EINES GASES MIT EINER HUBKOLBENMASCHINE

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum

Entspannen eines Gases mit einer Hubkolbenmaschine.

Stand der Technik

Bei Hubkolbenkompressoren werden überwiegend selbsttätig arbeitende, durch Druckdifferenzen gesteuerte Ventile eingesetzt um ein Fluid mit Hilfe eines in einem Zylinder hin- und her beweglichen Kolbens zu verdichten. Nebst solchen selbsttätigen Ventilen ist aus dem Dokument WO 01 /59266A1 ein zwangsgesteuertes Drehschieberventil bekannt, welches in Kombination mit einem Hubkolbenkompressor und bei entsprechender Ansteuerung die Menge des vom Hubkolbenkompressor komprimierten Gases regeln kann. Dieses Drehschieberventil weist den Nachteil auf, dass der Verschleiss während des Betriebs relativ gross ist, und dass der Einsatzbereich des Drehschieberventils und der damit betriebenen Hubkolbenmaschine beschränkt ist. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es den Einsatzbereich von

Hubkolbenmaschinen zu erweitern. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisen die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 20 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einer Vorrichtung aufweisend die Merkmale von Anspruch 21. Die abhängigen Ansprüche 22 bis 23 betreffen weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum

Entspannen eines unter einem Gasdruck stehenden Druckgases mit einer Hubkolbenmaschine, wobei die Hubkolbenmaschine einen hin und her beweglichen Kolben sowie einen durch den beweglichen Kolben

begrenzten Arbeitsraum umfasst, indem das Druckgas über ein

ansteuerbares Drehschieberventil dem Arbeitsraum zugeführt wird, und indem das sich im Arbeitsraum befindliche Druckgas im Arbeitsraum entspannt wird.

Die Aufgabe wird zudem insbesondere gelöst Verfahren zum Entspannen eines unter einem Gasdruck stehenden Druckgases mit einer

Hubkolbenmaschine, wobei die Hubkolbenmaschine einen hin und her beweglichen Kolben, einen durch den beweglichen Kolben begrenzten Arbeitsraum, ein ansteuerbares Drehschieberventil zum Zuführen des Druckgases in den Arbeitsraum sowie ein ansteuerbares zweites Ventil zum Abführen von Gas aus dem Arbeitsraum umfasst, indem bei geschlossenem Drehschieberventil der Kolben zu einem oberen Totpunkt hin bewegt wird, und das zweite Ventil vor Erreichen des oberen Totpunkt geschlossen wird, wodurch durch den Kolben eine Gasrestmenge im Arbeitsraum komprimiert wird, indem das Drehschieberventil geöffnet wird, indem das Druckgas bei geöffnetem Drehschieberventil in den Arbeitsraum einströmt, der Kolben zu einem unteren Totpunkt hin bewegt wird, das Drehschieberventil während der Bewegung des Kolbens geschlossen wird, und das sich im Arbeitsraum befindliche Gas entspannt wird, indem das zweite Ventil geöffnet wird, indem das entspannte Gas über das zweite Ventil und durch den sich zum oberen Totpunkt hin bewegenden Kolben aus dem Arbeitsraum ausgestossen wird, und indem das zweite Ventil geschlossen wird, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, sodass die sich nach dem Schliessen des zweiten Ventils im Arbeitsraum befindliche Gasrestmenge komprimiert wird, und dadurch die im Bereich des oberen Totpunktes über dem Drehschieberventil anliegende Druckdifferenz reduziert wird.

Die Aufgabe wird zudem insbesondere gelöst mit einer Vorrichtung zum Entspannen eines Druckgases, umfassend eine Hubkolbenmaschine, wobei die Hubkolbenmaschine einen hin und her beweglichen Kolben sowie einen durch den beweglichen Kolben begrenzten Arbeitsraum umfasst, sowie umfassend ein ansteuerbares Drehschieberventil und ein ansteuerbares zweites Ventil, sowie umfassend eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern des Drehschieberventils und des zweiten Ventils, wobei das Druckgas über das Drehschieberventil dem Arbeitsraum zugeführt ist, und wobei das sich im Arbeitsraum befindliche Druckgas im Arbeitsraum entspannbar ist, wobei das sich im Arbeitsraum befindliche, entspannte Gas über das zweite Ventil abführbar ist, wobei die Ansteuervorrichtung das zweite Ventil bereits vor einem oberen Totpunkt zwangsgesteuert verschliesst, um eine sich im Arbeitsraum befindliche Gasrestmenge bis zum oberen Totpunkt zu verdichten, und dadurch die im Bereich des oberen Totpunktes am Drehschieberventil anliegende Druckdifferenz zu reduzieren.

Das erfmdungsgemässe Verfahren ermöglicht ein Entspannen eines komprimierten Gases beziehungsweise eines Druckgases von einem höheren Druckniveau auf ein tieferes Druckniveau unter Verwendung einer Hubkolbenmaschine, sodass die Hubkolbenmaschine, welche üblicherweise als Hubkolbenkompressor betrieben wird, als

