DE212005000082U1

DE212005000082U1 - Fluidmaschine oder Pumpe und Installation mit einer Fluidmaschine oder Pumpe

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Publication number: DE212005000082U1
Application number: DE212005000082U
Authority: DE
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: WO2007016943A1

Abstract

Vorrichtung, die zur Zusammenarbeit mit wenigstens einem Fluid geeignet ist, wobei die Vorrichtung aufweist:
– Einen Zylinder (4);
– einen innerhalb des Zylinders (4) angeordneten Kolben;
– wobei der Zylinder (4) und der Kolben (3) relativ zueinander in deren axialer Richtung bewegbar sind;
– wobei eine axiale Länge einer Fluidkammer (18) zwischen einem axialen Ende (4A) des Zylinders (4) und einem gegenüberliegenden axialen Ende (3A) des Kolbens (3) von einer Hublänge (1, 2) zwischen dem Zylinder (4) und dem Kolben (3) abhängt;
– wobei die Hublänge (1, 2) in eine erste Hublänge (1) und eine über die erste Hublänge (1) hinausgehende zweite Hublänge (2) unterteilt ist;
– wobei die Vorrichtung (10, 11, 12) eine erste Betriebsart, in welcher der Kolben (3) für eine Bewegung innerhalb der ersten Hublänge (1) gesteuert wird, und eine zweite Betriebsart, in welcher der Kolben (3) für eine Bewegung in...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, mit wenigstens einem Fluid zusammenzuwirken, und die Funktion beispielsweise einer Verdrängungsmaschine wie einer Fluidmaschine oder einer Pumpe hat. Die Vorrichtung besitzt einen Zylinder und einen innerhalb des Zylinders angeordneten Kolben. Der Kolben ist relativ zum Zylinder in dessen axialer Richtung bewegbar. Eine axiale Länge einer Fluidkammer ist zwischen einem axialen Ende des Zylinders und einem gegenüberliegenden axialen Ende des Kolbens definiert und hängt von einer Hublänge zwischen dem Zylinder und dem Kolben ab. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Installation mit einer solchen Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Installation.
Solche Vorrichtungen sind im Stand der Technik wohlbekannt. Fluidinstallationen mit solchen bekannten Vorrichtungen benötigen im Allgemeinen komplexe Anordnungen oder eine aufwändige Änderung der Leitungsverbindungen im Fall einer Änderung des Fluidflusses, beispielsweise einer Änderung der Flussrichtung, wenn dies erwünscht ist. Beispielsweise sind solche Flussänderungen erforderlich für Reinigungs- oder Wartungsarbeiten an den Vorrichtungen und Installationen, die für ein Zusammenwirken mit wenigstens einem Fluid ausgelegt sind.
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung, Fluidinstallation und Methode zum Betreiben einer Fluidinstallation, wobei weniger komplexe, vereinfachte Installationen ermöglicht werden.
Diese Aufgabe und weitere Aufgaben, die nachfolgend deutlich werden, werden erfindungsgemäß erreicht durch Verfügbarmachung einer Vorrichtung der oben erwähnten Konstruktion, deren Hublänge unterteilt ist in eine erste Hublänge, die ei ner ersten Betriebsart der Vorrichtung zugeordnet ist, und eine zweite Hublänge, die größer ist als die erste Hublänge und einer zweiten Betriebsart der Vorrichtung zugeordnet ist, wobei der Zylinder der Vorrichtung wenigstens eine radiale Öffnung zur Verbindung mit einer ersten Fluidleitung aufweist. Die radiale Öffnung befindet sich an einer solchen axialen Position längs des Zylinders, dass, gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die radiale Öffnung außerhalb der Fluidkammer liegt, sodass sie von dem Kolben blockiert wird, wenn die Vorrichtung in der ersten Betriebsart betrieben wird, und von dem Kolben nicht blockiert wird, wenn die Vorrichtung in der zweiten Betriebsart (Verbindung) betrieben wird und/oder gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die radiale Öffnung sich innerhalb der Fluidkammer befindet, sodass sie von dem Kolben nicht blockiert wird, wenn die Vorrichtung in der ersten Betriebsart betrieben wird, und von dem Kolben blockiert wird, wenn die Vorrichtung in der zweiten Betriebsart (Abkopplung oder Trennung) betrieben wird.
Die erste Betriebsart und die erste Hublänge werden hier auch Hauptbetriebsart und Haupthublänge genannt, da bei den meisten Ausführungsformen die Hauptfunktion der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung innerhalb der ersten Hublänge ausgeübt wird. Des Weiteren werden die zweite Betriebsart und die zweite Hublänge auch sekundäre Betriebsart und sekundäre Hublänge genannt, da bei den meisten Ausführungsformen die Fluidverbindungs- oder -Trennfunktion die sekundären Funktionen sind, die innerhalb der zweiten Hublänge der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Somit stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zwei separate Funktionen bereit, und zwar durch Trennen der gesamten Hublänge in eine Haupthublänge, die bei der Hauptbetriebsart verwendet wird, und eine Sekundärhublänge, die bei dem Sekundärbetrieb der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei welchen der Zylinder mit wenigstens einem Paar radialer Öffnungen versehen ist, die von dem Kolben gleichzeitig blockiert und nicht blockiert werden und je für die Kopplung mit einer entsprechenden Leitung vorgesehen sind, kann die Vorrichtung verwendet werden, um die Leitungen zu verbinden (erster Aspekt der Erfindung) oder zu trennen (zweiter Aspekt der Erfindung), wenn ein Betrieb in der zweiten Betriebsart vorliegt. Beide radialen Öffnungen des Paares befinden sich an vorbestimmten axia len Positionen des Zylinders und sind dafür ausgelegt, den Fluss wenigstens eines Fluids zu steuern. Eine der Öffnungen ist vorgesehen, um als ein Fluideinlass zu wirken, und eine der Öffnungen ist vorgesehen, um als ein Fluidauslass zu dienen.
