaust valve and one opening and closing of the exhaust valve can be controlled via a valve control unit.
  • the outlet valve In a working position, the outlet valve is closed and the inlet valve is moved into an open position by the outlet valve, so that high-pressure fluid supplied via the high-pressure connection can be supplied to the first working chamber via the second working chamber, and in a non-working position, the outlet valve is opened and the inlet valve is closed, so that low-pressure fluid can be discharged from the first working chamber via the second working chamber and the low-pressure connection after the plunger is driven.
  • the at least one plunger can be coupled to a consumer (in connection with a crankshaft).
  • the compact arrangement of the intake valve and the exhaust valve makes it possible to make the drive unit smaller overall, which enables a cost reduction of the drive unit.
  • a further advantage of the drive device is that in this design there are no deformable seals in the high-pressure area, which would lead to pressure-dependent friction and thus negatively influence the switching times of the valves or, if a labyrinth seal is selected, would generate additional leaks and reduce the efficiency.
  • the outlet valve has a tappet protruding into the second working chamber with a first sealing surface which, in the closed position of the tappet, rests against a sealing surface of the low-pressure valve seat.
  • the inlet valve has a closing body with a second sealing surface which, in the closed position, rests against a sealing surface of the high pressure valve seat.
  • the first sealing surface of the tappet touches the sealing surface of the low-pressure valve seat and in the closed position of the inlet valve the closing body touches the sealing surface of the high-pressure valve seat.
  • the first sealing surface is designed as a conical annular surface which connects a first cylindrical tappet section extending through the second working space of the valve seat ring with a second cylindrical tappet section extending in the direction of the low-pressure connection.
  • the tappet is preferably guided exclusively in the region of a portion of the tappet extending from the second cylindrical tappet section away from the valve seat ring in a low-pressure section of a housing body of the valve housing or in a guide bush arranged in the housing body and is sealed in this region by an elastically deformable low-pressure seal or a low-pressure seal designed as a labyrinth seal.
  • the inlet valve has an energy storage device, in particular in the form of a compression spring, which presses the closing body into its closed position.
  • the closing body is designed as a ball, which has the particular advantage that when the inlet valve is open, little turbulence occurs due to the spherical surface.
  • the outlet valve can be controlled pneumatically, electrically or hydraulically.
  • valve control unit is coupled to a position sensor which detects the rotational position of the crankshaft and thus the position of the plunger in the first working chamber.
  • At least three, preferably five plunger arrangements are provided, each of the plungers being assigned an inlet valve and an outlet valve.
  • An inventive use of a drive unit for pressure control in a hydraulic process structure is characterized in that the drive unit is designed as described above, wherein the drive unit is coupled to the process structure in such a way that the plunger is coupled via a crankshaft to a generator for generating electrical energy or via a crankshaft to a mechanism that uses the rotary motion transmitted to the crankshaft.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through an embodiment of a drive unit according to the invention
  • Figure 2 is an enlarged detail of a section of the drive unit marked II, III in Figure 1 to show the inlet valve and the outlet valve as well as the valve seat ring with the outlet valve closed and the inlet valve open and
  • Figure 3 is an enlarged detail corresponding to Figure 2 with the exhaust valve open and the inlet valve closed.
  • top, bottom, left, right, front, back, etc. refer exclusively to the figures in the respective Figures show selected exemplary representations and positions of the drive unit, plunger arrangement, plunger, valve seat ring, inlet valve, outlet valve and the like. These terms are not to be understood as limiting, ie these references can change due to different working positions or the mirror-symmetrical design or the like.
  • the reference numeral 1 designates an embodiment variant of a drive unit.
  • the drive unit 1 essentially consists of a plunger arrangement 2 with a plunger 22, which is arranged in a working space 22 of a plunger housing surrounding the plunger 22 so as to be movable back and forth axially in the direction of its longitudinal axis, coaxially in the embodiment shown.
  • the plunger 22 with the plunger housing 23 is accommodated in a plunger frame 10.
  • a crankshaft 12 or the like is preferably connected in the area of one end of the plunger 22, so that the direct or indirect drive of a consumer is made possible by the movement of the plunger 22.
  • the crankshaft 12 is coupled to the plunger 22 via a connecting rod 13 and a coupling piece 14 fastened to the connecting rod 13.
  • the drive unit 1 for energy recovery, in which a fluid brought to high pressure in a previous process is fed into the drive unit 1 and, for example, a generator is driven via the plunger driven by the high pressure and the crankshaft connected to the plunger, which converts the energy released by the relaxation of the high-pressure fluid into electrical current.
  • the first working chamber 21 of the plunger arrangement 2 is connected to a high-pressure line 8 arranged in a connecting frame 9, which in turn opens into a valve housing 3.
  • the valve housing 3 has, as shown in Figure 1, a housing body 33, to the underside of which a high-pressure connection 31 is connected.
  • the High pressure connection 31 is accommodated in a further frame 11 which is fastened to the housing body 33 of the valve housing 3.
  • the housing body 33 of the valve housing 3 itself also has a low-pressure connection 32.
  • a valve seat ring 4 is arranged in a cavity of the housing body 33.
  • the valve seat ring 4 has a second working chamber 41 fluidically connected to the first working chamber 21, a high-pressure valve seat 42 open to this second working chamber 41 and a low-pressure valve seat 43 open to the second working chamber 41.
  • An inlet valve 5 is arranged on the high pressure valve seat 41 between the high pressure connection 31 and the valve seat ring 4.
  • An outlet valve 6 is arranged on the low-pressure valve seat 43 between the low-pressure connection 32 and the valve seat ring 4.
  • the inlet valve 5 is opened by the movement of the outlet valve 6.
  • valve control unit 7 shown as an example in Figure 1.
  • a separate valve control for opening or closing the inlet valve 5 is not provided.
  • both the high-pressure valve seat 42 and the low-pressure valve seat 43 are designed as approximately annular recesses enclosing the second working chamber 41, with respective sealing surfaces 421, 431 which, together with the inlet valve 5 and the outlet valve 6, block or release the flow of the fluid.
  • the outlet valve 6 has a tappet 61 protruding into the second working chamber 41, on the outer surface of which a first sealing surface 614 is formed, which in the closed position of the tappet 61 lies directly on the sealing surface 431 of the low-pressure valve seat 43, ie to seal the second working chamber 41 to the low-pressure side, the tappet 61 lies directly on the valve seat ring 4 (the sealing surface 431 of the low-pressure valve seat 43 of the valve seat ring 4).
  • the first sealing surface 614 is designed as a conical annular surface which connects a first cylindrical tappet section 612 extending through the second working chamber 41 of the valve seat ring 4 with a second cylindrical tappet section 613 extending in the direction of the low-pressure connection 32.
  • An end face 611 of the tappet 61 is adapted to a contact surface of a closing body 51 of the inlet valve 5.
  • a portion of the tappet 61 remote from the first tappet portion 612 and extending from the second cylindrical tappet portion 613 is guided exclusively in a low-pressure portion of the housing body 33 of the valve housing 3 or preferably in a guide bush arranged in the housing body 33 and is sealed by an elastically deformable low-pressure seal 15.
  • the low-pressure seal can also be designed as a labyrinth seal to reduce the friction component of the valve circuit.
  • the low-pressure section of the housing body 33 is understood to be the section of the housing body 33 that is not exposed to high pressure. As can be seen in Figures 2 and 3, this low-pressure section extends above the low-pressure valve seat 43 in the direction of the low-pressure connection 32 and beyond this into the area of the housing body 33 that guides the tappet 61.