Hubkolbenexpander betreibbar ist. Das erfmdungsgemässe Verfahren ermöglicht es, eine bisher nur als Hubkolbenkompressor betreibbare Hubkolbenmaschine auch als Hubkolbenexpander zu betreiben. Das erfmdungsgemässe Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenmaschine, beziehungsweise die erfmdungsgemässe Hubkolbenmaschine, umfasst ein ansteuerbares erstes Ventil, das als Drehschieberventil ausgestaltet ist, zum gesteuerten Zuführen des unter Druck stehenden Druckgases in den Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine. Das zugeführte Druckgas wird anschliessend im Arbeitsraum entspannt, und das entspannte Gas wird danach zumindest teilweise aus dem Arbeitsraum ausgestossen. Unter Druck stehende Ventile, wie diese für Hubkolbenmaschinen bzw. für Hubkolbenkompressoren verwendet werden, lassen sich üblicherweise entweder gar nicht öffnen, oder, falls sie sich öffnen lassen, nur unter Aufwendung grosser Kräfte und mit entsprechend hohem Verschleiss. Das erfmdungsgemässe Verfahren ermöglicht ein Entspannen des Druckgases mit einer Hubkolbenmaschine, indem das Druckgas über das erste Ventil dem Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine zugeführt wird, indem das zugeführte Druckgas anschliessend im Arbeitsraum bis zu einem unteren Totpunkt entspannt wird und anschliessend teilweise über ein

ansteuerbares zweites Ventil aus dem Arbeitsraum ausgestossen wird, und indem anschliessend das zweite Ventil geschlossen wird und eine im Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine verbliebene Gasrestmenge derart komprimiert wird, dass die über dem ersten Ventil anliegende

Druckdifferenz im Bereich des oberen Totpunktes der

Hubkolbenmaschine reduziert wird, vorzugsweise derart, dass die beim Öffnen des ersten Ventils über dem erste Ventil anliegende Druckdifferenz im Wesentlichen differenzdrucklos ist. Dadurch ist es möglich das erste Ventil im Bereich des oberen Totpunktes der Hubkolbenmaschine zu öffnen, sodass das Druckgas in den Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine einströmen kann, anschliessend im Arbeitsraum expandiert wird, und anschliessend aus dem Arbeitsraum ausgestossen wird. Vorteilhafterweise wird das erste Ventil zudem verschleissarm geöffnet. Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Hubkolbenmaschine, welche bisher insbesondere nur als Hubkolbenverdichter betrieben werden konnten, nun auch als Hubkolbenexpander betreibbar ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das erste Ventil trotz des anliegenden Drucks des Druckgases ansteuerbar geöffnet werden kann.

Vorteilhafterweise sind die zum Öffnen des ersten Ventils erforderlichen Kräfte nicht all zu hoch, sodass das erste Ventil insbesondere zeitlich sehr präzise angesteuert geöffnet werden kann. In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird das zweite Ventil derart angesteuert, dass die im Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine verbliebene Gasrestmenge derart bestimmt ist, dass die Gasrestmenge im Arbeitsraum im Bereich des oberen Totpunkts einen Druck aufweist, der höher ist als der Druck des Druckgases, was zur Folge hat, dass das erste Ventil besonders leicht betätigt werden kann. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste Ventil zudem derart als selbsttätiges Ventil ausgestaltet, dass sich dessen Schliesselement vom Ventilsitz abhebt, wenn der Druck im Arbeitsraum höher ist als der Druck des Druckgases. In diesem Falls liegt der Schliesselement beim Öffnen nicht mehr am Ventilsitz an, was ein besonders leichtes und zudem ein reibungsfreies oder weitgehend reibungsfreies Öffnen des Schliesselementes ermöglichst. Das erste Ventil ist vorteilhafterweise als Drehschieberventil ausgestaltet, sodass das Schliesselement beim Öffnen, nach dem Abheben, gedreht, vorzugsweise reibungsfrei gedreht werden kann.

Vorteilhafterweise wird die während des Entspannens des Druckgases im Innenraum des Zylinders frei werdende Energie beziehungsweise die während des Entspannens des Druckgases an die Hubkolbenmaschine bzw. den Kolben abgegebene Energie genutzt und abgeführt, zum Beispiel indem die Hubkolbenmaschine über eine von Kolben angetriebene Welle einen elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu

erzeugen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird dieselbe Hubkolbenmaschine je nach Erfordernis ansteuerbar als

Hubkolbenverdichter oder als Hubkolbenexpander betrieben, sodass entweder ein Gas zu einem Druckgas komprimiert wird, oder dass ein unter Druck stehendes Druckgas expandiert wird, wobei durch eine entsprechende Ansteuerung der Hubkolbenmaschine beziehungsweise deren Ventile die Hubkolbenmaschine entweder das Gas komprimiert oder das Druckgas expandiert. Eine derartige Hubkolbenmaschine ist zum Beispiel geeignet um einen Gasspeicher zu laden und zu entladen.

Besonders vorteilhaft sind sowohl das erste Ventil als auch das zweite Ventil als Schieberventile ausgestaltet, vorteilhafterweise als linear bewegliche Schieberventile, und besonders vorteilhaft als drehbar bewegliche Drehschieberventile. In einer weiteren Ausführungsform könnte das erste Ventil als Schieberventil ausgestaltet sein, wogegen das zweite Ventil einen Abhebegreifer umfasst, zum ansteuerbaren Schliessen des zweiten Ventils. In einem vorteilhaften Verfahren kann die Hubkolbenmaschine auch in einem Teillastbetrieb gefahren werden, indem in Arbeitsraum nur eine Teilmenge der maximal möglichen Gasmenge expandiert und/ oder komprimiert wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Hubkolbenmaschine als doppelwirkende Hubkolbenmaschine umfassend zwei gegengleich wirkende Arbeitsräume ausgestaltet. In einem vorteilhaften Verfahren wird die doppelwirkende Hubkolbenmaschine derart betrieben, dass der erste Arbeitsraum als Expansionsraum verwendet wird, um ein Druckgas zu entspannen, und dass der zweite Arbeitsraum als Kompressionsraum verwendet wird, um ein Gas zu verdichten. Vorzugsweise umfasst sowohl der erste als auch der zweite Arbeitsraum je ein ansteuerbares erstes und ein ansteuerbares zweites Ventil. Somit ist es möglich die ersten und zweiten Ventile der beiden Arbeitsräume unabhängig voneinander anzusteuern, und somit das Verdichten beziehungsweise das Entspannen in jedem Arbeitsraum individuell anzusteuern. Somit ist es beispielsweise möglich über den ersten Arbeitsraum eine maximal mögliche Menge Druckgas zu entspannen, und über den zweiten Arbeitsraum nur eine Teilmenge der maximal möglichen Gasmenge zu komprimieren. Ebenso ist es möglich sowohl den ersten Arbeitsraum als auch den zweiten