Neben ihrer Hauptfunktion, welche die Funktion einer Kolbenmaschine mit Energieübertragung oder die Funktion eines Kolben-geführten Ventils ohne Energieübertragung sein kann, hat die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine zweite Funktion als ein "Fluidverbinder" bzw. ein "Fluidseparator". Zum Durchführen der zweiten Funktion muss der Kolben wenigstens vorübergehend in der zweiten Hublänge verbleiben. Die Hauptfunktion kann unabhängig von der zweiten Funktion gestaltet werden. Dadurch können Fluidinstallationen erreicht werden mit erhöhter Kompaktheit, reduzierter Zahl der erforderlichen Teile, verbesserter Betriebssicherheit, verbesserter Dichtheit und vereinfachter Steuerung.
Bei herkömmlichen Fluidinstallationen werden herkömmliche Schaltventile gewöhnlich als separate Vorrichtungen verwendet, welche eine separate Steuerung benötigen, mechanisch bewegliche Teile aufweisen, sodass sie Abnutzung unterliegen, magnetisch gesteuert werden mit dem Risiko des Blasens der magnetischen Steuerungen und des Verschmelzens beteiligter elektrischer Kontakte, und sie können undicht werden. Solche Probleme werden durch Verwendung von Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung und durch Verwendung deren sekundärer Funktion als ein Fluidverbinder oder ein Fluidseparator überwunden.
Die Kolbenmaschine kann beispielsweise ein Kompressor, eine Pumpe oder ein Expander oder eine Kombination davon sein. Es kann sich um eine elektromagnetische lineare Betätigung oder Ausgabe ohne Verwendung einer Kurbelwelle handeln oder um eine Betätigung oder eine Ausgabe mittels eines mit einer Kurbelwelle kombinierten Schrittmotors.
Das Kolben-gesteuerte Ventil kann beispielsweise ein Nadelventil, ein Kugelventil oder ein Flachsitzventil mit einer linearen Kennlinie oder einer Kennlinie mit gleichem Prozentsatz sein. Das Ventil kann in einer kontinuierlichen Betriebsart oder in einer Offen/Geschlossen-Betriebsart betrieben werden. Die lineare Betätigung kann eine elektromagnetische, pneumatische, hydraulische oder thermische Betätigung sein.
Im Fall einer elektrischen linearen Betätigung wird der Kolben in der Hauptbetriebsart innerhalb der Haupthublänge mittels eines elektrischen Stroms bewegt, der ein oszillierender Strom mit variabler Amplitude sein kann. Zur Bewegung des Kolbens in die zweite Hublänge in der zweiten Betriebsart und zum Halten des Kolbens in der zweiten Hublänge wird der linearen Steuervorrichtung ein elektrischer Strom mit einer geeigneten Amplitude und Richtung zugeführt. Als Alternative kann ein axial angeordneter zusätzlicher Elektromagnet zum Bewegen des Kolbens in die zweite Hublänge aktiviert werden.
Im Hinblick auf ihre Haupt- und Sekundärfunktionen schafft eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung neue Möglichkeiten der Konstruktion von Fluidinstallationen mit Fluidverbindungen und Fluidtrennungen mit weniger Komplexität als beim Stand der Technik und der Schaffung neuer Fluidanordnungen, wie aus den nachfolgend erläuterten Beispielen noch deutlicher wird.
Gemäß einer Ausführungsform besitzt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner wenigstens ein Ventil, das ausgestaltet ist, als ein Fluideinlass in die Fluidkammer zu wirken, wenn es sich in einer offenen Position befindet, und wenigstens ein Ventil, das ausgestaltet ist, um als ein Fluidauslass aus der Fluidkammer zu dienen, wenn es sich in einer offenen Position befindet. Diese Ventile sind gestaltet wie bekannte Fluidventile, die beispielsweise in regulären Verdrängungsmaschinen mit einem Kolben und einem Zylinder verwendet werden.
Der Kolben und der Zylinder einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht beschränkt auf Zylinder und Kolben mit kreisförmigen Querschnitten, sondern können andere Querschnitte haben, wie ovale, elliptische oder rechteckige Querschnitte.