  • the closing body 51 which is preferably spherical in shape here, is pressed against the contact surface 611 of the plunger 61 from the side facing away from the plunger 61 by an energy storage holder prestressed by a compression spring or another energy storage device 54.
  • the valve control unit 7 is, as shown in Figure 1, preferably designed as a pneumatic control unit, with a compressed air inlet 75 which pushes a plate 71 downward relative to a cover 73 when compressed air is admitted, wherein the plate 71 drives the tappet 61 and thus closes the outlet valve and simultaneously opens the inlet valve.
  • the valve control unit 7 preferably has a housing part 72 with an internal thread that is screwed onto an external thread of a section 34 of the valve housing 3.
  • a flange connection between the valve control unit 7 and the valve housing 3 is also conceivable, for example.
  • a cylindrical or conical closing body 51 is also conceivable.
  • the energy storage device 54 which is designed here as a compression spring, is accommodated in a cylindrical recess of the energy storage holder and is supported on a step of a closing body holder 56 in a valve holding body 55.
  • the closing body receptacle 56 is fluidically connected to the high-pressure connection 31.
  • the fluid under high pressure can flow via the closing body receptacle 56 through passage openings 52 provided in the energy storage holder past the closing body 51 into the second working chamber 41 of the valve seat ring, provided that a second sealing surface 511 of the closing body 51 does not rest against the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42, against which the closing body 51 is pressed by means of the force of the spring holder.
  • the closing body 51 In its position sealing the second working chamber 41, the closing body 51, like the first sealing surface 614 of the tappet 61, lies directly against the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42 of the valve seat ring 4.
  • the tappet 61 is pressed against the closing body 51 and presses the closing body 51 against the force of the energy accumulator 54 downwards away from the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42.
  • the inlet valve 5 is opened by the movement of the outlet valve 6.
  • valve control unit 7 shown as an example in Figure 1 .
  • the outlet valve 6 is relieved. As shown in Figure 3, the outlet valve 6 is opened and the inlet valve 5 is closed, so that fluid under low pressure can be discharged from the first working chamber 21 via the second working chamber 41 and the low-pressure connection 32 after the plunger 22 has been driven.
  • the lowering of the tappet 61 in the z-direction enables the outlet valve 6 to be closed simultaneously with the inlet valve 5 being opened, whereby the closing body 51 is pressed away from the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42.
  • the described design makes it possible that no moving components need to be sealed to the outside within the high-pressure area, so that dynamic Sealing elements, particularly in the form of elastic sealing lips or labyrinth seals, can be completely dispensed with.
  • the outlet valve 6 can preferably be controlled pneumatically, electrically or hydraulically.
  • the drive unit 1 described above can be used in a first application for energy recovery in a hydraulic process structure for generating electrical energy.
  • a generator for generating electrical energy is coupled to the at least one plunger 22 via the crankshaft 12.
  • a mechanism that uses the rotary motion transmitted to the crankshaft is coupled via the crankshaft 12.
  • the mechanism that uses the rotary motion can be, for example, a pump in which the plunger of the pump is coupled to the crankshaft 12.

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Abstract

A drive unit (1) has a plunger arrangement (2) with a first working chamber (21) and a plunger (22) arranged to move axially back and forth in the first working chamber (21), a valve housing (3) with a high-pressure connection (31) and a low-pressure connection (32), a valve seat ring (4) arranged in the valve housing (3) and with a second working chamber (41) fluidically connected to the first working chamber (21), a high-pressure valve seat (42) open with respect to the second working chamber and a low-pressure valve seat (43) open with respect to the second working chamber, an inlet valve (5) arranged on the high-pressure valve seat (41) between the high-pressure connection (31) and the valve seat ring (4), an outlet valve (6) arranged on the low-pressure valve seat (43) between the low-pressure connection (32) and the valve seat ring (4), wherein at least an opening of the inlet valve (5) can be controlled via the outlet valve (6) and an opening and closing of the outlet valve (6) can be controlled via a valve control unit (7), wherein in a working position the outlet valve (6) is closed and the inlet valve (5) is moved by the outlet valve (6) into an open position such that fluid that is supplied via the high-pressure connection (31) and is under high pressure can be supplied via the second working chamber (41) to the first working chamber (21) and in a non-working position the outlet valve (6) is open and the inlet valve (5) is closed such that fluid under low pressure can be discharged out of the first working chamber (21) via the second working chamber (41) and the low-pressure connection (32) after the plunger (22) is driven, wherein the at least one plunger (22) can be coupled to a consumer.

Description

Antriebseinheit Drive unit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer solchen Antriebseinheit. The present invention relates to a drive unit according to the preamble of claim 1 and the use of such a drive unit.
Bei gattungsgemäßen Antriebseinheiten wird eine Kurbelwelle oder dergleichen über einen oder mehrere Plunger angetrieben. Die Plunger ihrerseits werden durch Zufuhr eines unter Hochdruck stehenden Fluids, welches in den Arbeitsraum einer Plungeranordnung eingelassen wird, angetrieben. Nach erfolgtem Antreiben des Plungers wird das durch die Vergrößerung des Arbeitsraums druckgeminderte Fluid mit der Rückkehr des Plungers in die Anfangsstellung durch den Plunger aus dem Arbeitsraum über eine Druckleitung zurückgedrängt. Die Steuerung dieser Plungertakte erfolgt über eine Ventilanordnung mit einem Einlass- und einem Auslassventil, die über eine Ventilsteuerung gesteuert werden. In drive units of this type, a crankshaft or the like is driven by one or more plungers. The plungers are in turn driven by the supply of a high-pressure fluid which is let into the working chamber of a plunger arrangement. After the plunger has been driven, the fluid, which has been reduced in pressure by the enlargement of the working chamber, is forced back out of the working chamber via a pressure line by the plunger when the plunger returns to its initial position. These plunger cycles are controlled by a valve arrangement with an inlet and an outlet valve, which are controlled by a valve control.
Üblicherweise werden dazu voneinander getrennte Einlass- und Auslassventile eingesetzt, die jeweils über die Ventilsteuereinheit separat angesteuert werden. Usually, separate inlet and outlet valves are used, each of which is controlled separately via the valve control unit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Antriebseinheit mit reduziertem Energieeinsatz für die Steuerung betreiben zu können. The object of the present invention is to be able to operate a generic drive unit with reduced energy consumption for the control.
Diese erste Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This first object is achieved by a drive unit having the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit weist eine Plungeranordnung mit einem ersten Arbeitsraum und einem in dem ersten Arbeitsraum axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger auf. The drive unit according to the invention has a plunger arrangement with a first working chamber and a plunger arranged to be axially movable back and forth in the first working chamber.
Die Antriebseinheit weist des Weiteren ein Ventilgehäuse mit einem Hochdruckanschluss und einem Niederdruckanschluss auf. In dem Ventilgehäuse ist ein Ventilsitzring angeordnet, mit einem fluidisch mit dem ersten Arbeitsraum verbundenen zweiten Arbeitsraum, einem zu diesem offenen Hochdruckventilsitz und einem zu diesem offenen Niederdruckventilsitz. The drive unit further comprises a valve housing with a high-pressure connection and a low-pressure connection. A valve seat ring is arranged in the valve housing, with a second working chamber fluidically connected to the first working chamber, a high-pressure valve seat open to this and a low-pressure valve seat open to this.