Arbeitsraum in einem Teillastbetrieb zu betreiben. Vorteilhafte

Anwendungen des erfmdungsgemässen Hubkolbenkompressors sind Kühlmaschinen oder Wärmepumpen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die

Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von einfachwirkenden und/ oder doppelwirkenden Kolben mit entsprechenden Arbeitsräumen, in welchen Gase verdichtet und/ oder entspannt werden. Insbesondere kann ein Kolbenkompressor sowohl Zylinder umfassen, in welchen eine

Kompression stattfindet, als auch Zylinder, in welchen eine Expansion stattfindet. Zudem ist es möglich, abhängig von den Erfordernissen, in Zylinder wahlweise eine Kompression oder eine Expansion durchzuführen. Vorzugsweise umfasst der Kolbenkompressor eine gemeinsame

Kurbelwelle, wobei zumindest einige der zu je einem Zylinder

zugeordneten Kolben mit der Kurbelwelle verbunden sind, damit die Kolben beim Komprimieren des Gases Energie von der Kurbelwelle beziehen, und damit die Kolben beim Expandieren des Gases Energie an die Kurbelwelle abgeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. la schematisch eine Hubkolbenmaschine mit einem Kolben in der Stellung des unteren Totpunkts;

Fig. lb schematisch eine Hubkolbenmaschine mit dem Kolben in der

Stellung des oberen Totpunktes;

Fig. 2 schematisch eine Hubkolbenmaschine mit einem doppelwirkenden

Kolben;

Fig. 3 ein P-V Diagramm einer Hubkolbenmaschine während eines

Expansionsbetriebs;

Fig. 4 ein P-V Diagramm einer Hubkolbenmaschine während eines

Kompressionsbetriebs;

Fig. 5 ein P-V Diagramm der Hubkolbenmaschine während einer ersten Variante eines Teillast-Expansionsbetriebs;

Fig. 6 ein P-V Diagramm der Hubkolbenmaschine während einer zweiten

Variante eines Teillast-Expansionsbetriebs;

Fig. 7 ein ansteuerbares als Drehschieberventil ausgestaltetes erstes Ventil;

Fig. 8 ein ansteuerbares zweites Ventil;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Ventilsitzes;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Schliesselementes;

Fig. 1 1 einen Längsschnitt durch einen Ventilverschluss;

Fig. 12 einen Ventilverschluss in angehobener Geschlossenstellung; Fig. 13 einen Ventilverschluss in angehobener Offenstellung;

Fig. 14 ein P-V Diagramm der Hubkolbenmaschine während einer dritten Variante eines Teillast-Expansionsbetriebs;

Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine mit Ventilen;

Fig. 16 eine Hubkolbenmaschine umfassend vier Kolben;

Fig. 17 schematisch eine Anordnung zur Verarbeitung eines Fluides. Grundsätzlich sind in den Zeichnungsfiguren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur l a zeigt eine Hubkolbenmaschine 2 umfassend einen Zylinder 3 sowie einen darin hin- und her beweglichen Kolben 4, wobei der Zylinder 3 und der Kolben 4 einen Innenraum 5 begrenzen, wobei der Innenraum 5 über ein als Drehschieberventil ausgestaltetes erstes Ventil 6 und eine Leitung 2 1 mit einem Druckbehälter 9 verbunden ist, und wobei der Innenraum 5 über ein zweites Ventil 7 und eine Leitung 2 1 Fluid leiten mit einem Raum 20, beispielsweise einem Aussenraum wie die

Atmosphäre mit Druck PA verbunden ist, der einen tieferen Druck aufweist als der Gasdruck PD des Gases GD im Druckbehälter 9. Der Kolben 4 ist über eine Kolbenstange 8 mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden. Figur l a zeigt den Kolben 4 in der Stellung eines unteren Totpunkts Pi , das heisst mit dem grösst möglichen Innenraum 5, aufweisend ein Volumen VUTP. Der Zylinder 3 weist an dessen Stirnseite Kanäle 3a, 3b auf, welche Fluid leitend mit den Ventilen 6, 7 verbunden sind. Das erste Ventil 6 ist als Druckventil 6c ausgestaltet, und das zweite Ventil 7 ist als Saugventil 7c ausgestaltet. Das Druckventil 6c und das Saugventil 7c sind mit Hilfe eines nur schematisch dargestellten

Linearantriebs 15 in Längsrichtung beweglich antreibbar. Die in den Figuren l a und lb dargestellte Hubkolbenmaschine 2 ist, abhängig von der Ansteuerung der Ventile 6 und 7, als Hubkolbenverdichter oder als Hubkolbenexpander betreibbar. Um die in Figur l a dargestellte

Hubkolbenmaschine 2 als Hubkolbenkompressor zu betreiben könnten das Druckventil 6c und das Saugventil 7c selbsttätig betrieben werden, indem beispielsweise auf den Linearantrieb 15 verzichtet wird oder dieser in einem Leerlaufbetrieb betrieben wird, und indem das zu

komprimierende Gas z.B. von der Atmosphäre über das Saugventil 7c angesogen wird, und indem das komprimierte Druckgas über das Druckventil 6c an den Druckbehälter 9 abgegeben wird. Um die in Figur la dargestellte Hubkolbenmaschine 2 als Hubkolbenexpander zu betreiben müssen das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 ansteuerbar betrieben werden, indem das Druckventil 6c beziehungsweise das

Saugventil 7c über den je schematisch dargestellten Antrieb 15 gesteuert geöffnet beziehungsweise geschlossen werden. In Figur la bewirken die Antriebe 15 eine Linearbewegung des Druckventils 6c beziehungsweise des Saugventils 7c, um jeweils eine Schliesselement von einem Ventilsitz abzuheben beziehungsweise an diesen anzupressen.