Gemäß einer Ausführungsform besitzt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung außerdem wenigstens ein Ventil, das mit der Bewegung des Kolbens und/oder Zylinders in deren axialer Richtung zusammenarbeitet.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Ventil mit einer Ventilnadel, die zur Zusammenarbeit mit der Bewegung des Kolbens ausgebildet ist, auf. Dieses wenigstens eine Ventil kann beispielsweise ein Ventil sein, das durch die Bewegung des Kolbens getrieben und gesteuert wird. Dies ist ein effektiver Weg, um ein Ventil zu steuern, ohne weitere Elemente zu benötigen, wie sie beispielsweise ein Standardmagnetventil benötigen würde. Dass weniger Elemente benötigt werden, speziell weniger mechanische Elemente, ist ein Vorteil für Konstruktion, Kosteneffektivität und Wartung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Ventil mit einem Ventilsitz, der für ein Zusammenwirken mit der Bewegung des Zylinders ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Zylinder wenigstens zwei radiale Öffnungen an vorbestimmten axialen Positionen des Zylinders, welche zur Steuerung des Flusses wenigstens eines Fluids ausgebildet sind, wobei eine Öffnung für die Funktion als ein Fluideinlass und eine Öffnung für die Funktion als ein Fluidauslass ausgebildet ist.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Zylinder ein Paar radiale Öffnungen aufweist, die als ein Einlass bzw. Auslass zusammenwirken, die nicht diametral einander gegenüberliegend angeordnet sind und/oder die wesentlich unterschiedlichen Drücken ausgesetzt sind, kann eine asymmetrische Belastung des Kolbens auftreten. Um eine solche asymmetrische Belastung zu überwinden, sind eine zusätzliche radiale Einlassöffnung und eine zusätzliche radiale Auslassöffnung vorgesehen und zwar je an einer Umfangsstelle des Kolbens, die der Haupt-Radialeinlassöffnung bzw. der Haupt-Radialauslassöffnung diametral entgegengesetzt ist. Die Haupt-Radialeinlassöffnung und die zusätzliche radiale Einlassöffnung sind miteinander mittels einer Einlassbypassleitung verbunden. Die radiale Auslassöffnung und die zusätzliche radiale Auslassöffnung sind miteinander mittels einer Auslassbypassleitung verbunden. Beide Bypassleitungen sind außerhalb des Zylinders angeordnet. Mit einer solchen Modifikation wird der Kolben im Hinblick auf die Druckdifferenzen des Fluids zwischen der Haupt-Radialeinlassöffnung und der Haupt-Radialauslassöffnung symmetrisch belastet.
Wenn zwei oder mehr Paare von zusammenarbeitenden radialen Öffnungen vorhanden sind, die eine asymmetrische Last auf den Kolben ausüben, können zusätzliche radiale Öffnungen und Bypassleitungen für jedes dieser Paare radialer Öffnungen vorgesehen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Installation mit wenigstens einer ersten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und wenigstens einer zweiten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die zum Zusammenwirken miteinander ausgebildet sind. Es gibt eine Vielfalt von Beispielen für Vorrichtungen, die als Sekundärvorrichtungen verwendet werden können: Behälter, Verdampfer, Wärmetauscher, Maschinen, Pumpen, Kompressoren, Filter und dergleichen. Es ist auch eine große Vielfalt von Fluidanordnungen möglich, welche bestimmte Anforderungen erfüllen, beispielsweise Heiz- und Kühlungsgerätschaft aller Arten, Kühlvorrichtungen, Fluidkreisläufe, Pumpenstationen, Druckluftversorgungsinstallationen und dergleichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidinstallation des obigen Typs mit wenigstens einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Bewegen des Zylinders und des Kolbens der Vorrichtung relativ zueinander mittels einer externen Kraft in einer ersten oder einer zweiten Betriebsart;
b. in der ersten Betriebsart:
c. Einsaugen einer bestimmten Menge wenigstens eines Fluids, das von einer Fluidquelle in die Fluidkammer der Vorrichtung geliefert wird, wobei das Einsaugen bewirkt wird durch die Bewegung des Zylinders und des Kolbens relativ zueinander in einer ersten axialen Richtung entlang einer Haupthublänge;
d. Auslassen einer bestimmten Menge des wenigstens einen Fluids aus der Fluidkammer in eine Fluidaufnahmevorrichtung, wobei das Auslassen durch die Bewegung des Zylinders und des Kolbens relativ zueinander in einer zweiten axialen Richtung entlang der Haupthublänge bewirkt wird; und
e. Blockieren bzw. Nicht-Blockieren der wenigstens einen radialen Öffnung entsprechend der axialen Position des Kolbens;
f. in der zweiten Betriebsart:
g. Bewegen des Zylinders und des Kolbens relativ zueinander in einer ersten axialen Richtung entlang einer sekundären Hublänge, die über die Haupthublänge hinausreicht, in eine relative Position zueinander, in wel cher der Kolben die wenigstens eine radiale Öffnung blockiert bzw. nicht blockiert, um Fluidleitungen, welche mit der wenigstens einen radialen Öffnung gekoppelt sind, zu verbinden oder zu trennen;
h. die sekundäre Betriebsart wird solange aufrechterhalten, wie das Verbinden bzw. Trennen erwünscht ist;
i. die sekundäre Betriebsart wird beendet durch Rückkehr in die erste Betriebsart durch Bewegen des Zylinders und des Kolbens relativ zueinander in einer zweiten axialen Richtung entlang der sekundären Hublänge, um wieder zur Haupthublänge zurückzukehren.