Zwischen dem Hochdruckanschluss und dem Ventilsitzring ist am Hochdruckventilsitz ein Einlassventil angeordnet. Zwischen dem Niederdruckanschluss und dem Ventilsitzring ist am Niederdruckventilsitz ein Auslassventil angeordnet. An inlet valve is arranged on the high-pressure valve seat between the high-pressure connection and the valve seat ring. An outlet valve is arranged on the low-pressure valve seat between the low-pressure connection and the valve seat ring.
Zumindest ein Öffnen des Einlassventils ist über das Auslassventil und ein Öffnen und Schließen des Auslassventils über eine Ventilsteuereinheit ansteuerbar. At least one opening of the intake valve can be controlled via the exhaust valve and one opening and closing of the exhaust valve can be controlled via a valve control unit.
Dabei ist in einer Arbeitsstellung das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil durch das Auslassventil in eine geöffnete Stellung bewegt, so dass über den Hochdruckanschluss zugeführtes, unter Hochdruck stehendes Fluid über den zweiten Arbeitsraum dem ersten Arbeitsraum zuführbar und in einer Nichtarbeitsstellung das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen ist, so dass unter Niederdruck stehendes Fluid aus dem ersten Arbeitsraum über den zweiten Arbeitsraum und den Niederdruckanschluss nach Antreiben des Plungers abführbar ist. Der mindestens eine Plunger ist dabei (in Verbindung mit einer Kurbelwelle) an einen Verbraucher ankoppelbar. In a working position, the outlet valve is closed and the inlet valve is moved into an open position by the outlet valve, so that high-pressure fluid supplied via the high-pressure connection can be supplied to the first working chamber via the second working chamber, and in a non-working position, the outlet valve is opened and the inlet valve is closed, so that low-pressure fluid can be discharged from the first working chamber via the second working chamber and the low-pressure connection after the plunger is driven. The at least one plunger can be coupled to a consumer (in connection with a crankshaft).
Mit einer solchen Antriebseinheit ist es ermöglicht, die Steuerungsenergie für die Ventilanordnung von Einlass- und Auslassventil zu reduzieren, da hier nur noch das Auslassventil angesteuert werden muss, welches durch eine Bewegung das Öffnen des Einlassventiles ermöglicht. With such a drive unit, it is possible to reduce the control energy for the valve arrangement of the inlet and outlet valves, since only the outlet valve needs to be controlled, which enables the inlet valve to be opened by means of a movement.
Des Weiteren wird durch die kompakte Anordnung des Einlassventils und des Auslassventils die Möglichkeit geschaffen, die Antriebseinheit insgesamt kleiner zu bauen, was eine Kostenreduzierung der Antriebseinheit ermöglicht. Furthermore, the compact arrangement of the intake valve and the exhaust valve makes it possible to make the drive unit smaller overall, which enables a cost reduction of the drive unit.
Ein weiterer Vorteil der Antriebseinrichtung besteht darin, dass bei diesem Aufbau keine verformbaren Dichtungen im Hochdruckbereich angeordnet sind, die zu einer druckabhängigen Reibung führen würden und damit die Schaltzeiten der Ventile negativ beeinflussen oder bei der Wahl einer Labyrinth-Abdichtung zusätzliche Leckagen generieren und den Wirkungsgrad reduzieren würden. A further advantage of the drive device is that in this design there are no deformable seals in the high-pressure area, which would lead to pressure-dependent friction and thus negatively influence the switching times of the valves or, if a labyrinth seal is selected, would generate additional leaks and reduce the efficiency.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist das Auslassventil einen in den zweiten Arbeitsraum vorstehenden Stößel mit einer ersten Dichtfläche auf, die in der Schließstellung des Stößels an einer Dichtfläche des Niederdruckventilsitzes anliegt. Das Einlassventil weist einen Schließkörper mit einer zweiten Dichtfläche auf, die in der Schließstellung an einer Dichtfläche des Hochdruckventilsitzes anliegt. Der Stößel schiebt bei Bewegung aus einer Öff- nungsstellung in die Schließstellung den Schließkörper aus der Schließstellung in seine Öffnungsstellung. According to an advantageous embodiment, the outlet valve has a tappet protruding into the second working chamber with a first sealing surface which, in the closed position of the tappet, rests against a sealing surface of the low-pressure valve seat. The inlet valve has a closing body with a second sealing surface which, in the closed position, rests against a sealing surface of the high pressure valve seat. When moving from an open position to the closed position, the tappet pushes the closing body from the closed position to its open position.
Durch diese mechanische Kopplung des Einlassventils mit dem Auslassventil ist eine zuverlässige Steuerung des Einlassventils über das Auslassventil gewährleistet. This mechanical coupling of the intake valve with the exhaust valve ensures reliable control of the intake valve via the exhaust valve.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung berührt in der Schließstellung des Auslassventils die erste Dichtfläche des Stößels die Dichtfläche des Niederdruckventilsitzes und in der Schließstellung des Einlassventils berührt der Schließkörper die Dichtfläche des Hochdruckventilsitzes. According to an advantageous development, in the closed position of the exhaust valve the first sealing surface of the tappet touches the sealing surface of the low-pressure valve seat and in the closed position of the inlet valve the closing body touches the sealing surface of the high-pressure valve seat.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Dichtfläche als konusför- mige Ringfläche ausgebildet, die einen sich durch den zweiten Arbeitsraum des Ventilsitzrings erstreckenden ersten zylinderförmigen Stößelabschnitt mit einem sich in Richtung des Niederdruckanschlusses erstreckenden zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt verbindet. According to an advantageous development, the first sealing surface is designed as a conical annular surface which connects a first cylindrical tappet section extending through the second working space of the valve seat ring with a second cylindrical tappet section extending in the direction of the low-pressure connection.
Der Stößel ist bevorzugt ausschließlich im Bereich eines sich von dem zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt weg von dem Ventilsitzring erstreckenden Teilstücks des Stößels in einem Niederdruckabschnitt eines Gehäusekörpers des Ventilgehäuses oder in einer im Gehäusekörper angeordneten Führungsbuchse geführt und in diesem Bereich durch eine elastisch verformbare oder als Labyrinthdichtung ausgebildeten Niederdruckdichtung abgedichtet. The tappet is preferably guided exclusively in the region of a portion of the tappet extending from the second cylindrical tappet section away from the valve seat ring in a low-pressure section of a housing body of the valve housing or in a guide bush arranged in the housing body and is sealed in this region by an elastically deformable low-pressure seal or a low-pressure seal designed as a labyrinth seal.
Dies ermöglicht die ausschließliche Anordnung einer verformbaren Dichtung nur im Niederdruckbereich zur Abdichtung des Stößels zur Umgebung bzw. zur Ventilsteuerung hin. This allows the exclusive arrangement of a deformable seal only in the low-pressure area to seal the tappet from the environment or the valve control.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Einlassventil einen den Schließkörper in seine Schließstellung drückenden Energiespeicher, insbesondere in Gestalt einer Druckfeder, auf. According to a further advantageous development, the inlet valve has an energy storage device, in particular in the form of a compression spring, which presses the closing body into its closed position.
Dies ermöglicht insbesondere, dass der Stößel des Auslassventils nur am Schließkörper des Einlassventils anliegen muss, ohne diesen in seine Schließstellung bewegen zu müssen. Der Schließkörper ist dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante als Kugel ausgebildet, was insbesondere den Vorteil hat, dass bei geöffnetem Einlassventil durch die Kugelfläche wenig Turbulenzen auftreten. In particular, this makes it possible for the tappet of the exhaust valve to only rest on the closing body of the intake valve without having to move it into its closed position. According to a preferred embodiment, the closing body is designed as a ball, which has the particular advantage that when the inlet valve is open, little turbulence occurs due to the spherical surface.
