Es ist ein pneumo-hydraulischer Wandler mit hin- und hergehenden Doppelkolben bekannt. der mit bestmöglichem Wirkungsgrad einen Druckluftspeicher mit einem Hydraulikkreislauf verbindet, derart, daß Energie in den Speicher fließen kann (Laden) oder aus dem Speicher entnommen werden kann (Entladen).
Die guten Wirkungsgrade der isothermen Vorgänge werden in dem genannten System dadurch angestrebt, daß die Arbeitsräume (Kolbenräume) bei jedem Hub durch das Arbeitsmedium Öl temperaturmäßig stabilisiert werden; dies bedingt relativ langsame Vorgänge, da die begrenzte Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Zylinder-Mantelfläche auf die Luft während des Arbeitshubes die Temperaturschwankungen bei erhöhter Taktfrequenz nicht ausgleichen kann; die Folge sind große Baueinheiten im Verhältnis zu der bewältigten Leistung.
Die US-A 2,751,144 zeigt einen Kompressor, d. h. eine Vorrichtung, mit der hydraulische Arbeit in pneumatische Arbeit umgewandelt werden kann. Mit dieser Vorrichtung wird das Gas während des Arbeitshubes des Kolbens komprimiert, wobei im Außenbereich des Zylinders eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Dadurch ist zwar eine Kühlung möglich, um den Kompressor insgesamt vor Überhitzung zu schützen, aber es ist nicht möglich, während der Verdichtung eine nennenswerte Wärmemenge ohne Wärme zu- oder abzuführen. Daher wird sich das Gas während des Arbeitshubes des Kolbens erwärmen. Die erforderliche Kompressionsarbeit steigt jedoch mit der Temperatur des Gases, so daß der Wirkungsgrad eines solchen Verdichters gering ist. Optimal in dieser Hinsicht ist eine isotherme Verdichtung, die es jedoch erforderlich macht, während des Arbeitshubes laufend Wärme abzuführen. Dies ist jedoch bei technisch brauchbaren Arbeitsgeschwindigkeiten bisher nicht in ausreichender Weise möglich gewesen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen guten Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Taktfrequenz zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale erreicht. wonach rohrförmige Wärmetauscher einige der Arbeitsräume des Wandlers durchdringen, wobei ein äußerer Kreislauf die Tauschflüssigkeit annähernd auf Umgebungstemperatur hält.
Dieser Wärmetauscher kann entweder mit dem hin- und hergehenden Kolbensatz mitlaufen oder fest bleiben. Da jedoch der mitlaufende Wärmetauscher ungefähr ein Drittel weniger Gleitdichtungen erfordert und außerdem das rohrförmige Bündel die Knick- und Beulfestigkeit des Kolbensatzes wesentlich erhöht, wird sich die Beschreibung auf die Darstellung des Wandlers mit mitlaufendem Wärmetauscher beschränken: die erwünschte Erhöhung der Taktfrequenz zwingt nämlich zu einer radikal totraumreduzierenden Arbeitsraumanordnung. die hohe Knickkräfte verursacht, was die Knickfestigkeit zu einem außerordentlich wichtigen konstruktiven Faktor macht, der auch in der Anordnung der Ventile mitberücksichtigt werden muß.