Figur lb zeigt eine Hubkolbenmaschine 2 mit einer Stellung des Kolbens 4 am oberen Totpunkt P3, das heisst dem kleinstmöglichen Innenraum 5, aufweisend ein Volumen VOTP. Das am oberen Totpunkt P3 noch

verbleibende Volumen VOTP des Innenraums 5 wird üblicherweise als Schadraum, Totraum oder als Restgas bezeichnet. In den

Ausführungsbeispielen gemäss Figur lb und Figur 2 sind das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 schematisch dargestellt, wobei diese Ventile 6,7 als Drehschieberventile ausgestaltet sind. Figur lb zeigt das erste Ventil 6 sowie das zweite Ventil 7 mit je einem Ventilsitz 12 sowie einem drehbar angeordneten Schliesselement 13. In den nachfolgenden Figuren 7 bis 13 sind Details eines Ausführungsbeispiels eines derartigen

Drehschieberventils beschrieben.

Figur 2 zeigt eine Hubkolbenmaschine 2 mit einem doppelt wirkenden Kolben 4, indem dieser den Innenraum 5 in einen erste Innenraum 5a und einen zweiten Innenraum 5b unterteilt. Jeder Innenraum 5a, 5b ist über ein entsprechendes als Drehschieberventil ausgestaltetes erstes Ventil 6, 6a, 6b sowie ein entsprechendes zweites Ventil 7, 7a, 7b sowie über Fluidleitungen 21 Fluid leiten mit nicht im Detail dargestellten Räumen verbunden. Die Ventile 6,7 sind vorzugsweise als

Drehschieberventile ausgestaltet. Figur 3 zeigt zwei P-V-Diagramme (P=Druck, V=Volumen) einer

Hubkolbenmaschine 2 während eines Expansionsbetriebs, wobei diese P- V-Diagramme mit Hilfe der Hubkolbenmaschine 2 umfassend

Drehschieberventile gemäss der Figur lb erklärt werden. Beim

Expansionsbetrieb wird das erste Ventil 6 als Einlassventil betrieben und das zweite Ventil 7 als Auslassventil betrieben, weshalb der Punkt P2 als zweiter Ventilschliesswinkel P2 oder als Auslassventilschliesswinkel P2 bezeichnet wird, und der Punkt P ₄ als erster Ventilschliesswinkel P ₄ oder als Einlassventilschliesswinkel P ₄ bezeichnet wird. In Figur 3 zeigt die Abszisse V die Grösse des Innenvolumens des Innenraums 5, wobei insbesondere das untere Totpunktvolumen VUTP beim unteren Totpunkt Pi, sowie das obere Totpunktvolumen VOTP beim oberen Totpunkt P3 dargestellt ist. Die Ordinate P zeigt den Druck des Gases im Innenraum 5. Das in Figur 3 dargestellte, als erstes P-V-Diagramm bezeichnete

Diagramm, umfasst die Punkte Pi, Po, P3 und P ₄ , beziehungsweise den diese Punkte verbindenden Streckenzug, beziehungsweise diesen

Kreisprozess. Das erste Ventil 6 wird vorzugsweise beim oberen Totpunkt P3 geöffnet, sodass das im Druckbehälter 9 unter Druck stehendes

Druckgas GD in den Innenraum 5 einströmt und der Kolben 4 entlang der Linie P34 zum Punkt P ₄ verschoben wird, ab welchem Punkt P ₄ das erste Ventil 6 ansteuerbar, und vorzugsweise zwangsgesteuert geschlossen wird. Der Kolben 4 bewegt sich weiter nach rechts, sodass das sich im Innenraum 5 befindliche Gas entlang der Linie P ₄ i bis zum unteren

Totpunkt Pi entspannt wird, bei welchem das zweite Ventil 7 ansteuerbar beispielsweise zum atmosphärischen Druck PA hin geöffnet wird. Der Kolben 4 bewegt sich bei geöffnetem zweiten Ventil 7 anschliessend nach links bis zum Punkt Po, an welchem das zweite Ventil 7 ansteuerbar geschlossen wird. Der Kreisprozess folgt der Linie P03, wobei im Punkt P3 das erste Ventil 6 zwangsgesteuert geöffnet wird, das heisst ansteuerbar zwangsgeöffnet wird, sodass das Druckgas GD wie bereits beschrieben in den Innenraum 5 einströmt. Unter dem Begriff zwangsgesteuert wird verstanden, dass das Ventil ohne Unterstützung durch die über den Ventil anliegende Differenzdruck, das heisst bei beliebiger Druckdifferenz, durch von einem Antrieb einwirkende mechanische Kräfte zwangsweise geöffnet beziehungsweise geschlossen wird.

Nachteilig an diesem ersten P-V-Diagramm ist, dass beim Öffnen des ersten Ventils 6 eine grosse Druckdifferenz über dem ersten Ventil 6 anliegt, da der Gasdruck im Innenraum 5 kurz vor dem Öffnen des ersten Ventils 6 etwa dem atmosphärischen Druck PA entspricht. Das erste Ventil 6 lässt sich auf Grund der anliegenden Druckdifferenz nur sehr schwierig öffnen, unter Umständen nur mit erheblichem Kraftaufwand. Falls der Antrieb 15 eine genügend grosse Kraft erzeugt, so kann das erste Ventil 6 somit zwangsgesteuert geöffnet werden, was jedoch den Nachteil ergibt, dass beim Öffnen des ersten Ventils 6 ein erheblicher Verschleiss auftritt. Das zwangsgesteuerte Öffnen des ersten Ventils 6 weist den weiteren Nachteil auf, dass der Gasdruck im Innenraum 5 relativ tief sein kann, sodass die Energie des in den Innenraum 5 einströmenden Gases im Ventil als Ventilverlust vernichtet wird. Vorteilhafterweise ist die

Druckdifferenz über dem ersten Ventil 6 beim Öffnen möglichst klein, damit das in den Innenraum 5 einströmende Druckgas den Kolben 4 antreibt, sodass die im Druckgas enthaltene Energie über die Bewegung des Kolbens 4 bzw. über die Hubkolbenmaschine abgeführt werden kann, zum Beispiel indem die Hubkolbenmaschine einen Generator antreibt. Somit kann die im Druckgas enthaltene Energie während der Expansion zurückgewonnen werden.