Das Auslassventil ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch ansteuerbar. According to an advantageous design variant, the outlet valve can be controlled pneumatically, electrically or hydraulically.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Ventilsteuereinheit mit einem Positionssensor gekoppelt, der die Drehstellung der Kurbelwelle und somit die Position des Plungers im ersten Arbeitsraum erfasst. According to an advantageous embodiment, the valve control unit is coupled to a position sensor which detects the rotational position of the crankshaft and thus the position of the plunger in the first working chamber.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind wenigstens drei, vorzugsweise fünf Plungeranordnungen vorgesehen, wobei jedem der Plunger ein Einlassventil und ein Auslassventil zugeordnet ist. According to a further preferred embodiment, at least three, preferably five plunger arrangements are provided, each of the plungers being assigned an inlet valve and an outlet valve.
Eine erfindungsgemäße Verwendung einer Antriebseinheit zur Druckregelung in einem hydraulischen Prozessaufbau zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebseinheit wie oben beschrieben ausgebildet ist, wobei die Antriebseinheit derart mit dem Prozessaufbau gekoppelt ist, dass der Plunger über eine Kurbelwelle an einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder über eine Kurbelwelle an eine die auf die Kurbelwelle übertragene Drehbewegung nutzende Mechanik angekoppelt ist. An inventive use of a drive unit for pressure control in a hydraulic process structure is characterized in that the drive unit is designed as described above, wherein the drive unit is coupled to the process structure in such a way that the plunger is coupled via a crankshaft to a generator for generating electrical energy or via a crankshaft to a mechanism that uses the rotary motion transmitted to the crankshaft.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit, Figure 1 is a schematic sectional view through an embodiment of a drive unit according to the invention,
Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung eines in Figur 1 mit II, III markierten Ausschnitts der Antriebseinheit zur Darstellung des Einlassventils und des Auslassventils sowie des Ventilsitzringes bei geschlossenem Auslassventil und geöffnetem Einlassventil und Figure 2 is an enlarged detail of a section of the drive unit marked II, III in Figure 1 to show the inlet valve and the outlet valve as well as the valve seat ring with the outlet valve closed and the inlet valve open and
Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende Ausschnittsvergrößerung bei geöffnetem Auslassventil und geschlossenem Einlassventil. Figure 3 is an enlarged detail corresponding to Figure 2 with the exhaust valve open and the inlet valve closed.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Antriebseinheit, Plungeranordnung, Plunger, Ventilsitzring, Einlassventil, Auslassventil und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d.h., durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern. In the following description of the figures, terms such as top, bottom, left, right, front, back, etc. refer exclusively to the figures in the respective Figures show selected exemplary representations and positions of the drive unit, plunger arrangement, plunger, valve seat ring, inlet valve, outlet valve and the like. These terms are not to be understood as limiting, ie these references can change due to different working positions or the mirror-symmetrical design or the like.
In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 insgesamt eine Ausführungsvariante einer Antriebseinheit bezeichnet. In Figure 1, the reference numeral 1 designates an embodiment variant of a drive unit.
Die Antriebseinheit 1 besteht im Wesentlichen aus einer Plungeranordnung 2 mit einem Plunger 22, der in einem Arbeitsraum 22 eines den Plunger 22 umgebenden Plungergehäuses in Richtung seiner Längsachse axial, im gezeigten Ausführungsbeispiel koaxial, hin und her bewegbar angeordnet ist. Der Plunger 22 mit dem Plungergehäuse 23 ist dabei in einen Plungerrahmen 10 aufgenommen. The drive unit 1 essentially consists of a plunger arrangement 2 with a plunger 22, which is arranged in a working space 22 of a plunger housing surrounding the plunger 22 so as to be movable back and forth axially in the direction of its longitudinal axis, coaxially in the embodiment shown. The plunger 22 with the plunger housing 23 is accommodated in a plunger frame 10.
Denkbar ist auch, die Antriebseinheit 1 mit mehreren solcher Plungeranordnungen auszubilden, bei der die Plunger bevorzugt in einer Reihe oder mehreren Reihen nebeneinander angeordnet sind. It is also conceivable to design the drive unit 1 with several such plunger arrangements, in which the plungers are preferably arranged in one row or several rows next to one another.
Im Bereich eines Endes des Plungers 22 ist vorzugsweise eine Kurbelwelle 12 oder dergleichen angeschlossen, so dass durch die Bewegung des Plungers 22 der direkte oder indirekte Antrieb eines Verbrauchers ermöglicht wird. Die Kurbelwelle 12 ist dabei über einen Pleuel 13 und ein am Pleuel 13 befestigtes Koppelstück 14 mit dem Plunger 22 gekoppelt. A crankshaft 12 or the like is preferably connected in the area of one end of the plunger 22, so that the direct or indirect drive of a consumer is made possible by the movement of the plunger 22. The crankshaft 12 is coupled to the plunger 22 via a connecting rod 13 and a coupling piece 14 fastened to the connecting rod 13.
Denkbar ist auch, die Antriebseinheit 1 zu einer Energierückgewinnung zu nutzen, bei der ein in einem vorangegangenen Prozess auf Hochdruck gebrachtes Fluid in die Antriebseinheit 1 eingespeist wird und über den durch den Hochdruck angetriebenen Plunger und die an den Plunger angeschlossene Kurbelwelle beispielsweise ein Generator angetrieben wird, der die durch die Entspannung des unter Hochdruck stehenden Fluids frei gewordene Energie in elektrischen Strom umwandelt. It is also conceivable to use the drive unit 1 for energy recovery, in which a fluid brought to high pressure in a previous process is fed into the drive unit 1 and, for example, a generator is driven via the plunger driven by the high pressure and the crankshaft connected to the plunger, which converts the energy released by the relaxation of the high-pressure fluid into electrical current.
An den ersten Arbeitsraum 21 der Plungeranordnung 2 schließt sich eine in einem Verbindungsrahmen 9 angeordnete Hochdruckleitung 8 an, die ihrerseits in ein Ventilgehäuse 3 mündet. The first working chamber 21 of the plunger arrangement 2 is connected to a high-pressure line 8 arranged in a connecting frame 9, which in turn opens into a valve housing 3.
Das Ventilgehäuse 3 weist, wie in Figur 1 gezeigt ist, einen Gehäusekörper 33 auf, an dessen Unterseite ein Hochdruckanschluss 31 angeschlossen ist. Der Hochdruckanschluss 31 ist in einem weiteren Rahmen 11 aufgenommen, der am Gehäusekörper 33 des Ventilgehäuses 3 befestigt ist. The valve housing 3 has, as shown in Figure 1, a housing body 33, to the underside of which a high-pressure connection 31 is connected. The High pressure connection 31 is accommodated in a further frame 11 which is fastened to the housing body 33 of the valve housing 3.
Der Gehäusekörper 33 des Ventilgehäuses 3 selbst weist darüber hinaus einen Niederdruckanschluss 32 auf. The housing body 33 of the valve housing 3 itself also has a low-pressure connection 32.
In einem Hohlraum des Gehäusekörpers 33 ist ein Ventilsitzring 4 angeordnet. A valve seat ring 4 is arranged in a cavity of the housing body 33.