Das Verfahren kann verwendet werden, um eine große Vielfalt von Fluidanordnungen zu betreiben, beispielsweise Heiz- und Kühlgerätschaft aller Arten, Kühlvorrichtungen, Fluidkreisläufe, Pumpenstationen, Pressluftversorgungsinstallationen und dergleichen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In diesen zeigen:
1 Eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Fluidverbindungsfunktion, wenn sie sich in der Sekundärbetriebsart (Verbinder) befindet.
2 Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Fluidtrennfunktion in der Sekundärbetriebsart (Separator).
3 Eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Ventil, das durch die Bewegung des Kolbens betrieben wird.
4 Eine Ausführungsform einer Vorrichtung der Erfindung mit zwei Paaren radialer Öffnungen des Zylinders, wobei die zwei radialen Öffnungen eines jeden Paares über eine entsprechende Bypassleitung miteinander verbunden sind.
5 Eine Vielfalt von Vorrichtungen gemäß der Erfindung mit verschiedenen Funktionalitätskombinationen.
6 Ein erstes Beispiel einer Fluidinstallation gemäß der Erfindung mit einem ersten und einem zweiten Kompressor.
7 Ein zweites Beispiel einer Fluidinstallation gemäß der Erfindung mit einer Pumpe mit Verbinderfunktionalität, einem Aktuator und einem Behälter.
8 Ein drittes Beispiel einer Fluidinstallation gemäß der Erfindung mit zwei Pumpen mit Verbinderfunktionalität und einem doppelt wirkenden Aktuator.
9 Ein viertes Beispiel einer Fluidinstallation der Erfindung mit einem Kompressor mit einer Verbinder- und einer Separatorfunktionalität, einem Filter und zwei Behältern.
10 Ein fünftes Beispiel einer Fluidinstallation mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, aufweisend ein Ventil, das durch die Bewegung eines Kolbens bewegt und gesteuert wird und eine Verbinderfunktionalität aufweist, einen Wärmetauscher und einen Kompressor mit Verbinderfunktionalität.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Kolben 3, der beweglich innerhalb eines Zylinders 4 angeordnet ist. Eine Fluidkammer 18 ist zwischen einem axialen Ende 4A des Zylinders 4 und einem gegenüberliegenden axialen Ende 3A des Kolbens 3 gebildet. Der Kolben 3 kann sich entlang einer Haupthublänge 1 bewegen, wenn er sich in einer Hauptbetriebsart befindet, und entlang einer zweiten Hublänge 2, welche über die Haupthublange 1 hinausgeht, wenn er sich in einer Sekundärbetriebsart befindet. In der Hauptbetriebsart gelangt das Fluid über ein Ventil A in die Fluidkammer 18 und tritt das Fluid über ein Ventil B aus der Kammer aus. Der Zylinder 4 hat zwei diametral entgegengesetzte radiale Öffnungen 5, die sich, bei der Ausführungsform der 1, je an einer solchen axialen Position längs des Zylinders 4 befinden, dass die radialen Öffnungen 5 vom Kolben 3 solange blockiert werden, wie der Kolben 3 lediglich in der Hauptbetriebsart entlang der Haupthublänge 1 bewegt wird, werden aber nicht blockiert, solange der Kolben 3 in eine axiale Position bewegt wird, in welcher der Kolben 3 sich in der zweiten Hublänge 2 befindet, welche über die Arbeitshublänge 1 hinausgeht.
Während des Betriebs in der Hauptbetriebsart und entlang des ersten Haupthubes 1 bewegt sich das axiale Ende des Kolbens 3, welches dem axialen Ende 4a des Zylinders 4 gegenüberliegt, zwischen den in 1 als 3A (durchgezogene Linie) und 3A' (grob gestrichelte Linie) gezeigten axialen Positionen. Wenn sich der Kolben in der zweiten Betriebsart befindet, sodass die radialen Öffnungen 5 nicht blockiert sind, befindet sich das axiale Ende des Kolbens 3 in einer axialen Position 3A'' (fein gestrichelte Linie). Es ist also möglich, die zweite Betriebsart nicht nur für ein vollständiges Blockieren und für ein vollständiges Nicht-Blockieren, sondern auch für ein teilweises Blockieren zu verwenden, um eine Drosselfunktion durchzuführen.
Beispielsweise ist ein Fluid dazu in der Lage, über die obere Öffnung 5 in den Zylinder 4 zu fließen und den Zylinder 4 über die untere Öffnung 5 zu verlassen, wie gezeigt in 1.