Das in Figur 3 dargestellte, als zweites P-V-Diagramm bezeichnete

Diagramm zeigt einen Kreisprozess beziehungsweise ein Verfahren umfassend die Punkte Pi, P2, P3 und P ₄ . Dieses erfmdungsgemässe

Verfahren zum Entspannen des sich im Druckbehälter 9 befindlichen Druckgases GD erfolgt dadurch, dass das zweite Ventil 7 bereits vor dem Erreichen des oberen Totpunkts P3, nämlich am zweiten

Ventilschliesswinkel P2 geschlossen wird, sodass sich beim Punkt P2 noch eine Gasrestmenge GR bzw. ein Gasrestmengenvolumen VR unter dem Druck PA im Arbeitsraum 5 befindet.

Es ist bekannt, dass eine Hubkolbenmaschine ein Totvolumen, auch als Schadraum bezeichnet aufweist, sodass beispielsweise, wenn sich der Kolben in der Stellung des oberen Totpunktes P3 befindet, noch ein oberes Totpunktvolumen VOTP in Toträumen wie dem Zylinderinnenraum und in den mit dem Zylinderinnenraum Fluid leitend verbunden Ventilen vorhanden ist. Die Gasrestmenge GR beziehungsweise das

Gasrestmengenvolumen VR umfasst beim Entspannungsdruck PA die Gasmenge im Totpunktvolumen VOTP und umfasst zudem ein

Zusatzvolumen Vz bzw. die dem Zusatzvolumen Vz entsprechende

Zusatzgasmenge Gz. Das Gewicht der Gasrestmenge GR wird während des Komprimierens vom Entspannungsdruck PA zum Gasdruck beim oberen Totpunkt P3 beibehalten, wogegen das Volumen der Gasrestmenge GR beim oberen Totpunkt P3 dem Totpunktvolume VOTP entspricht. Beim

Komprimieren zum Punkt P3 wird somit das Gewicht der Gasrestmenge GR beibehalten, wogegen das beim Punkt P2 unter dem Druck PA vorhandene Gasrestmengenvolumen VR auf Grund des ansteigenden Drucks reduziert wird. Diese Gasrestmenge GR beziehungsweise dessen

Gasrestmengevolumen VR umfasst beim Druck PA, wie in Figur 3

dargestellt, das Volumen VOTP sowie das Zusatzvolumen Vz, wobei das Zusatzvolumen Vz wie in Figur 3 dargestellt, beim Druck PA der

Volumendifferenz zwischen den Punkten P2 und Po entspricht. Das

Zusatzvolumen Vz entspricht einer Zusatzgasmenge, wobei das Gewicht der Zusatzgasmenge beziehungsweise das Gewicht der Gasrestmenge GR beim Komprimieren von Punkt P2 zu P3 konstant bleibt, während das Gasrestmengevolumen VR der Gasrestmenge GR am oberen Totpunkt P3 auf das Volumen VOTP reduziert wird. Dieses Komprimieren der

Gasrestmenge GR hat zur Folge, dass am oberen Totpunkt P3 die über dem ersten Ventil 6 anliegende Druckdifferenz reduziert wird. Das erste Ventil 6 wird im Bereich des oberen Totpunktes P3 vorzugsweise gesteuert geöffnet, sodass das Druckgas GD bei geöffnetem erstem Ventil 6 in den Arbeitsraum 5 einströmt, wobei sich der Kolben 4 nach Erreichen des oberen Totpunkts wieder in Richtung zum unteren Totpunkt hin bewegt, das heisst in der Darstellung gemäss Figur 3 nach rechts bewegt. Das erste Ventil 6 wird anschliessend beim erster Ventilschliesswinkel P ₄ wieder gesteuert geschlossen, und das sich im Arbeitsraum 5 befindliche Gas entlang der Kurve P ₄ i entspannt, bis das zweite Ventil 7 im Bereich des unteren Totpunkts Pi geöffnet wird. Anschliessend bewegt sich der Kolben 4 wieder zum oberen Totpunkt hin, in der Darstellung gemäss Figur 3 nach links, wobei das sich im Arbeitsraum 5 befindliche Gas solange über das zweite Ventil 7 ausgestossen wird, bis das zweite Ventil 7 beim zweiten Ventilschliesswinkel P2 wieder gesteuert geschlossen wird. Wenn hierin beschreiben wird, dass das erste Ventil 6 im Bereich des oberen Totpunktes P3 gesteuert geöffnet wird, und das zweite Ventil 7 im Bereich des unteren Totpunkts Pi gesteuert geöffnet wird, so ist unter dem Begriff„Bereich" ein Kurbelwellenwinkelbereich von +/- einem vorgegebenen Winkel, zum Beispiel +/- 10° und vorzugsweise +/- 5° zu verstehen, bezüglich dem oberen Totpunkt P3 beziehungsweise dem unteren Totpunkt Pi . Das erfmdungsgemässe Verfahren erfordert somit nicht, dass das erste bzw. zweite Ventil 6,7 exakt beim oberen Totpunkt P3 bzw. beim unteren Totpunkt Pi gesteuert geöffnet wird. Es reicht aus, wenn das erste bzw. das zweite Ventil 6,7 im Bereich dieser Totpunkte geöffnet wird, beispielsweise in einem Bereich +/- 5° um diesen