Der Ventilsitzring 4 weist einen fluidisch mit dem ersten Arbeitsraum 21 verbundenen zweiten Arbeitsraum 41 auf, einen zu diesem zweiten Arbeitsraum 41 offenen Hochdruckventilsitz 42 und einen zu dem zweiten Arbeitsraum 41 offenen Niederdruckventilsitz 43. The valve seat ring 4 has a second working chamber 41 fluidically connected to the first working chamber 21, a high-pressure valve seat 42 open to this second working chamber 41 and a low-pressure valve seat 43 open to the second working chamber 41.
Zwischen dem Hochdruckanschluss 31 und dem Ventilsitzring 4 ist am Hochdruckventilsitz 41 ein Einlassventil 5 angeordnet. An inlet valve 5 is arranged on the high pressure valve seat 41 between the high pressure connection 31 and the valve seat ring 4.
Zwischen dem Niederdruckanschluss 32 und dem Ventilsitzring 4 ist am Niederdruckventilsitz 43 ein Auslassventil 6 angeordnet. An outlet valve 6 is arranged on the low-pressure valve seat 43 between the low-pressure connection 32 and the valve seat ring 4.
Das Öffnen des Einlassventils 5 erfolgt dabei durch die Bewegung des Auslassventils 6. The inlet valve 5 is opened by the movement of the outlet valve 6.
Das Öffnen und Schließen des Auslassventils 6 erfolgt über eine Ventilsteuereinheit 7, beispielhaft dargestellt in Figur 1. Eine separate Ventilsteuerung zum Öffnen oder Schließen des Einlassventils 5 ist nicht vorgesehen. The opening and closing of the outlet valve 6 takes place via a valve control unit 7, shown as an example in Figure 1. A separate valve control for opening or closing the inlet valve 5 is not provided.
Sowohl der Hochdruckventilsitz 42 als auch der Niederdruckventilsitz 43 sind bei der hier gezeigten Ausführungsvariante gemäß Figuren 2 und 3 als etwa ringförmige, in den zweiten Arbeitsraum 41 umschließende Ausnehmungen ausgebildet, mit jeweiligen Dichtflächen 421 , 431 , die zusammen mit dem Einlassventil 5 bzw. dem Auslassventil 6 den Durchfluss des Fluids sperren oder freigeben. In the embodiment shown here according to Figures 2 and 3, both the high-pressure valve seat 42 and the low-pressure valve seat 43 are designed as approximately annular recesses enclosing the second working chamber 41, with respective sealing surfaces 421, 431 which, together with the inlet valve 5 and the outlet valve 6, block or release the flow of the fluid.
Das Auslassventil 6 weist bei der hier gezeigten Ausführungsvariante einen in den zweiten Arbeitsraum 41 vorstehenden Stößel 61 auf, an dessen Mantelfläche eine erste Dichtfläche 614 angeformt ist, die in der Schließstellung des Stößels 61 direkt an der Dichtfläche 431 des Niederdruckventilsitzes 43 anliegt, d.h. zur Abdichtung des zweiten Arbeitsraums 41 zur Niederdruckseite liegt der Stößel 61 unmittelbar an dem Ventilsitzring 4 (der Dichtfläche 431 des Niederdruckventilsitzes 43 des Ventilsitzringes 4) an. Die erste Dichtfläche 614 ist in der hier gezeigten Ausführungsvariante als konus- förmige Ringfläche ausgebildet, die einen sich durch den zweiten Arbeitsraum 41 des Ventilsitzrings 4 erstreckenden ersten zylinderförmigen Stößelabschnitt 612 mit einem sich in Richtung des Niederdruckanschlusses 32 erstreckenden zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt 613 verbindet. In the embodiment shown here, the outlet valve 6 has a tappet 61 protruding into the second working chamber 41, on the outer surface of which a first sealing surface 614 is formed, which in the closed position of the tappet 61 lies directly on the sealing surface 431 of the low-pressure valve seat 43, ie to seal the second working chamber 41 to the low-pressure side, the tappet 61 lies directly on the valve seat ring 4 (the sealing surface 431 of the low-pressure valve seat 43 of the valve seat ring 4). In the embodiment shown here, the first sealing surface 614 is designed as a conical annular surface which connects a first cylindrical tappet section 612 extending through the second working chamber 41 of the valve seat ring 4 with a second cylindrical tappet section 613 extending in the direction of the low-pressure connection 32.
Eine Stirnfläche 611 des Stößels 61 ist an eine Anlagefläche eines Schließkörpers 51 des Einlassventils 5 angepasst ausgebildet. An end face 611 of the tappet 61 is adapted to a contact surface of a closing body 51 of the inlet valve 5.
Ein dem ersten Stößelabschnitt 612 entferntes, sich von dem zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt 613 erstreckendes Teilstück des Stößels 61 ist ausschließlich in einem Niederdruckabschnitt des Gehäusekörpers 33 des Ventilgehäuses 3 oder bevorzugt in einer im Gehäusekörper 33 angeordneten Führungsbuchse geführt und durch eine elastisch verformbare Niederdruckdichtung 15 abgedichtet. A portion of the tappet 61 remote from the first tappet portion 612 and extending from the second cylindrical tappet portion 613 is guided exclusively in a low-pressure portion of the housing body 33 of the valve housing 3 or preferably in a guide bush arranged in the housing body 33 and is sealed by an elastically deformable low-pressure seal 15.
Die Niederdruckabdichtung kann auch als Labyrinthdichtung ausgeführt werden, um den Reibungsanteil der Ventilschaltung zu verringern. The low-pressure seal can also be designed as a labyrinth seal to reduce the friction component of the valve circuit.
Als Niederdruckabschnitt des Gehäusekörpers 33 wird dabei der Abschnitt des Gehäusekörper 33 verstanden, der nicht dem Hochdruck ausgesetzt ist. Dieser Niederdruckabschnitt erstreckt sich, wie in den Figuren 2 und 3 zu erkennen ist, oberhalb des Niederdruckventilsitzes 43 in Richtung des Niederdruckanschlusses 32 und über diesen hinaus in den den Stößel 61 führenden Bereich des Gehäusekörpers 33. The low-pressure section of the housing body 33 is understood to be the section of the housing body 33 that is not exposed to high pressure. As can be seen in Figures 2 and 3, this low-pressure section extends above the low-pressure valve seat 43 in the direction of the low-pressure connection 32 and beyond this into the area of the housing body 33 that guides the tappet 61.
Der hier bevorzugt kugelförmig ausgebildete Schließkörper 51 wird dabei von der dem Stößel 61 abgewandten Seite durch einen mit einer Druckfeder oder einem anderen Energiespeicher 54 vorgespannten Energiespeicherhalter gegen die Anlagefläche 611 des Stößels 61 gedrückt. The closing body 51, which is preferably spherical in shape here, is pressed against the contact surface 611 of the plunger 61 from the side facing away from the plunger 61 by an energy storage holder prestressed by a compression spring or another energy storage device 54.
Die Ventilsteuereinheit 7 ist, wie in Figur 1 gezeigt ist, bevorzugt als pneumatische Steuereinheit ausgebildet, mit einem Drucklufteinlass 75, der einen Teller 71 bei Einlassen von Druckluft relativ zu einem Deckel 73 nach unten wegdrückt, wobei der Teller 71 den Stößel 61 antreibt und damit das Auslassventil schließt und gleichzeitig das Einlassventil öffnet. The valve control unit 7 is, as shown in Figure 1, preferably designed as a pneumatic control unit, with a compressed air inlet 75 which pushes a plate 71 downward relative to a cover 73 when compressed air is admitted, wherein the plate 71 drives the tappet 61 and thus closes the outlet valve and simultaneously opens the inlet valve.