Die Ventile A und B und deren Fluidflusswege können ein Teil der Fluidverbindung sein, die mittels der radialen Öffnungen 5 in Zusammenarbeit mit dem Kolben 3 geschaltet werden.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 11 der Erfindung, die der Ausführungsform von 1 ähnlich ist, mit Ausnahme der Position der radialen Öffnungen 6. In 2 sind die Öffnungen 6 nahe dem ventilfreien Ende des Zylinders angeordnet. Die Öffnungen 6 werden von dem Kolben 3 nicht blockiert und sind daher offen für eine Fluidverbindung, solange die Vorrichtung in der Hauptbetriebsart betrieben wird, indem der Kolben 3 innerhalb der Haupthublänge 1 bewegt wird. Wenn in die zweite Betriebsart geschaltet wird, indem der Kolben 3 in die über die Haupthublänge 1 hinausgehende zweite Hublänge 2 bewegt wird, werden die Öffnungen 6 von dem Kolben 3 blockiert und wird die bis dahin wirksame Fluidverbindung unterbrochen oder getrennt. In 2 ist der Kolben 3 mit durchgehenden Linien gezeigt, wenn er sich in der Hauptbetriebsart befindet, und mit gestrichelten Linien, wenn er sich in der Sekundärbetriebsart befindet. Auch im Fall der Ausführungsform der 2 können die radialen Öffnungen 6 für die Funktionen einer vollen Verbindung, einer vollen Trennung und einer Drossel verwendet werden.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 12 der Erfindung, die der Vorrichtung 10 der 1 ähnlich ist und ein Ventil 7 mit einer Ventilnadel 7a und einem Ventilsitz 7b aufweist, welches durch die Bewegung des innerhalb des Zylinders 4 angeordneten Kolbens betrieben wird. Der Zylinder 4 hat vier radiale Öffnungen 5 (von denen in 3 drei gezeigt sind), die für die Sekundärfunktion der Vorrichtung 12 vorgesehen sind und die von dem Kolben 3 blockiert werden, wenn dieser in der Hauptbetriebsart betrieben wird, und nicht blockiert werden, wenn der Kolben 3 sich in der Sekundärbetriebsart befindet, unter Bewegung in eine sekundäre Hublänge 2, welche über die Haupthublänge 1 hinausreicht.
In allen Ausführungsformen der Erfindung können die radialen Öffnungen 5 und/oder 6 einen kreisförmigen Querschnitt haben oder einen ovalen Querschnitt, wie in 3 gezeigt. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Querschnitt mit einer spezifischen axialen Erstreckung erlaubt der ovale Querschnitt eine Vergrößerung der Querschnittsfläche, ohne die axiale Erstreckung der radialen Öffnung zu vergrößern (was eine erhöhte Fluidflussrate durch die radialen Öffnungen 6 ermöglicht), oder eine Verringerung der axialen Erstreckung ohne die Querschnittsfläche zu verringern, was eine Reduzierung der sekundären Hublänge 2 ermöglicht, welche zur Durchführung der sekundären Betriebsart der Vorrichtung erforderlich ist. Ferner kann der Querschnitt der radialen Öffnungen 5 und/oder 6 elliptisch, rechtwinklig oder schlitzförmig sein.
Es gilt für alle obigen Ausführungsformen der Erfindung, dass zum Erreichen der erläuterten Multibetriebsart der Kolben 3 dafür ausgebildet ist, eine Dichtfunktion bezüglich der radialen Öffnungen auszuüben. Wenn der Kolben 3 in der zweiten Betriebsart arbeitet, in welcher der Kolben 3 in die zweite Hublänge 2 bewegt wird, ist die Fluidverbindung über die radialen Öffnungen entweder geöffnet (1 und 3) oder geschlossen (2). Der Kolben 4 kann vom Typ ohne Kolbenringe oder vom Typ mit Kolbenringen sein. Der Kolben 3 kann mit radialen Ringen, axialen Rippen oder Ausnehmungen und/oder Bohrungen versehen sein, die einen Teil der Fluidverbindung bilden können. Die sekundäre Hublänge kann reduziert werden durch Verwendung radialer Öffnungen mit Querschnitten in der Form von Schlitzen oder Langlöchern, mit einer kürzeren axialen Erstreckung als eine radiale Öffnung mit einem kreisförmigen Querschnitt der gleichen Querschnittsfläche des Schlitzes oder Langlochs.
Es ist ein kleiner Abstand zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinder 4 anzustreben, um Undichtigkeit klein zu halten. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben 3 mittels einer Gaslagerung getragen. Zur Unterstützung kann ein Flexlager verwendet werden.
Ein Flexlager, das radial steif ist, aber eine wesentliche axiale Flexibilität hat, kann bis zu einem bestimmten Ausmaß eine asymmetrische Last absorbieren, welche auf den Kolben 3 wirkt, verursacht durch Differenzdrücke zwischen den radialen Einlass- und Auslassöffnungen und/oder dadurch, dass die radialen Einlass- und Auslassöffnungen nicht einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Eine asymmetrische Belastung des Kolbens 3, welche von dem Flexlager nicht absorbiert werden kann, kann verhindert werden durch eine Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 4 gezeigt ist, bei welcher der Zylinder 4 eine radiale Einlassöffnung 8 und eine radiale Auslassöffnung 9 aufweist, welche nicht einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind, sondern mit einer Versetzung in Umfangsrichtung zueinander, mit einem Winkel, der von 180° verschieden ist, beispielsweise 90°, wie in der 4 gezeigten Ausführungsform. Das Ergebnis kann eine asymmetrische radiale Belastung des Kolbens 3 sein, selbst wenn beide Öffnungen 8 und 9 demselben Fluiddruck ausgesetzt sind, sodass ein Differenzfluiddruck zwischen beiden Öffnungen 8 und 9 besteht. Eine ähnliche asymmetrische radiale Belastung des Kolbens 3 kann auftreten, wenn beide Öffnungen 8 und 9 einander diametral gegenüberliegend angeordnet aber verschiedenen Fluiddrücken ausgesetzt sind. Eine solche asymmetrische Last wird vermieden, indem jeder der Einlass- und Auslassöffnungen 8 und 9 eine zusätzliche Einlassöffnung 8' bzw. eine zusätzliche Auslassöffnung 9' zugeordnet werden, die je der Einlassöffnung 8 bzw. der Auslassöffnung 9 diametral gegenüberliegend angeordnet sind, und indem die Einlassöffnung 8 und die zusätzliche Einlassöffnung 8' mit einer Einlassbypassleitung 8B und die Auslassleitung 9 und die zusätzliche Auslassleitung 9' mit einer Auslassbypassleitung 9B verbunden werden. Als Ergebnis tritt eine symmetrische Lastverteilung um den Umfang des Kolbens 3 auf. Mithilfe der zusätzlichen radialen Öffnungen 8', 9' und der Bypassleitungen 8_B und 9_B wird eine Symmetrie der radialen Kräfte erhalten.
