Es ist ein pneumo-hydraulischer Wandler mit hin-und hergehendem Doppelkolben bekannt , der mit bestmöglichem Wirkungsgrad einen Druckluftspeicher mit einem Hydraulikkreislauf verbindet , derart dass

Energie in den Speicher f Hessen 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 .

Zweck 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

ausserordenthch wichtigen konstruktiven Faktor macht , der auch in der Anordnung der Ventile mitberucksichtigt werden muss .

Da der Wandler sowohl als Kompressor wie auch als Entspanner arbeiten soll , müssen die Ventilsätze jeder Seite — bestehend _j eweils aus Hochdruckventil , Austauschventil und Niederdruckventil zwangs- gesteuert 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 Losung dieser Aufgaben und die Funktionsweise der Erfindung werden mit Hilfe von Zeichnungen erklart , wobei

FIG .1 einen Längsschnitt durch die Achse der vier zylindrischen

Arbeitsraume zeigt ,

FIG .2 einen Schnitt quer zur Achse der Fig . l durch den Hochdruckraum und durch das Wärmetauscher-Rohrbündel darstellt , und schliesslich

FIG .3 den gleichen Schnitt wie die Fig .2 veranschaulicht , jedoch mit überbrückten Bündelrohren.

Der Wandler in seiner Hochdruckausführung besteht aus drei ungefähr gleich langen koaxialen Zylmderrohrstücken , 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 Ua/4b) beinhalten . Da ebenso die bewegten Teile wie auch die feststehenden Teile spiegelsymmetrisch in Bezug auf deren Langsmitte sind , ist das Vordruckrohr ( 1 ) sinngemass über Ventilflansche ( 5a/5b) mit den zwei eingeschraubten Hochdruckkammerrohre ( 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 Fohrstange (8) mechanisch fest verbunden sind und somit 2 x 3 Arbeitsräume definieren, und zwar: zwischen den Anschlussdeckeln (7a/7b) und den Hochdruckkolben UaMb) die Ölräume (9a/9b) , zwischen den Hochdruckkolben (Λa/4b) und den Ventilflanschen (5a/5b) die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) und zwischen den Ventilflanschen (5a/5b) und dem Vordruckkolben (2) die Luft- Vordruckräume ( lla/llb) . Die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) sind mit den Luft-Vordruckräumen ( lla/llb) über die Austauschventile

( 12a/12b) verbunden, die Aussenwelt kommuniziert mit den Vordruckräumen ( lla/llb) über die Niederdruckventile ( 13a/13b) und der Luftspeicher ( K) kann die Luft-Hochdruckräume ( lOa/lOb) über die Hochdruckventile ( 15a/15b) beaufschlagen, die vom Luftspeicher ( U) durch die Zuleitungen ( I6a/l6b) 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 ( I8a/l8b) 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 Hochdruck ventilen (15a/l5b) 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 Olanschlüssen

(26a/26b) , eine Beschaltungsmöglichkeit des Wandlers dargestellt, mit Zuleitungen (27a/27b) zu einem -V-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 Aus¬ tauschventil-Gleitdichtungen (40a/40b) werden auch die Tauscher- dichtungen (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 Eröhung 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 sinngemass 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 Vordruckkolben

(2 ) entspannte Luft im Raum ( Ilb) über das offene Niederdruckventil ( 13b) in die Umwelt verdrangt 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 ( Ila) 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

Flache des Vordruckkolbens (2) entstehende Schub, der über die Rohrstange (8) und die Rohre (38) des Tauscherbundeis übertragen wird : hier lauert die Knickgefahr ¹ 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 Inhaltes des Lufthochdruckraumes ( 10b) in den Vordruckraum ( Ilb) durch Expansion den Auslassdruck erreicht . Im Augenblick des Hubumkehrs müssen also zusammen mit der Umschaltung von (28) auch ( 15a) , ( 13a)

& ( 12b) geöffnet und ( 12a) & ( 13b) geschlossen werden ( wobei ( 13b) ja schon durch den auflaufenden Vordruckkolben (2) in die Schhesstellung gedruckt wird) . Diese Umschaltung kann durch einen Naherungsschalter ausgelöst werden .

Abschhessend 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 Verdrangervolumen-Regelbereich von höchstens 1 : 10 verfugen. 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 Lastanderungen zu folgen hat.

Arbeitet der Wandler ausschliesslich als Kompressor entfällt die

Zwangssteuerung der Ventile, es muss ledighch 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.