Wird die Druckluft zum Öffnen des Auslassventils 6 wieder abgelassen, wird der den Stößel 61 antreibende Teller 71 in der hier gezeigten Ausführungsvariante durch eine Druckfeder 74 zurück in die Ausgangslage gegen den Deckel 73 gedrückt. If the compressed air is released again to open the outlet valve 6, the plate 71 driving the tappet 61 in the design variant shown here pressed back into its original position against the cover 73 by a compression spring 74.
Die Ventilsteuereinheit 7 weist dabei bevorzugt ein Gehäuseteil 72 mit einem Innengewinde auf, das auf ein Außengewinde eines Teilstücks 34 des Ventilgehäuses 3 aufgeschraubt ist. Denkbar ist beispielsweise auch eine Flanschverbindung zwischen der Ventilsteuereinheit 7 und dem Ventilgehäuse 3. The valve control unit 7 preferably has a housing part 72 with an internal thread that is screwed onto an external thread of a section 34 of the valve housing 3. A flange connection between the valve control unit 7 and the valve housing 3 is also conceivable, for example.
Alternativ zu dem kugelförmig ausgebildeten Schließkörper 51 ist auch ein zylindrisch oder kegelförmig ausgebildeter Schließkörper 51 denkbar. As an alternative to the spherical closing body 51, a cylindrical or conical closing body 51 is also conceivable.
Der hier als Druckfeder ausgebildete Energiespeicher 54 ist dabei in einer zylindrischen Ausnehmung des Energiespeicherhalters aufgenommen und stützt sich an einer Stufe einer Schließkörperaufnahme 56 in einen Ventilhaltekörper 55 ab. The energy storage device 54, which is designed here as a compression spring, is accommodated in a cylindrical recess of the energy storage holder and is supported on a step of a closing body holder 56 in a valve holding body 55.
In einer denkbaren Ausführungsvariante, bei der der Schließkörper 51 direkt an den Stößel 61 angebunden ist, wird nicht zwingend ein Energiespeicher 54 benötigt. Hier kann die auf den Teller 71 der Ventilsteuereinheit 7 wirkende Druckfeder 74 diese Funktion übernehmen. In a conceivable embodiment variant in which the closing body 51 is connected directly to the tappet 61, an energy storage device 54 is not necessarily required. Here, the compression spring 74 acting on the plate 71 of the valve control unit 7 can take over this function.
Die Schließkörperaufnahme 56 ist dabei fluidisch mit dem Hochdruckanschluss 31 verbunden. The closing body receptacle 56 is fluidically connected to the high-pressure connection 31.
Das unter Hochdruck stehende Fluid kann dabei über die Schließkörperaufnahme 56 durch in dem Energiespeicherhalter vorgesehene Durchtrittsöffnungen 52 am Schließkörper 51 vorbei in den zweiten Arbeitsraum 41 des Ventilsitzrings strömen, sofern eine zweite Dichtfläche 511 des Schließkörpers 51 nicht an der Dichtfläche 421 des Hochdruckventilsitzes 42 anliegt, an dem der Schließkörper 51 mithilfe der Kraft des Federhalters angedrückt wird. The fluid under high pressure can flow via the closing body receptacle 56 through passage openings 52 provided in the energy storage holder past the closing body 51 into the second working chamber 41 of the valve seat ring, provided that a second sealing surface 511 of the closing body 51 does not rest against the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42, against which the closing body 51 is pressed by means of the force of the spring holder.
Der Schließkörper 51 liegt in seiner den zweiten Arbeitsraum 41 abdichtenden Stellung wie die erste Dichtfläche 614 des Stößels 61 unmittelbar an der Dichtfläche 421 des Hochdruckventilsitzes 42 des Ventilsitzringes 4 an. In its position sealing the second working chamber 41, the closing body 51, like the first sealing surface 614 of the tappet 61, lies directly against the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42 of the valve seat ring 4.
D.h. innerhalb des Hochdruckbereiches sind keine elastischen Dichtelemente verbaut, die zu einer druckabhängigen Reibung führen und damit die Schaltzeiten der Ventile negativ beeinflussen würden. Um den Plunger 22 aus seinem oberen Totpunkt, gezeigt in Figur 1 , im ersten Arbeitsraum 21 anzutreiben, muss das Einlassventil 5 geöffnet werden. This means that within the high-pressure area, no elastic sealing elements are installed, which would lead to pressure-dependent friction and thus negatively influence the switching times of the valves. In order to drive the plunger 22 from its top dead center, shown in Figure 1, in the first working chamber 21, the inlet valve 5 must be opened.
Zur Öffnung des Einlassventils 5 wird der Stößel 61 gegen den Schließkörper 51 gedrückt und drückt den Schließkörper 51 gegen die Kraft des Energiespeichers 54 nach unten weg von der Dichtfläche 421 des Hochdruckventilsitzes 42. To open the inlet valve 5, the tappet 61 is pressed against the closing body 51 and presses the closing body 51 against the force of the energy accumulator 54 downwards away from the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42.
Das Öffnen des Einlassventils 5 erfolgt dabei durch die Bewegung des Auslassventils 6. The inlet valve 5 is opened by the movement of the outlet valve 6.
Das Öffnen und Schließen des Auslassventils 6 erfolgt wie oben beschrieben über die Ventilsteuereinheit 7, beispielhaft dargestellt in Figur 1 . The opening and closing of the outlet valve 6 takes place as described above via the valve control unit 7, shown as an example in Figure 1 .
Durch die mechanische oder geometrische Kopplung des Stößels 61 des Auslassventils 6 mit dem Schließkörper 51 des Einlassventils 5 ist es ermöglicht, dass in einer Arbeitsstellung, bei der der Plunger 22 mithilfe des in den ersten Arbeitsraum 21 zugeführten unter Hochdruck stehenden Fluids durch seine Bewegung eine Kurbelwelle antreibt, das Auslassventil 6 geschlossen und das Einlassventil 5 durch das Auslassventil 6 in eine geöffnete Stellung bewegt ist, wie es in Figur 2 dargestellt ist. The mechanical or geometric coupling of the tappet 61 of the outlet valve 6 with the closing body 51 of the inlet valve 5 makes it possible for the outlet valve 6 to be closed and the inlet valve 5 to be moved into an open position by the outlet valve 6, as shown in Figure 2, in a working position in which the plunger 22 drives a crankshaft by its movement with the aid of the high-pressure fluid supplied to the first working chamber 21.
Im unteren Totpunkt des Plungers 2 wird das Auslassventil 6 entlastet. Dabei wird, wie in Figur 3 dargestellt ist, das Auslassventil 6 geöffnet und das Einlassventil 5 geschlossen, so dass unter Niederdruck stehendes Fluid aus dem ersten Arbeitsraum 21 über den zweiten Arbeitsraum 41 und den Niederdruckanschluss 32 nach Antreiben des Plungers 22 abführbar ist. At the bottom dead center of the plunger 2, the outlet valve 6 is relieved. As shown in Figure 3, the outlet valve 6 is opened and the inlet valve 5 is closed, so that fluid under low pressure can be discharged from the first working chamber 21 via the second working chamber 41 and the low-pressure connection 32 after the plunger 22 has been driven.