Eine Fluidmaschine gemäß den obigen Ausführungsformen kann beispielsweise mit einem Kühlmittel (beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Ammoniak und Kohlenwasserstoffen), Tiefkühlgasen (beispielsweise Helium und Argon) betrieben werden.
5 zeigt beispielhafte Ausführungsformen von Fluidmaschinen der vorliegenden Erfindung, die durch Vorrichtungen der Erfindung mit verschiedenen Funktionalitätskombinationen gebildet sind. Die 5a bis 5f beziehen sich auf:
5a: eine Kolbenmaschine mit einem Fluidverbinder;
5b: eine Kolbenmaschine mit einem Fluidseparator;
5c: eine Kolbenmaschine mit einem Fluidverbinder und einem Fluidseparator;
5d: ein Kolben-geführtes Ventil mit einem Fluidverbinder;
5e: ein Kolben-geführtes Ventil mit einem Fluidseparator;
5f: ein Kolben-geführtes Ventil mit einem Fluidverbinder und einem Fluidsepararator.
In allen Ausführungsformen tritt die Funktion eines Verbinders oder eines Separators auf, wenn sich der Kolben 3 in seiner Sekundärhublänge 2 befindet, das heißt, in der zweiten Betriebsart.
Ausführlicher:
5a, b, c zeigen eine Maschine oder Pumpe mit

– einer Fluidleitung 15, die mit (nicht gezeigten) Öffnungen 5 verbunden ist und als ein Verbinder dient (5a);
– einer Fluidleitung 16, die mit (nicht gezeigten) Öffnungen 6 verbunden ist und als ein Separator dient (5b); und
– einer mit Öffnungen 5 verbundenen, als Verbinder dienenden Fluidleitung 15 und einer mit Öffnungen 6 verbundenen, als Separator dienenden Fluidleitung 16 (5c).

5d, e, f zeigen ein von einem Kolben bewegtes und gesteuertes Ventil mit

– einer Fluidleitung 15, die mit Öffnungen 5 verbunden ist und als Verbinder dient (5d);
– einer Fluidleitung 16, die mit Öffnungen 6 verbunden ist und als Separator dient (5e); und
– einer mit Öffnungen 5 verbundenen und als Verbinder dienenden Fluidleitung 15 und einer mit Öffnungen 6 verbundenen und als Separator dienenden Fluidleitung 16 (5f).

6 bis 10 zeigen beispielhafte Ausführungsformen von Fluidinstallationen unter Verwendung von Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung, wie sie in den 1 bis 5 gezeigt sind.
6 zeigt eine Reihenverbindung von zwei Kolbenkompressoren 21, 22, die je einen Kolben 3 und einen Zylinder 4 und eine Fluidleitung 15, die mit radialen Öffnungen 5 verbunden ist und als Verbinder dient, aufweisen. Der Kompressor 21 dient als Hochdruckvorrichtung, der Kompressor 22 dient als Niedrigdruckvorrichtung. 6 zeigt die beiden Vorrichtungen in einer Einstufenbetriebsart. Das bedeutet, die Niedrigdruckvorrichtung 22 befindet sich in ihrer Sekundärbetriebsart, in welcher eine Fluidverbindung über die Öffnungen 5 und die Leitung 15 hergestellt ist, sodass das Fluid durch den offenen Verbinder der Niedrigdruckvorrichtung 22 fließt, und die Hochdruckvorrichtung 21 arbeitet in ihrer Hauptbetriebsart, unter Komprimierung des Fluids, das ihr unkomprimiert von dem Niedrigdruckkompressor 22 über Leitungen 14 zugeführt wird, um in der Fluidkammer 18 der Hochdruckvorrichtung 21 komprimiert zu werden. Die in 6 gezeigte Installation kann auch als eine Zweistufen-Kompressionsinstallation (nicht gezeigt) betrieben werden, indem jeder der Kompressoren 21 und 22 in seine Hauptbetriebsart geschaltet wird, sodass das Fluid komprimiert wird, und zwar nacheinander in einem ersten Kompressionsschritt in der Fluidkammer 18, entsprechend der Haupthublänge 1 des Kolbens 3 des Kompressors 22, und danach in einem zweiten Kompressionsschritt in der Fluidkammer 18, entsprechend der Haupthublänge 1 des Kolbens 3 des Kompressors 21.