Da der Wandler sowohl als Kompressor wie auch als Entspanner arbeiten soll, müssen die Ventilsätze jeder Seite - bestehend jeweils aus Hochdruckventil, Austauschventil und Niederdruckventil - zwangsgesteuert werden, wobei unter gewissen Bedingungen Austausch- und Niederdruckventil in ihrer Bewegung gepaart werden können. Die Ausgestaltung dieser Ventile muß ebenso die topologischen Anforderungen des Wärmetauschers, wie auch das Imperativ minimalster Toträume erfüllen; die Lösung dieser Aufgaben und die Funktionsweise der Erfindung werden mit Hilfe von Zeichnungen erklärt, wobei
Der Wandler in seiner Hochdruckausführung besteht aus drei ungefähr gleich langen koaxialen Zylinderrohrstücken, wobei das Vordruckrohr 1, das den Vordruckkolben 2 umschließt, einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist, als die zwei gegenüber dem Vordruckrohr 1 symmetrisch angeordneten Hochdruckkammerrohre 3a, 3b, die die ebenfalls längssymmetrischen Hochdruckkolben 4a, 4b beinhalten. Da ebenso die bewegten Teile wie auch die feststehenden Teile spiegelsymmetrisch in Bezug auf deren Längsmitte sind, ist das Vordruckrohr 1 sinngemäß über Ventilflansche 5a, 5b mit den zwei eingeschraubten Hochdruckkammerrohren 3a, 3b verbunden, die jeweils durch mittels Schraubkappen 6a, 6b befestigten Anschlußdeckel 7a, 7b abgeschlossen werden. Axial in den Zylinderrohrstücken gleitend befindet sich ein Satz von drei Kolben, die durch die Rohrstange 8 mechanisch fest verbunden sind und somit 2 x 3 Arbeitsräume definieren, und zwar zwischen den Anschlußdeckeln 7a, 7b und den Hochdruckkolben 4a, 4b, die Ölräume 9a, 9b, zwischen den Hochdruckkolben 4a, 4b und den Ventilflanschen 5a, 5b, die Luft-Hochdruckräume 10a, 10b und zwischen den Ventilflanschen 5a, 5b und dem Vordruckkolben 2 die Luft-Vordruckräume 11a, 11b. Die Luft-Hochdruckräume 10a, 10b sind mit den Luft-Vordruckräumen 11a, 11b über die Austauschventile 12a, 12b verbunden, die Außenwelt kommuniziert mit den Vordruckräumen 11a, 11b über die Niederdruckventile 13a, 13b und der Luftspeicher 14 kann die Luft-Hochdruckräume 10a, 10b über die Hochdruckventile 15a, 15b beaufschlagen, die vom Luftspeicher 14 durch die Zuleitungen 16a, 16b über die Anschlüsse 17a, 17b versorgt werden.
Eine Ausgestaltungsmöglichkeit der Vorsteuerung mittels hydraulischer Beaufschlagung ist in der Fig. 1 an den Hochdruckventilen 15a, 15b dargestellt, wobei die Druckräume 18a, 18b jeweils von den an eine Druckquelle 19 angeschlossenen elektrischen 2-Wege-Vorsteuerventilen 20a, 20b entweder gelüftet oder beaufschlagt werden, wodurch die Ventilkolben 21a, 21b bewegt werden, die über die Stangen 22a, 22b mit Muttern 23a, 23b mit den Hochdruckventilen 15a, 15b verbunden sind. Ähnliche Vorrichtungen können auch für die Austauschventile 12a, 12b und die Niederdruckventile 13a, 13b vorgesehen werden, wobei hier lediglich deren Betätigungsstangen 24a, 24b und 25a, 25b dargestellt sind.
Zum besseren Verständnis ist, beginnend an den Ölanschlüssen 26a, 26b, eine Beschaltungsmöglichkeit des Wandlers dargestellt, mit Zuleitungen 27a, 27b zu einem 4-Wege-Ventil 28, das eine variable hydrostatische Einheit 29 mit Schwungrad 30 und Elektro-Motor/Generator 31 beaufschlagt. Der Tauscherkreislauf beginnt mit der Speisepumpe 32, die die Tauschflüssigkeit durch den externen Tauscher 33 über den Anschluß 34b im Anschlußdeckel 7b und über das Speiserohr 35b in die Rohrstange 8 einführt. Da diese Rohrstange 8 in der Ebene des Vordruckkolbens 2 durch einen konischen Stopfen 36 verschlossen ist, wird die Tauschflüssigkeit durch den Ringraum zwischen Speiserohr 35b und Rohrstange 8 zum Hochdruckkolben zurückgedrückt, in welchem über Radialbohrungen 37b die Tauscher-Bündelrohre 38 gespeist werden, also auch der Hochdruckkolben 4a - über dessen Radialbohrungen 37a wiederum die Rohrstange 8 erreicht wird; der Kreislauf zurück zur Speisepumpe 32 wird über das Speiserohr 35a und den Anschluß 34a geschlossen.
Wie die Hochdruckkolben-Gleitdichtungen 39a, 39b und die Austauschventil-Gleitdichtungen 40a, 40b werden auch die Tauscherdichtungen 41a, 41b und 42a, 42b durch die ganze Kolbenbewegung hindurch mit voller Druckdifferenz belastet. Dies ist die eigentliche technologische Herausforderung des Konzeptes, insbesondere wenn die Rohrbündelausgestaltung zwecks Erhöhung der Knickfestigkeit und der Wärmeübertragung eine Bündelrohrüberbrückung 43, wie in Fig. 3, vorsieht. Lediglich die Gleitdichtung 44 des Vordruckkolbens 2 wird von den hohen Drücken verschont, da sie nur dem Vordruck ausgesetzt wird. Die restlichen nicht näher bezeichneten Dichtungen werden nur statisch oder kurzhubig beansprucht.