Wie ein Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt, ist bei geöffnetem Auslassventil 6 die konusringförmige erste Dichtfläche 614 des Stößels 61 nicht in Anlage mit der Dichtfläche 431 des Niederdruckventilsitzes 43. As a comparison of Figures 2 and 3 shows, when the outlet valve 6 is open, the conical ring-shaped first sealing surface 614 of the tappet 61 is not in contact with the sealing surface 431 of the low-pressure valve seat 43.
Insofern ermöglicht das Absenken des Stößels 61 in z-Richtung (wie es in Figur 2 dargestellt ist) ein Verschließen des Auslassventils 6 gleichzeitig mit einem Öffnen des Einlassventils 5, bei dem der Schließkörper 51 von der Dichtfläche 421 des Hochdruckventilsitzes 42 weggedrückt ist. In this respect, the lowering of the tappet 61 in the z-direction (as shown in Figure 2) enables the outlet valve 6 to be closed simultaneously with the inlet valve 5 being opened, whereby the closing body 51 is pressed away from the sealing surface 421 of the high-pressure valve seat 42.
Weiter ist durch den beschriebenen Aufbau ermöglicht, dass innerhalb des Hochdruckbereiches keine sich bewegenden Bauteile nach außen abgedichtet werden müssen, so dass innerhalb des Hochdruckbereiches auf dynamische Dichtelemente, insbesondere in Gestalt elastischer Dichtlippen oder Labyrinthdichtungen gänzlich verzichtet werden kann. Furthermore, the described design makes it possible that no moving components need to be sealed to the outside within the high-pressure area, so that dynamic Sealing elements, particularly in the form of elastic sealing lips or labyrinth seals, can be completely dispensed with.
Das Auslassventil 6 ist dabei bevorzugt pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch ansteuerbar. The outlet valve 6 can preferably be controlled pneumatically, electrically or hydraulically.
Die oben beschriebene Antriebseinheit 1 kann in einer ersten Verwendung zur Energierückgewinnung in einem hydraulischen Prozessaufbau zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Dazu ist an den wenigstens einen Plunger 22 über die Kurbelwelle 12 ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angekoppelt. The drive unit 1 described above can be used in a first application for energy recovery in a hydraulic process structure for generating electrical energy. For this purpose, a generator for generating electrical energy is coupled to the at least one plunger 22 via the crankshaft 12.
In einer zweiten Verwendung der Antriebseinheit 1 ist über die Kurbelwelle 12 eine die auf die Kurbelwelle übertragene Drehbewegung nutzende Mechanik angekoppelt. Die die Drehbewegung nutzende Mechanik kann dabei beispielsweise eine Pumpe sein, bei der der Plunger der Pumpe an die Kurbelwelle 12 angekoppelt ist. In a second use of the drive unit 1, a mechanism that uses the rotary motion transmitted to the crankshaft is coupled via the crankshaft 12. The mechanism that uses the rotary motion can be, for example, a pump in which the plunger of the pump is coupled to the crankshaft 12.
Denkbar sind auch andere Verbraucher zur Nutzung der von der Antriebseinheit 1 erzeugten kinetischen Rotationsenergie. Other consumers for using the kinetic rotational energy generated by the drive unit 1 are also conceivable.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Antriebseinheit 1 drive unit
2 Plungeranordnung 2 Plunger arrangement
21 erster Arbeitsraum 21 first workroom
22 Plunger 22 Plungers
23 Plungergehäuse 23 Plunger housing
3 Ventilgehäuse 3 Valve housing
31 Hochdruckanschluss31 High pressure connection
32 Niederdruckanschluss32 Low pressure connection
33 Gehäusekörper 33 Housing body
34 Flansch 34 Flange
4 Ventilsitzring 4 Valve seat ring
41 zweiter Arbeitsraum41 second workroom
42 Hochdruckventilsitz42 High pressure valve seat
421 Dichtfläche 421 Sealing surface
43 Niederdruckventilsitz43 Low pressure valve seat
431 Dichtfläche 431 Sealing surface
44 Ringkörper 44 ring bodies
45 Querbohrung 45 Cross hole
5 Einlassventil 5 Inlet valve
51 Schließkörper 51 Locking body
511 zweite Dichtfläche 511 second sealing surface
52 Durchtrittsöffnung 52 Passage opening
53 Federhalter 53 pen holders
54 Energiespeicher 54 Energy storage
55 Ventilhaltekörper 55 Valve retaining body
56 Schließkörperaufnahme 56 Locking body holder
6 Auslassventil 6 Exhaust valve
61 Stößel 61 Tappet
611 Stirnfläche 611 Front face
612 erster Stößelabschnitt612 first tappet section
613 zweiter Stößelabschnitt613 second tappet section
614 ersten Dichtfläche 7 Ventilsteuereinheit614 first sealing surface 7 Valve control unit
71 Teller 71 plates
72 Flansch 73 Deckel 72 Flange 73 Cover
74 Druckfeder 74 compression spring
75 Drucklufteinlass 75 Compressed air inlet
8 Hochdruckleitung 9 Verbindungsrahmen8 High pressure line 9 Connecting frame
10 Plungerrahmen 10 plunger frames
11 Rahmen 11 frames
12 Kurbelwelle 12 Crankshaft
13 Pleuel 14 Koppelstück 13 Connecting rod 14 Coupling piece
15 Niederdruckdichtung 15 Low pressure seal

Claims

Ansprüche Antriebseinheit (1 ), aufweisend Claims Drive unit (1 ), comprising
- eine Plungeranordnung - a plunger arrangement
(2) mit einem ersten Arbeitsraum (21 ) und einem in dem ersten Arbeitsraum (21 ) axial hin und her bewegbar angeordneten Plunger (22), (2) with a first working chamber (21) and a plunger (22) arranged to be axially movable back and forth in the first working chamber (21),
- ein Ventilgehäuse (3) mit einem Hochdruckanschluss (31 ) und einem Niederdruckanschluss (32), - a valve housing (3) with a high pressure connection (31) and a low pressure connection (32),
- einen in dem Ventilgehäuse (3) angeordneten Ventilsitzring (4) mit einem fluidisch mit dem ersten Arbeitsraum (21 ) verbundenen zweiten Arbeitsraum (41 ), einem zu diesem offenen Hochdruckventilsitz (42) und einem zu diesem offenen Niederdruckventilsitz (43), - a valve seat ring (4) arranged in the valve housing (3) with a second working chamber (41) fluidically connected to the first working chamber (21), a high-pressure valve seat (42) open to this and a low-pressure valve seat (43) open to this,
- ein zwischen dem Hochdruckanschluss (31 ) und dem Ventilsitzring (4) am Hochdruckventilsitz (41 ) angeordnetes Einlassventil (5), - an inlet valve (5) arranged between the high-pressure connection (31) and the valve seat ring (4) on the high-pressure valve seat (41),
- ein zwischen dem Niederdruckanschluss (32) und dem Ventilsitzring (4) am Niederdruckventilsitz (43) angeordnetes Auslassventil (6), dadurch gekennzeichnet, dass - an outlet valve (6) arranged between the low-pressure connection (32) and the valve seat ring (4) on the low-pressure valve seat (43), characterized in that
- zumindest ein Öffnen des Einlassventils (5) über das Auslassventil (6) und ein Öffnen und Schließen des Auslassventils (6) über eine Ventilsteuereinheit (7) ansteuerbar ist, - at least one opening of the inlet valve (5) can be controlled via the outlet valve (6) and one opening and closing of the outlet valve (6) can be controlled via a valve control unit (7),