Totpunkte. Der Kurbelwellenwinkel ist durch das Drehen des Antriebs der Hubkolbenmaschine 2 vorgegeben, wobei der obere Totpunkt P3 des Kolbens 4 einem Kurbelwellenwinkel von 0° beziehungsweise 360°und der untere Totpunkt Pi des Kolbens 4 einem Kurbelwellenwinkel von 180° entspricht. Da das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 vorzugsweise mit dem Antriebsmittel 15 gesteuert geöffnet und geschlossen werden, kann der effektive Winkel, bei welchem das Ventil 6,7 geöffnet beziehungsweise geschlossen wird, durch die Ansteuervorrichtung 100 bestimmt

beziehungsweise vorgegeben werden. Abhängig von Verfahrensparametern der Hubkolbenmaschine, wie zum Beispiel Drehgeschwindigkeit der Hauptwelle, Reaktionszeit der Ventile 6,7, selbsttätiges Abheben des Drehventils usw. kann es sich als vorteilhaft erweisen das erste Ventil 6 kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts P3, beim oberen Totpunkt P3, oder kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts P3 gesteuert zu öffnen, beziehungsweise kann es sich als vorteilhaft erweisen das zweite Ventil 7 kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunkts Pi, beim unteren Totpunkt Pi, oder kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts Pi gesteuert zu öffnen. Das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 7 sind vorzugsweise als

Drehschieberventile 10 ausgestaltet, wobei das Drehschieberventil 10 durch ein Drehen eines Schliesselements 13 gesteuert geöffnet und gesteuert geschlossen werden kann. Ein solches Ausführungsbeispiel eines ansteuerbaren ersten Ventils 6 ist in Figur 7 dargestellt, und ein Ausführungsbeispiel eines ansteuerbaren zweiten Ventils 7 in Figur 8.

Der Druck im Innenraum 5 am oberen Totpunkt P3, und damit die beim Öffnen des ersten Ventils 6 über diesem anliegende Druckdifferenz, wird bestimmt durch das Volumen und den Druck der Gasrestmenge GR am Punkt P2, bei welcher das zweite Ventil 7 geschlossen wird, sowie durch die nachfolgende Kompression, hervorgerufen durch die Bewegung des Kolbens 4 vom Punkt P2 zum oberen Totpunkt P3.

Beim erfmdungsgemässen Verfahren wird bei geschlossenem ersten Ventil 6 eine Gasrestmenge GR im Arbeitsraum 5 komprimiert und anschliessend das erste Ventil 6 geöffnet, indem das Druckgas GD bei geöffnetem ersten Ventil 6 in den Arbeitsraum 5 einströmt und das erste Ventil 6

anschliessend geschlossen wird, indem anschliessend das sich im

Arbeitsraum 5 befindliche Gas entspannt wird, indem das entspannte Gas über das zweite Ventil 7 aus dem Arbeitsraum 5 ausgestossen wird, und indem das zweite Ventil 7 vor dem Erreichen eines oberen Totpunkts P3 der Hubkolbenmaschine 2 geschlossen wird, sodass die sich nach dem Schliessen des zweiten Ventils 7 im Arbeitsraum 5 befindliche Gasrestmenge GR komprimiert wird.

Vorteilhafterweise wird das zweite Ventil 7 im Bereich des unteren

Totpunkts Pi geöffnet, vorzugsweise bei 180°, und wird das entspannte Gas anschliessend über das zweite Ventil 7 teilweise aus dem Arbeitsraum 5 ausgestossen, wobei das zweite Ventil 7 bei einem zweiten

Ventilschliesswinkel P2 geschlossen wird, bei welchem sich die

Gasrestmenge GR im Arbeitsraum 5 befindet, wobei die Gasrestmenge GR anschliessend im Arbeitsraum 5 verdichtet wird, wobei der im Bereich des oberen Totpunkts P3 über dem geschlossenen, ersten Ventil 6 anliegende Differenzdruck DD durch zumindest einen der Parameter zweiter

Ventilschliesswinkel P2 und Gasrestmenge GR bestimmt wird. Unmittelbar nach dem Öffnen des ersten Ventils 6 im Bereich des oberen Totpunkte P3 liegt diese Differenzdruck DD am ersten Ventil 6 an, wobei dieser

Differenzdruck DD sich durch das anschliessend in den Arbeitsraum 5 einströmende Druckgas GD verändert.

Der zweiten Ventilschliesswinkel P2 wird vorteilhafterweise derart vorgegeben, dass die Gasrestmenge GR im Bereich des oberen Totpunkts P3 im Wesentlichen den Druck PD des Druckgases GD aufweist, sodass das erste Ventil 6 im Bereich des oberen Totpunkts P3 im Wesentlichen differenzdrucklos oder vollständig differenzdrucklos geöffnet werden kann. Es kann sich auch als vorteilhaft erweisen, dass die Gasrestmenge GR beziehungsweise der zweiten Ventilschliesswinkel P2 derart gewählt ist, dass der Arbeitsraum 5 im Bereich des oberen Totpunkts P3 einen

Gasdruck aufweist, der den Druck PD des Druckgases GD übersteigt, sodass das erste Ventil 6 besonders leicht zu öffnen ist.