7 zeigt eine Reihenverbindung eines Behälters 33, einer Kolbenpumpe 34 und eines Aktuators 35. Leitungen 15, die mit Öffnungen 5 verbunden sind, dienen als Verbinder, und Leitungen 14, die mit der Fluidkammer 18 der Pumpe 34 gekoppelt sind, sind außerhalb der Pumpe 34 parallel verbunden. Die Pumpe 34 pumpt ein Fluid aus dem Behälter 33 in eine Kammer des Aktuators 35, der verwendet werden kann, um ein (nicht gezeigtes) bewegliches Element mit Energie zu versorgen. Dies geschieht durch Betreiben der Pumpe 34 in ihrer Hauptbetriebsart. Um einen Rückfluss des Fluids von der Kammer des Aktuators 35 zurück in den Behälter 33 zu erhalten, wird die Pumpe 34 in ihrer zweiten Betriebsart betrieben, in welcher das Fluid durch die mit den Leitungen 15 gekoppelten radialen Öffnungen der Pumpe 34 fließt.
8 zeigt eine Fluidinstallation, welche zwei Pumpen 46, 47, die je einen Kolben 3, einen Zylinder 4, mit (nicht gezeigten) Öffnungen 5 verbundene Leitungen 15 und mit der Fluidkammer 18 gekoppelte Leitungen 14 aufweisen, und einen Aktuator 48 zeigt. Ein beweglicher Kolben 49 des Aktuators 48 wird zur rechten Seite bewegt, wenn die Pumpe 46 in ihrer Hauptbetriebsart arbeitet und Fluid in eine linke Kammer 51 des Aktuators 48 pumpt. Auf Grund der Bewegung des Kolbens 49 wird Fluid aus einer rechten Kammer 52 des Aktuators 48 herausgepresst und fließt durch die Pumpe 47, welche in ihrer zweiten Betriebsart arbeitet und daher eine Fluidverbindung über die Leitung 15 bereitstellt. Wenn eine Bewegung des beweglichen Kolbens 49 innerhalb des Aktuators 48 zur linken Seite ausgeführt wird, werden die Betriebsarten der beiden Pumpen 46, 47 so getauscht, dass die Pumpe 47 sich in ihrer Hauptbetriebsart und die Pumpe 46 sich in ihrer Sekundärbetriebsart befindet.
9 zeigt eine Installation eines Fluidsystems, bei der gezeigten Ausführungsform eines pneumatischen Systems mit gefilterter Druckluft, aufweisend in einer Reihenverbindung einen Filter 109, einen Kompressor 110 mit einem Kolben 3 und einem Zylinder 4 und zwei Behältern 111, 112 für Druckluft. Luft wird durch den Filter 109 in die Fluidkammer 18 des Kompressors 110 gesaugt, wenn dieser in seiner Hauptbetriebsart betrieben wird. In der Hauptbetriebsart wird die Luft komprimiert und aus der Fluidkammer 18 heraus und in den ersten Behälter 111 und über die Leitung 16 und den Verbinderteil (radiale Öffnungen) 6 des Kompressors 110 in den Container 112 gepresst.
Zum Reinigen des Filters 109 wird die Flussrichtung der Luft geändert durch Umschalten des Kompressors 110 in seine Sekundärbetriebsart. In dieser Betriebsart wird die Leitung 16 blockiert und wird die Leitung 16 geöffnet durch Öffnen des Separatorteils (radiale Öffnungen 5) des Kompressors 110, um den gewünschten Rückfluss der Luft zu erlauben, um den Filter 109 zu reinigen. Dieser Rückfluss wird von dem Luftinhalt des Containers 111 geliefert. Der Container 112 nimmt an diesem Luftfluss nicht teil, da die Leitung 16 blockiert ist. Daher ist die komprimier te Luft im Container 12 noch für andere Verwendung verfügbar, wenn diese von einem Benutzer während der Reinigungsprozedur des Filters benötigt wird.
10 zeigt eine Fluidinstallation mit einer Reihenverbindung eines Kolbengeführten Ventils 113 mit einer Sekundärverbinderfunktion (radiale Öffnungen 5), welches von einem Kolben 3 bewegt und gesteuert wird, eines Wärmetauschers 114 und eines Kolbenkompressors 115, ebenfalls mit einer sekundären Verbinderfunktion. Die Ventilseite (113) der Reihenverbindung ist mit einer ersten Fluidleitung 117 gekoppelt, während ihre Kompressorseite (115) mit einer zweiten Fluidleitung 119 gekoppelt ist. Eine solche Installation ist verwendbar für Kühl- und Heizgerätschaft, beispielsweise in Gebäuden, Häusern oder Kraftfahrzeugen. Das Ventil 113 wird in seiner Hauptbetriebsart betrieben. Kühlmittel wird in den Wärmetauscher 114 geliefert, welcher bei diesem Beispiel ein Luftkühler 114 ist. Das Kühlmittel verdampft in dem Luftkühler 114. Der Kühlmitteldampf wird in die Fluidkammer 18 des Kompressors 115 gesaugt und komprimiert. Der Kompressor 115 wird in seiner Hauptbetriebsart betrieben. Es kommt vor, dass sich auf der Oberfläche des Wärmetauschers 114 Eis bildet, welches die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers vermindert. Um dieses Eis aufzutauen, werden der Kompressor 115 und das Ventil 113 beide in ihrer Sekundärbetriebsart betrieben. Komprimiertes heißes Gas von einem (nicht gezeigten) benachbarten Kompressor, der ebenfalls mit der Fluidleitung 118 gekoppelt ist, ist bei der Leitung 17 verfügbar. Der Kompressor 115 wird gesteuert, um in seiner Sekundärbetriebsart zu arbeiten, sodass er die Leitungen 15 verbindet und komprimierte Luft durch den Wärmetauscher 116 fließt, wo das heiße Gas das Eis schmilzt und abkühlt. Nach dem Passieren des Wärmetauschers 114 gelangt das nun herabgekühlte Gas durch die Leitung 15, da das Ventil 113 ebenfalls für einen Betrieb in seiner sekundären Betriebsart gesteuert wird. Dies ist eine sehr wirksame und leichte Abtaumethode.

