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對工具進行氣動操作的方法和裝置的制作方法

文檔序號:5524616閱讀:188來源:國知局
專利名稱:對工具進行氣動操作的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及對工具進行氣動操作的方法。更具體地講,本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的方法。
本發(fā)明還涉及用來實現(xiàn)所述方法的裝置。更具體地講,本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求6的前序部分所述的裝置。
本發(fā)明可適用于所有種類的氣動裝置,例如發(fā)動機以及通過空氣或任何其他氣體操作的工具。在此所指的工具應(yīng)該被認為是在廣泛意義上的,包括任何工業(yè)使用的裝置、用于車輛氣動操作的裝置、用于發(fā)動機閥門的氣動激發(fā)致動器、所有類型的作業(yè)工具等。
“大致封閉”指的是一種回路盡可能地封閉,也就是這樣一種回路,通過其形成從壓縮機的出口、經(jīng)過所操作的工具到達壓縮機的入口的連續(xù)壓力流體管路。優(yōu)選地,此種回路不包括被有意地布置的可使所述壓力流體泄漏到周圍大氣中去的通路。
背景技術(shù)
氣動系統(tǒng)通常包括用來壓縮流體、空氣或任何其他氣體的壓縮機,以及與所述壓縮機連通的容箱和用來引導流體至一個或多個使用場所的管路。通常,所述使用場所是氣動構(gòu)件,例如氣動工具或氣動發(fā)動機。
在壓縮空氣時會產(chǎn)生熱量,在目前的氣動系統(tǒng)內(nèi),該熱量通常并且大體上,在所述空氣已經(jīng)到達使用場所之前被傳遞至外界環(huán)境。應(yīng)該注意的是關(guān)于空氣的具有300K溫度以及1巴絕對值至10巴絕對值的壓力的所謂絕熱壓縮(與環(huán)境沒有任何熱交換,并且在此被認為是與活塞式壓縮機有關(guān),其是一種在本技術(shù)領(lǐng)域常見類型的壓縮機),最終溫度大約為579K。如果在使用場所的溫度下降到300K,則使用場所的空氣的體積,即所述工具使用的空氣的體積,下降(1-300/579)×100%=48%。通常,熱量至環(huán)境的傳遞僅是一種很大的能量損耗。偶爾,壓縮熱量被利用為加熱水的目的,從而導致總經(jīng)濟狀況的顯著改善。然而,裝置的尺寸,即壓縮機的尺寸及其容量保持相同。此外,用于存儲空氣的容箱,以及空氣管路,可被絕緣到特定程度,這也對于減小能量消耗具有積極的作用。根據(jù)使用場所所需的空氣以及熱量的損耗來確定所述壓縮機和所述容箱的尺寸。
除了由所述熱量損耗構(gòu)成的最主要的損耗源之外,也存在其他損耗。所述熱量損耗負面地影響能量效率。過多的能量必須用于壓縮機的操作,才能將例如壓縮空氣供給至特定功率的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供使出現(xiàn)在回路中熱量損耗最小化的同時、可滿足用來操作工具所需的壓力流體、空氣或其他氣體的方法和裝置。
本發(fā)明另一目的是提供對于特定工具的操作允許使用相對低容量的壓縮機、即空氣能量的低消耗的方法和裝置。
通過技術(shù)領(lǐng)域部分中限定的方法并結(jié)合權(quán)利要求1的特征部分所限定的特征,以及技術(shù)領(lǐng)域部分中限定的裝置并結(jié)合權(quán)利要求6的特征部分所限定的特征,可以實現(xiàn)本發(fā)明的主要目的。
本發(fā)明是基于這樣的結(jié)論,即如果經(jīng)過壓縮同時沒有熱量產(chǎn)生來獲得必須的壓力流體,則熱量損耗可被減小到相應(yīng)的程度,并且壓縮機可顯著被制造得很小,這在一些場合具有很重要的優(yōu)勢。