Die Funktionsweise des Wandlers soll nun in einem Zyklus der Entspannung (Entladung) erläutert werden, dem die dargestellte Stellung der Ventile entspricht, wobei sich der Kolbensatz gegen rechts bewegt. In dem zeichnerisch festgehaltenen Augenblick wird durch das offene Luft-Hochdruckventil 15b der Luft-Hochdruckraum 10b mit dem Luftspeicher 14 direkt verbunden. Die Druckkraft wird sinngemäß im Ölraum 9b aufgenommen und durch die Ölsäule in der Leitung 27b über das 4-Wege-Ventil 28 auf die Druckseite motorisch wirkenden hydrostatischen Einheit 29 übertragen, die folglich das Schwungrad 30 und den Generator 31 antreibt. Durch besagte Bewegung nach rechts wird außerdem mittels Vordruckkolbens 2 entspannte Luft im Raum 11b über das offene Niederdruckventil 13b in die Umwelt verdrängt und gleichzeitig die aus der vorhergehenden Bewegung im Luft-Hochdruckraum 10a unter Vordruck verbliebene Luft über das offene Austauschventil 12a durch den sich erweiternden Vordruckraum 11a auf Auslaßdruck gebracht. Durch dieselbe Bewegung wird das aus der hydrostatischen Einheit austretende Öl in den Ölraum 9a gesaugt. Die durch das Polster im Ölraum 9b aufgenommene Kraft entsteht also nicht nur durch die Hochdruckbeaufschlagung im Luft-Hochdruckraum 10b, es addiert sich hierzu auch der durch den Vordruck an der großen Fläche des Vordruckkolbens 2 entstehende Schub, der über die Rohrstange 8 und die Rohre 38 des Tauscherbündels übertragen wird. Hier lauert die Knickgefahr! An einer mittels Rechner zu ermittelnder Stelle dieses Rechtshubes muß nun das Hochdruckventil 15b geschlossen werden, damit die Entspannung dieses hierdurch definierten Volumens am Ende des Hubes genau den Vordruck ergibt, der nach der Hubumkehr durch das Verschieben des Inhalts des Lufthochruckraumes 10b in den Vordruckraum 11b durch Expansion den Auslaßdruck erreicht. Im Augenblick der Hubumkehr müssen also zusammen mit der Umschaltung von 28 auch 15a, 13a und 12b geöffnet und 12a und 13b geschlossen werden (wobei 13b ja schon durch den auflaufenden Vordruckkolben 2 in die Schließstellung gedrückt wird). Diese Umschaltung kann durch einen Näherungsschalter ausgelöst werden.
Abschließend soll unterstrichen werden, daß die dargestellte topologische Ausgestaltung Teil der Erfindung ist und besonders gut zu dem beschriebenen, sich immer wiederholenden thermodynamischen Vorgang paßt, zumal durch die gewählte Druckraum- und Tauscheranordnung die totraumfreie Wechselventilbauart möglich wird, mit der das Konzept einer Wandlung mit höchsten Wirkungsgraden steht und fällt.
Es soll schließlich darauf hingewiesen werden, daß innerhalb eines Hubes der aus diesem Wandler austretende Öldruck pro Hub in einem Verhältnis von ungefähr 1:30 schwankt (bei 200 bar im Luftspeicher 14), was dessen direkte Anwendung in vielen Fällen problematisch macht, da die hydrostatischen Einheiten über einen Verdrängervolumen-Regelbereich von höchstens 1:10 verfügen. Soll also der Wandler eine konstante Leistung bewältigen, empfiehlt sich der Weg über ein Schwungrad, das einen weiten Taktfrequenzbereich überbrücken kann, wobei die hydrostatische Einheit lediglich den effektiven Laständerungen zu folgen hat.
Arbeitet der Wandler ausschließlich als Kompressor entfällt die Zwangssteuerung der Ventile, es muß lediglich das 4-Wege-Umschaltventil 28 entweder selbsttätig (durch die Druckspitze beim Anschlag) oder mittels Näherungsschalter mit dem Wandlerhub synchronisiert werden. Auch kann bei einfachen Verdichtungsaufgaben (z. B. für Kühlkreisläufe) der Kompressor ohne Vordruckzylinder ausgeführt werden. Der Rohrbündel-Wärmetauscher kann hierbei wahlweise feststehend oder mitlaufend sein, da keine Knickkräfte entstehen.