In einem weiteren, vorteilhaften Verfahren wird das erste Ventil 6 nach dem oberen Totpunkt P3 bei einem erste Ventilschliesswinkel P ₄ geschlossen, bei welchem sich eine Gasexpansionsmenge GE im

Arbeitsraum 5 befindet, wobei die Gasexpansionsmenge GE anschliessend im Arbeitsraum 5 entspannt wird, sodass das Gas im Bereich des unteren Totpunktes Pi einen Entspannungsgasdruck ρε aufweist, wobei der bei geschlossenem zweiten Ventil 7 im Bereich des unteren Totpunkts Pi im Arbeitsraum 5 anliegende Entspannungsgasdruck ρε durch zumindest einen der Parameter erster Ventilschliesswinkel P ₄ und

Gasexpansionsmenge GE bestimmt wird. In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird der erster

Ventilschliesswinkel P ₄ derart vorgegeben wird, dass die

Gasexpansionsmenge GE im Bereich des unteren Totpunkts Pi einen Entspannungsgasdruck ρε aufweist, der im Wesentlichen dem

anliegenden Auslassdruck PA des zweiten Ventils 7, zum Beispiel dem atmosphärischen Druck entspricht, sodass die am zweiten Ventil 7 anliegende Druckdifferenz minimiert wird, und das zweite Ventil 7 vorteilhafterweise im Wesentlichen differenzdrucklos geöffnet wird.

In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird, wie in Figur 14 dargestellt, das zweite Ventil 7 geringfügig vorzeitig geschlossen und der zweite

Ventilschliesswinkel P' ₂ derart gewählt, dass die Gasrestmenge GR im Arbeitsraum 5 im Bereich des oberen Totpunkts P'3 bei geschlossenem ersten Ventil 6 einen Gasdruck p _ma x aufweist, der den Gasdruck PD des Druckgases GD übersteigt.

In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird, wie in Figur 14 dargestellt, das erste Ventil 6 geringfügig vorzeitig geschlossen und der erste

Ventilschliesswinkel P' ₄ derart gewählt ist, dass bei geschlossenem zweiten Ventil 7 die Gasexpansionsmenge GE im Bereich des unteren Totpunkts ΡΊ einen Entspannungsgasdruck ρε aufweist, der kleiner als der

Auslassdruck PA des Ventils 7 ist. Vorteilhafterweise umfass das erste Ventil 6 und/ oder das zweite Ventil 7 einen Ventilsitz 12 mit einer Durchlassöffnung 12a sowie ein

Schliesselement 13 zum Schliessen der Durchlassöffnung 12a, wobei das Schliesselement 13 des ersten Ventils 6 im Bereich des oberen Totpunkts P3 auf Grund des Gasdrucks der Gasrestmenge GR selbsttätig bezüglich des Ventilsitzes 12 angehoben wird und/ oder dass das Schliesselement 13 des zweiten Ventils 7 im Bereich des unteren Totpunkts Pi auf Grund des Gasdrucks der Gasexpansionsmenge GE selbsttätig bezüglich des

Ventilsitzes 12 angehoben wird. Dieses selbsttätige Anheben wird noch nicht als ein Öffnen des Ventils bezeichnet, da das Schliesselement 13 nur geringfügig angehoben wird, vorzugsweise im Bereich von weniger als ein Millimeter, und somit, falls überhaupt, nur ein vernachlässigbar kleiner Gasdurchfluss durch das Ventil hindurch stattfindet. Das Schliesselement 13 des ersten und/ oder des zweiten Ventils 6, 7 wird nach dem

selbsttätigen Anheben vom Ventilsitz 12 gesteuert von der

Durchlassöffnung 12a wegbewegt, um diese freizugeben und dadurch zu öffnen. Das Schliesselement 13 wird vorzugsweise durch eine

Drehbewegung derart entfernt bzw. bewegt, dass die Durchlassöffnung 12a des Ventils freigegeben wird, wobei diese Bewegung auch durch eine Linearbewegung erfolgen könnte.

Vorteilhafterweise umfassen das erste Ventil 6 und/ oder das zweite Ventil 7 einen Ventilsitz 12 mit einer Durchlassöffnung 12a sowie ein

Schliesselement 13 zum Schliessen der Durchlassöffnung 12a, wobei das erste Ventil 6 und/ oder das zweite Ventil 7 als ein Drehschieberventil ausgestaltet ist, und wobei die Durchlassöffnung 12a durch eine Drehen des Schliesselementes 13 geöffnet beziehungsweise geschlossen wird.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann das erste und/ oder zweite Ventil 6,7 auch derart ausgestaltet sein, dass sich das

Schliesselement 13 nicht senkrecht zum Ventilsitz 12 beweglich ist, sodass kein selbsttätiges Anheben des Schliesselementes 13 möglich ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Schliesselement 13 an einen Antrieb 15 gekoppelt, der genügend stark ist, um das Schliesselement 13 des ersten Ventils 6 bzw. des zweiten Ventils 7 zwangsgesteuert zu öffnen und zwangsgesteuert zu schliessen.

In einem weiteren, vorteilhaften Verfahren wird ein

Verfahrensparametersollwert Vs des ersten Ventils 6 vorgegeben, beispielsweise der Druck im Innenraum 5 im Bereich des oberen

Totpunkts P3. Dazu wird ein Auslassventilschliesswinkelistwert P21 des zweiten Ventils 7 während nacheinander folgenden Hubzyklen variiert und ein Verfahrensparameteristwert Vi des erste Ventils 6 in Abhängigkeit des Auslassventilschliesswinkelistwert P21 gemessen, wobei derjenige

Auslassventilschliesswinkelistwert P21 als Auslassventilsollschliesswinkel P2S011 bestimmt wird, bei welchem der Verfahrensparameteristwert Vi am nächsten beim Verfahrensparametersollwert Vs liegt. Beim nachfolgenden kontinuierlichen Betrieb der Hubkolbenmaschine 2 wird dann das zweite Ventil 7 ansteuerbar beim Auslassventilsollschliesswinkel P2S0I1

geschlossen. Somit kann beispielsweise der im Innenraum 5 auftretende Druck im Bereich des oberen Totpunkts P3 vorgegeben beziehungsweise eingestellt werden. Dieses Verfahren kann auf analoge Weise auch verwendet werden um einen Verfahrensparametersollwert Vs des zweiten Ventils 7 vorzugeben, beispielsweise der Druck im Innenraum 5 im