根據(jù)本發(fā)明,在壓縮過程由提高、并高于周圍大氣的壓力來實現(xiàn)時,由壓縮機所致的溫度增加非常微小,同時對于特定的絕對溫度增加而言導致非常小的熱量損耗。一個條件是從所述壓縮機將壓力流體引導至所述工具的管路的環(huán)境具有特定的最大溫度,其低于在壓縮時壓力流體從大氣壓力直至必須的壓力時所具有的溫度。此外,所述管路的長度應(yīng)使得其造成熱量交換,這將通常使得所述壓力流體的溫度降低到環(huán)境的溫度。實施本發(fā)明可導致顯著降低的壓縮溫度,即壓縮氣體的溫度,而這會導致減小熱量損耗的潛能以及增大熱量供應(yīng)的潛能。
為了獲得氣動操作工具的有用功輸出,需要有高壓源和低壓源。在當前的系統(tǒng)中,低壓源由周圍大氣構(gòu)成,其壓力大約為1巴。通過將大氣的空氣壓縮成特定的壓力,例如在下例中為10巴,來獲得高壓源。通過所述高壓源與低壓源之間的壓差來驅(qū)動氣動工具,在這種情況下大約為9巴。如果低壓源例如為11巴并且高壓源為20巴,則將有相同的壓力差。從1巴至10巴的壓縮時的溫度增加顯著高于從11巴至20巴的壓縮時的溫度增加。因此,對后一種情況,由于壓縮時溫度增加顯著低,因此熱量損耗的潛能顯著更小。與第一種情況(9/1)相比,在第二種情況(20/11)中,壓力比即高壓源與低壓源之間的比例關(guān)系很小。壓力比(30/21),(40/31)等越小,則溫度增加越少。在由于壓縮之后的相對低的溫度減小了熱損耗的潛能時,增加了熱量供應(yīng)的潛能。
有助于實現(xiàn)本發(fā)明目的的方法的優(yōu)選實施方式限定在權(quán)利要求2至5內(nèi)。如果所述裝置設(shè)置于或者包括內(nèi)燃機或在操作時具有高于周圍大氣溫度的溫度的其他產(chǎn)熱部件,則熱交換器沿在壓縮機與工具之間延伸的壓力流體管路的部分被有利布置,用來從所述內(nèi)燃機或產(chǎn)熱部件將熱量傳遞至壓力流體從而用來進一步減小熱量損耗,或甚至用來加熱所述壓力流體。
在權(quán)利要求7至10內(nèi)限定了有助于實現(xiàn)本發(fā)明的目的的裝置的優(yōu)選實施方式。
在以下詳細說明中指出根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的其他特征和優(yōu)點。
在以上、以下,單獨或作為其他詞組一部分時,流體指的是氣體或氣體混合物,優(yōu)選為空氣。
在目前用于操作工具的壓縮機結(jié)構(gòu)中,空氣通常取自大氣并且被壓縮成在6至10巴絕對值范圍內(nèi)的最終壓力。在空氣已經(jīng)被用于操作工具后,其被回流到大氣。根據(jù)本發(fā)明,空氣不應(yīng)被回流到大氣,而實際上,它應(yīng)在封閉的系統(tǒng)內(nèi)被回流到壓縮機。對于本發(fā)明而言,其特征在于,回流空氣應(yīng)具有超過大氣壓力的壓力。作為結(jié)果,在壓縮機的空氣應(yīng)該被壓縮成一定壓力,該壓力高于通過用來將空氣回流至大氣的開放系統(tǒng)操作特定工具從而由該工具獲得必須量的功所需的壓力。根據(jù)本發(fā)明,從封閉系統(tǒng)泄漏的空氣被來自大氣或存儲器的空氣補償。以下,通過一個實例將說明這些優(yōu)點。
在本發(fā)明的以下實例中,示出了如何將熱量損耗的潛能顯著程度地減小。大氣空氣的1巴絕對值且300K溫度至10巴絕對值的壓力的絕熱壓縮,即9巴的壓力差,導致大約579K的最終溫度。直至具有300K的周圍溫度的使用場所的熱量損耗潛能(差值),是579減去300,即279度。在根據(jù)本發(fā)明的封閉系統(tǒng)內(nèi),在那里,在絕熱壓縮上升到20巴絕對值之前,空氣壓力為11巴并且溫度為300K,即9巴的壓力差,得到大約356K的最終溫度。直至使用場所的熱量損耗潛能(差值)為356-300,即56度。在第一種情況中,溫度為279度高于環(huán)境溫度,并且在第二種情況中,其為56度也高于環(huán)境溫度。后一種、即本發(fā)明的情況導致了熱量損耗至環(huán)境的潛能的顯著降低。同時,增加了熱量供應(yīng)的潛能。根據(jù)該實例,具有超過356K溫度的熱源可被用來增加在空氣壓縮到20巴的過程中的溫度。這反過來導致了體積的增加,這意味著對于特定的需求需要產(chǎn)生更小量的20巴的空氣,反過來同時導致了對壓縮機作功需求的減小。