Claims

Vorrichtung, die zur Zusammenarbeit mit wenigstens einem Fluid geeignet ist, wobei die Vorrichtung aufweist: – Einen Zylinder (4); – einen innerhalb des Zylinders (4) angeordneten Kolben; – wobei der Zylinder (4) und der Kolben (3) relativ zueinander in deren axialer Richtung bewegbar sind; – wobei eine axiale Länge einer Fluidkammer (18) zwischen einem axialen Ende (4A) des Zylinders (4) und einem gegenüberliegenden axialen Ende (3A) des Kolbens (3) von einer Hublänge (1, 2) zwischen dem Zylinder (4) und dem Kolben (3) abhängt; – wobei die Hublänge (1, 2) in eine erste Hublänge (1) und eine über die erste Hublänge (1) hinausgehende zweite Hublänge (2) unterteilt ist; – wobei die Vorrichtung (10, 11, 12) eine erste Betriebsart, in welcher der Kolben (3) für eine Bewegung innerhalb der ersten Hublänge (1) gesteuert wird, und eine zweite Betriebsart, in welcher der Kolben (3) für eine Bewegung in die zweite Hublänge (2) gesteuert wird, aufweist; – wobei der Zylinder wenigstens eine radiale Öffnung (5) an einer vorbestimmten axialen Position des Zylinders (4) aufweist; – wobei die radiale Öffnung (5) von dem Kolben (3) blockiert ist, wenn sich die Vorrichtung (10, 11, 12) in einer ersten der ersten und zweiten Betriebsarten befindet, und von dem Kolben (3) nicht blockiert ist, wenn sich die Vorrichtung (10, 11, 12) in der anderen der ersten und zweiten Betriebsarten befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben (3) relativ zum Zylinder (4) bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine radiale Öffnung (5) axial längs des Zylinders (4) so angeordnet ist, dass sie sich in der gesamten ersten Hublänge (1) außerhalb der Fluidkammer (13) befindet und von dem Kolben (3) blockiert wird, und sich in der zweiten Hublän ge (2) innerhalb der Fluidkammer (18) befindet und von dem Kolben (3) nicht blockiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine radiale Öffnung (5) axial längs des Zylinders (4) derart angeordnet ist, dass sie sich in der gesamten ersten Hublänge (1) innerhalb der Fluidkammer (18) befindet und von dem Kolben (3) nicht blockiert wird, und sich in der zweiten Hublänge (2) außerhalb der Fluidkammer (18) befindet und von dem Kolben (3) blockiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend wenigstens ein Ventil (A), das ausgebildet ist, um als ein Fluideinlass in die Fluidkammer (18) zu wirken, wenn es sich in einer offenen Position befindet, und wenigstens ein Ventil (B), das ausgebildet ist, um als ein Fluidauslass aus der Fluidkammer (18) zu wirken, wenn es in einer Offenposition ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend wenigstens ein Kolben-geführtes Ventil (7), das betriebsmäßig mit der Bewegung des Kolbens (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, aufweisend wenigstens ein Ventil (7) mit einer Ventilnadel (7a), die für ein Zusammenwirken mit der Bewegung des Kolbens (3) ausgebildet ist, und einen Ventilsitz (7b), der an dem Zylinder (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Zylinder (4) wenigstens zwei radiale Öffnungen (5, 6) an vorbestimmten axialen Positionen des Zylinders (4) aufweist, die für eine Steuerung des Flusses wenigstens eines Fluids ausgebildet sind, wobei eine Öffnung (5, 6) für die Funktion als ein Fluideinlass ausgebildet ist, und eine Öffnung (5, 6) für die Funktion als ein Fluidauslass ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, aufweisend wenigstens eine radiale Einlassöffnung (8) und wenigstens eine radiale Auslassöffnung (9), wobei wenigstens eine zusätzliche radiale Einlassöffnung (8') und wenigstens eine zusätzliche radiale Auslassöffnung (9') der zugehörigen radialen Einlassoff nung (8) bzw. der zugehörigen radialen Auslassöffnung (9) diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine radiale Einlassöffnung (8) und die wenigstens eine zusätzliche radiale Einlassöffnung (8') mittels einer ersten Bypassleitung (8B) miteinander verbunden sind und die wenigstens eine radiale Auslassöffnung (9) und die wenigstens eine zusätzliche radiale Auslassöffnung (9') mittels einer zweiten Bypassleitung (9B) miteinander verbunden sind.
Fluidinstallation mit wenigstens einer ersten Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche und wenigstens einer zweiten Vorrichtung, die für ein Zusammenarbeiten mit der wenigstens einen ersten Vorrichtung ausgebildet ist.