- wobei in einer Arbeitsstellung das Auslassventil (6) geschlossen und das Einlassventil (5) durch das Auslassventil (6) in eine geöffnete Stellung bewegt ist, so dass über den Hochdruckanschluss (31 ) zugeführtes, unter Hochdruck stehendes Fluid über den zweiten Arbeitsraum (41 ) dem ersten Arbeitsraum (21 ) zuführbar und in einer Nichtarbeitsstellung das Auslassventil (6) geöffnet und das Einlassventil (5) geschlossen ist, so dass unter Niederdruck stehendes Fluid aus dem ersten Arbeitsraum (21 ) über den zweiten Arbeitsraum (41 ) und den Niederdruckanschluss (32) nach Antreiben des Plungers (22) abführbar ist,- wherein in a working position the outlet valve (6) is closed and the inlet valve (5) is moved into an open position by the outlet valve (6), so that high-pressure fluid supplied via the high-pressure connection (31) can be supplied to the first working chamber (21) via the second working chamber (41), and in a non-working position the outlet valve (6) is opened and the inlet valve (5) is closed, so that low-pressure fluid can be discharged from the first working chamber (21) via the second working chamber (41) and the low-pressure connection (32) after driving the plunger (22),
- wobei der mindestens eine Plunger (22) an einen Verbraucher ankoppelbar ist. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6) einen in den zweiten Arbeitsraum (41 ) vorstehenden Stößel (61 ) mit einer ersten Dichtfläche (614) aufweist, die in der Schließstellung des Stößels (61 ) an einer Dichtfläche (431 ) des Niederdruckventilsitzes (43) anliegt und das Einlassventil (5) einen Schließkörper (51 ) mit einer zweiten Dichtfläche (511 ) aufweist, die in der Schließstellung des Schließkörpers (51 ) an einer Dichtfläche (421 ) des Hochdruckventilsitzes (42) anliegt, wobei der Stößel (61 ) bei Bewegung aus einer Öffnungsstel- lung in die Schließstellung den Schließkörper (51 ) aus der Schließstellung in seine Öffnungsstellung schiebt. - wherein the at least one plunger (22) can be coupled to a consumer. Drive unit (1) according to claim 1, characterized in that the outlet valve (6) has a tappet (61) protruding into the second working chamber (41) with a first sealing surface (614) which, in the closed position of the tappet (61), rests against a sealing surface (431) of the low-pressure valve seat (43), and the inlet valve (5) has a closing body (51) with a second sealing surface (511) which, in the closed position of the closing body (51), rests against a sealing surface (421) of the high-pressure valve seat. (42), wherein the plunger (61) pushes the closing body (51) from the closed position into its open position when moving from an open position into the closed position.
3. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schließstellung des Auslassventils (6) die erste Dichtfläche (614) des Stößels (61 ) die Dichtfläche (431 ) des Niederdruckventilsitzes (43) berührt und in der Schließstellung des Einlassventils (5) der Schließkörper (51 ) die Dichtfläche (421 ) des Hochdruckventilsitzes (42) berührt. 3. Drive unit (1) according to claim 2, characterized in that in the closed position of the outlet valve (6) the first sealing surface (614) of the tappet (61) touches the sealing surface (431) of the low-pressure valve seat (43) and in the closed position of the inlet valve (5) the closing body (51) touches the sealing surface (421) of the high-pressure valve seat (42).
4. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche (614) als konusförmige Ringfläche ausgebildet ist, die einen sich durch den zweiten Arbeitsraum (41 ) des Ventilsitzrings (4) erstreckenden ersten zylinderförmigen Stößelabschnitt (612) mit einem sich in Richtung des Niederdruckanschlusses (32) erstreckenden zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt (613) verbindet. 4. Drive unit (1) according to claim 3, characterized in that the first sealing surface (614) is designed as a conical annular surface which connects a first cylindrical tappet section (612) extending through the second working space (41) of the valve seat ring (4) with a second cylindrical tappet section (613) extending in the direction of the low-pressure connection (32).
5. Antriebseinheit (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (61 ) ausschließlich im Bereich eines sich von dem zweiten zylinderförmigen Stößelabschnitt (613) weg von dem Ventilsitzring (4) erstreckenden Teilstücks des Stößels (61 ) in einem Niederdruckabschnitt eines Gehäusekörpers (33) des Ventilgehäuses (3) oder in einer im Gehäusekörper (33) angeordneten Führungsbuchse geführt und in diesem Bereich durch eine elastisch verformbare oder als Labyrinthdichtung ausgebildeten Niederdruckdichtung (15) abgedichtet ist. 5. Drive unit (1) according to claim 4, characterized in that the tappet (61) is guided exclusively in the region of a portion of the tappet (61) extending from the second cylindrical tappet section (613) away from the valve seat ring (4) in a low-pressure section of a housing body (33) of the valve housing (3) or in a guide bush arranged in the housing body (33) and is sealed in this region by a low-pressure seal (15) which is elastically deformable or designed as a labyrinth seal.
6. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (5) einen den Schließkörper (51 ) in seine Schließstellung drückenden Energiespeicher (54), insbesondere in Gestalt einer Druckfeder, aufweist. 6. Drive unit (1) according to one of claims 2 to 5, characterized in that the inlet valve (5) has an energy storage device (54), in particular in the form of a compression spring, which presses the closing body (51) into its closed position.
7. Antriebseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (51 ) als kugel-, kegel- oder zylinderförmig ausgebildet ist. 7. Drive unit (1) according to one of claims 2 to 6, characterized in that the closing body (51) is designed as spherical, conical or cylindrical.
8. Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (6) pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch ansteuerbar ist. Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinheit (7) mit einem Positionssensor gekoppelt ist, der die Position der Drehstellung einer mit dem Plunger (22) gekoppelten Antriebswelle oder des Plungers (22) im ersten Arbeitsraum (21 ) bereitstellt. Antriebseinheit (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei, vorzugsweise fünf Plungeranordnungen (2) vorgesehen sind, mit jeweils einem Plunger (22), wobei jedem der Plunger ein Einlassventil (5) und ein Auslassventil (6) zugeordnet ist. Verwendung einer Antriebseinheit (1 ) zur Energierückgewinnung in einem hydraulischen Prozessaufbau, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1 ) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Antriebseinheit (1 ) derart mit dem Prozessaufbau gekoppelt ist, dass der Plunger (22) über eine Kurbelwelle (12) an einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie oder über eine Kurbelwelle (12) an eine die auf die Kurbelwelle übertragene Drehbewegung nutzende Mechanik angekoppelt ist. 8. Drive unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet valve (6) can be controlled pneumatically, electrically or hydraulically. Drive unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the valve control unit (7) is coupled to a position sensor which provides the position of the rotational position of a drive shaft coupled to the plunger (22) or of the plunger (22) in the first working chamber (21). Drive unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least three, preferably five plunger arrangements (2) are provided, each with a plunger (22), each of the plungers being assigned an inlet valve (5) and an outlet valve (6). Use of a drive unit (1) for energy recovery in a hydraulic process structure, characterized in that the drive unit (1) is designed according to one of the preceding claims, wherein the drive unit (1) is coupled to the process structure in such a way that the plunger (22) is coupled via a crankshaft (12) to a generator for generating electrical energy or via a crankshaft (12) to a mechanism using the rotary movement transmitted to the crankshaft.
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