通過實施本發(fā)明,可用更小的例如具有更佳流動能力但以低壓縮比操作的旋轉(zhuǎn)式壓縮機來代替活塞式壓縮機,從而將效率維持在很高的級別上。所需的移動隨增加的回流壓力而減小,反過來導致了更小的摩擦以及更小的熱傳遞表面。優(yōu)選地,廢棄的熱量或任何其他熱源被用來加熱所述空氣或至少使其冷卻最小化,這是在其被供應(yīng)至作業(yè)工具之前而實現(xiàn)的。然后,在壓縮之前也需要對流體進行冷卻。有利地,從被最終冷卻前的回流空氣中再次獲得的熱量,這是在進行對其的壓縮(如果溫度高于壓縮之后,這能導致從所述工具上游的熱源供應(yīng)過多的熱量)之前并且在任何熱量從熱源被供應(yīng)之前來進行的。通過這種加熱和冷卻,提出一種氣動能量轉(zhuǎn)化器,并且借助于外部熱量源,與由所述壓縮機供應(yīng)的情況相比,通過例如作業(yè)工具或膨脹機所產(chǎn)生的功更多。在封閉的系統(tǒng)內(nèi),對于排除冷凝水的需要被最小化。
在以下詳細的說明以及在剩下的權(quán)利要求書中將說明本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征。


以下,通過參看附圖,并通過實施例,將更加詳細說明本發(fā)明,其中圖1是示意圖,其示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的氣動回路,圖2是示意圖,其示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的第二實施方式的裝置的氣動回路,圖3是示意圖,其示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的第三實施方式的裝置的氣動回路,以及圖4是示意圖,其示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的第四實施方式的裝置的氣動回路。
具體實施例方式
圖1示出了帶有大致封閉的壓力流體回路2的裝置1,其包括至少一個壓縮機5,該壓縮機以低壓縮比和高壓來壓縮和泵送流體。在壓縮的過程中,所述流體經(jīng)過壓縮機5從其入口4被輸送至其出口3。對于在所述壓縮機內(nèi)壓力的特定的絕對值增加,出口3的壓力與入口4的壓力之間的關(guān)系與目前的方法/裝置相比顯著低,這是由于入口4的壓力大于周圍大氣的壓力,并且因為目前的裝置以大致與周圍大氣壓力一致的入口壓力進行操作。優(yōu)選地,所述入口壓力是周圍大氣壓力的1.5倍以上、優(yōu)選2.0倍以上。
流體從壓縮機5經(jīng)過管路6被引導到至少一個流體操作的工具8的入口7。所述工具8可包括往復(fù)式活塞,用作于活塞式膨脹機或者用來操作內(nèi)燃機的閥門的氣動激發(fā)致動器中。大體上,工具8是發(fā)動機,作業(yè)工具或任何其他氣動操作的裝置。管路6內(nèi)的壓力在壓縮機的出口3處與在工具8的入口7處大致相同。流體經(jīng)過工具8被引導至其出口9。在工具8內(nèi),所供應(yīng)的流體在其經(jīng)過所述工具到達出口9時作功。經(jīng)過管路10,出口9與壓縮機5的入口4連通。通過壓縮機與工具之間的管路6內(nèi)的流體與在回流管路10內(nèi)的和/或經(jīng)過流體經(jīng)由入口7從管路6再經(jīng)由出口9至管路10膨脹的流體之間的壓力差來作功。在管路10內(nèi),工具8的出口9處的壓力與在壓縮機5的入口4處的壓力大致相同。經(jīng)由回流管路10,流體從工具的出口9回流到壓縮機5的入口4。經(jīng)由壓縮機5或回流管路10內(nèi)的另一入口11,或可選地,通向管路6的另一入口,流體被供應(yīng),以便作為對泄漏到系統(tǒng)以外的流體的補充。新添加的流體取自大氣或存儲器12,存儲器里的壓力優(yōu)選高于周圍大氣。
圖2示出了根據(jù)圖1的裝置的另一個實施方式。除了第一壓縮機5,根據(jù)圖2的裝置還包括第二壓縮機13。所述第二壓縮機13被這樣設(shè)置,即與泄漏到系統(tǒng)即裝置1以外的流體的量相應(yīng)的流體間接經(jīng)過回流管路10或直接被供應(yīng)至所述第一壓縮機。經(jīng)過第二壓縮機13的入口14,流體從周圍大氣或存儲器12被抽吸進來,并且經(jīng)過壓縮機13經(jīng)由出口15被引導至第一壓縮機5,用來在后者中進一步壓縮。
圖3示出了根據(jù)圖1和圖2的另一個實施方式。根據(jù)圖3的裝置包括至少一個熱交換器16,其具有高于周圍大氣的溫度,并且通過其,在管路6內(nèi)的流體被加熱,或至少防止冷卻到就好像僅僅利用周圍大氣冷卻載有壓力流體的管路6的程度。所述裝置還包括熱交換器17,其具有低于周圍大氣的溫度或具有相對于周圍大氣提高的熱傳導性,并且通過該熱交換器,與如果僅僅由周圍大氣作用的情況相比,在回流管路10內(nèi)的流體被更加快速地冷卻。供應(yīng)至第一熱交換器16并且用于該熱交換器的熱量可由廢棄的熱量構(gòu)成,例如來自內(nèi)燃機或鍋爐或任何工業(yè)過程的廢氣。出于操作作為氣動能量轉(zhuǎn)化器的裝置1的目的,熱量也可從任何其他熱源供應(yīng)。
在第二熱交換器內(nèi)的冷卻介質(zhì)可以是例如諸如水的液體,與圍繞所述回流管路的大氣的空氣相比,具有更低的溫度和/或更高的熱容量。
圖4示出了圖3的另一個實施方式,其中,布置了用來從回流管路10內(nèi)的流體向管路6內(nèi)的流體回收熱量的熱交換器18,所述熱交換器通過管路6被設(shè)置在壓縮機5的出口3與工具8的入口7之間。熱交換器18在管路6中被布置在用于熱量供應(yīng)的第一熱交換器16的上游的位置。
根據(jù)本發(fā)明特定、優(yōu)選的實施方式,該裝置被設(shè)置成連通內(nèi)燃機。所述工具包括一個或多個氣動操作即無需凸輪軸的、用于發(fā)動機氣缸的入口和出口閥門的致動器。第一壓縮機5是活塞式壓縮機或螺旋式壓縮機。如果發(fā)動機包括用來壓縮通過燃燒同燃料一起使用的空氣的壓縮機,則該壓縮機優(yōu)選形成根據(jù)本發(fā)明的第二壓縮機。第一熱交換器優(yōu)選與用來使用熱廢氣作為熱交換介質(zhì)的廢氣系統(tǒng)連通。
應(yīng)該清楚,在不脫離本發(fā)明保護范圍的前提下,本領(lǐng)域技術(shù)人員將能對根據(jù)本發(fā)明的裝置的上述實施方式進行多種改型,這是因為本發(fā)明是由說明書和附圖所支持的所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.用來在氣動裝置(1)內(nèi)控制壓力流體流動的方法,該氣動裝置包括—大致封閉的壓力流體回路(2),—至少一個壓縮機(5),用來增加在所述回路內(nèi)壓力流體的壓力,所述壓縮機具有入口(4)和出口(3),—被所述回路內(nèi)的壓力流體驅(qū)動的工具(8),并且經(jīng)過所述工具,壓力流體在所述回路內(nèi)從所述壓縮機的出口(3)被輸送至所述入口(4),其特征在于,由所述壓縮機(5)產(chǎn)生壓力,并且在所述工具(8)處的載荷被以下述方式控制,即在所述工具(8)的下游,所述回路內(nèi)的回流壓力超過周圍大氣壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,來自壓力流體源(12)的壓力流體在所述工具(8)的下游被供應(yīng)至所述回路,用來補充在所述回路內(nèi)損耗的壓力流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述回路包括從所述壓縮機(5)延伸到所述工具(8)的壓力流體管路(6),并且所述管路被隔離,以減小所述壓力流體與周圍環(huán)境的熱交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的方法,其特征在于,所述回路包括從所述壓縮機(5)延伸至所述工具(8)的壓力流體管路(6),并且從外部熱源(16)將熱量供應(yīng)至所述管路,用來維持或增加所述管路內(nèi)壓力流體的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的方法,其特征在于,所述回路包括回流管路(10),并且利用第二熱交換器(17)來冷卻存在于所述回流管路內(nèi)的壓力流體。
6.用于工具的氣動操作的裝置,包括—大致封閉的壓力流體回路(2),—至少一個用來增加在所述回路內(nèi)壓力流體的壓力的壓縮機(5),所述壓縮機具有入口(4)和出口(3),—被所述回路內(nèi)的壓力流體驅(qū)動的工具(8),并且經(jīng)過所述工具,壓力流體在所述回路內(nèi)從所述壓縮機(5)的出口(3)被輸送至所述入口(4),其特征在于,由所述壓縮機(5)產(chǎn)生的壓力以及所述工具(8)所采用的載荷以下述方式設(shè)置,即在所述工具(8)下游的壓力流體的回流壓力高于周圍大氣的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置,其特征在于,還包括壓力流體源(12),經(jīng)過所述壓力流體源,壓力流體被引導至所述壓縮機(5)的入口,在所述壓力流體源(12)內(nèi)的壓力高于所述回流管路(10)內(nèi)的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置,其特征在于,還包括熱交換器(16),通過所述熱交換器,所述回路內(nèi)的壓力流體在所述壓縮機(5)下游和所述工具(8)上游與外部熱源之間熱量進行交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一所述的裝置,其特征在于,還包括通過所述回流管路(10)而布置的熱交換器,用于冷卻所述回流管路(10)內(nèi)的壓力流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置,其特征在于,所述裝置被設(shè)置在內(nèi)燃機上,并且所述熱源包括被所述內(nèi)燃機加熱的流體或部件。
全文摘要
一種用于工具的氣動操作的裝置,包括大致封閉的壓力流體回路(2),至少一個用來增加在所述回路內(nèi)壓力流體的壓力的壓縮機(5),所述壓縮機(5)具有入口和出口,以及被所述回路內(nèi)的壓力流體驅(qū)動的工具,并且經(jīng)過所述工具,壓力流體在所述回路內(nèi)從所述壓縮機(5)的出口被輸送至所述入口。由所述壓縮機產(chǎn)生的壓力以及所述工具(8)所采用的載荷被設(shè)置成使得在所述工具(8)下游的回流壓力流體的壓力高于周圍大氣的壓力。
文檔編號F15B11/06GK1791749SQ200480013885
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者馬茨·赫德曼 申請人:卡爾克內(nèi)工程公司
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