Bereich des unteren Totpunkts PL In einem weiteren möglichen Verfahren wird das Druckgas GD über zumindest zwei in Serie geschaltete Hubkolbenmaschinen 2 entspannt, indem das unter Druck PD stehende Druckgas GD in einer ersten

Hubkolbenmaschine auf einen ersten Entspannungsgasdruck PEI entspannt wird, und indem das unter dem Entspannungsgasdruck

PEI stehende Gas in einer nachfolgenden, zweiten Hubkolbenmaschine auf einen zweiten Entspannungsgasdruck PE2 entspannt wird. Figur 4 zeigt ein an sich bekanntes P-V Diagramm beziehungsweise einen Kreisprozess einer Hubkolbenmaschine 2 während eines

Kompressionsbetriebs. Dabei wird ein Kolben, ausgehend vom Punkt Q l , dem unteren Totpunkt, zum Punkt Q3, dem oberen Totpunkt hin bewegt, wobei ein angesogenes, sich im Arbeitsraum 5 befindliches Gas

ausgehend vom Punkt Q 1 , bis zum Punkt Q2 verdichtet wird, wobei das erste Ventil 6 im Punkt Q2 geöffnet wird, und wobei das verdichtete Gas vom Punkt Q2 bis zum Punkt Q3, dem oberen Totpunkt, aus dem

Arbeitsraum 5 ausgestossen wird. Dabei wird der Kolben, ausgehend vom Punkt Q3 zum Punkt Q l , dem unteren Totpunkt hin bewegt. Ausgehend vom Punkt Q3 wird das erste Ventil 6 geschlossen und das zweite Ventil 7 beim Punkt Q4 geöffnet, wobei vom Punkt Q4 bis zum Punkt Q 1 ein Gas über das zweite Ventil 7 in den Arbeitsraum 5 angesogen wird und dabei der Arbeitsraum 5 mit Gas gefüllt wird. Im Punkt Q l wird das zweite Ventil 7 geschlossen, und das Gas im Arbeitsraum 5 komprimiert.

Beim erfmdungsgemässen Verfahren kann die Hubkolbenmaschine 2 in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi, nämlich als Hubkolbenverdichter oder als Hubkolbenexpander betrieben werden, wobei zwischen diesen Betriebsmodi ansteuerbar umgeschaltet werden kann, insbesondere indem das erste und das zweite Ventil 6,7 entsprechend dem gewählten Betriebsmodus ansteuerbar geöffnet und geschlossen werden. Das Verfahren zum Entspannen und zum Verdichten eines Gases G mit der Hubkolbenmaschine 2 erfolgt derart, dass das Gas mit der

Hubkolbenmaschine 2 zu dem unter Druck PD stehenden Druckgas GD verdichtet wird, und/ oder dass das unter Druck PD stehende Druckgas GD wieder entspannt wird. Vorteilhafterweise wird die Hubkolbenmaschine 2 derart kontinuierlich betrieben, dass die Hubkolbenmaschine 2 während des kontinuierlichen Betriebs durch eine entsprechende Ansteuerung des erste Ventils 6 und des zweiten Ventils 7 als ein Hubkolbenexpander oder ein Hubkolbenverdichter betrieben wird, wobei durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile vorzugsweise während eines kontinuierlichen Betriebs vom Hubkolbenexpanderbetrieb zum Hubkolbenverdichterbetrieb und umgekehrt umgeschaltet werden kann.

Figur 5 zeigt in einem P-V Diagramm ein weiteres, vorteilhaftes Verfahren, bei welchem die Menge des durch den Hubkolbenexpander 2 entspannten Gas mit Hilfe einer Teillastregelung beeinflusst werden kann. Dabei wird das erste Ventil 6 vorzeitig bei einem ersten Ventilschliesswinkel P 4 geschlossen, bei welchem sich ein Teilgasvolumen VTE beziehungsweise eine Teilgasexpansionsmenge GTE im Arbeitsraum 5 befindet. Diese

Teilgasexpansionsmenge GTE ist kleiner als die beim Punkt P4 mögliche, maximale Gasexpansionsmenge GEMAX. Die Teilgasexpansionsmenge GTE wird anschliessend expandiert, bis am Arbeitspunkt P'l das zweite Ventil 7 geöffnet wird. Somit wird nur eine Teilmenge der maximal möglichen Gasmenge expandiert.

Figur 6 zeigt in einem P-V Diagramm ein weiteres, vorteilhaftes Verfahren, bei welchem die Menge des durch den Hubkolbenexpander 2 entspannten Gases mit Hilfe einer Teillastregelung beeinflusst werden kann. Dabei wird das zweite Ventil 7 vorzeitig bei einem zweiten Ventilschliesswinkel P'2 geschlossen, bei welchem sich ein Überschussgasvolumen VRZ bzw. eine Überschussgasmenge GRZ im Arbeitsraum 5 befindet. Dies hat zur Folge, dass der Gasdruck im Arbeitsraum 5 den Druck PD im Druckbehälter 9 bereits beim Punkt P3' übersteigt, sodass das erste Ventil 6 geöffnet werden kann, und vorzugsweise selbsttätig oder zwangsgeöffnet wird, und die Überschussgasmenge GRZ vorerst in den Druckbehälter 9 gepresst wird, bevor, nach dem oberen Totpunkt P3, wieder Gas über das erste Ventil 6 in den Arbeitsraum 5 einströmen kann. Es ist zudem möglich die beiden in Figur 5 und 6 dargestellten Verfahren zu kombinieren, um zum Beispiel besonders kleine Gasmengen zu expandieren.

In einem weiteren, vorteilhaften Verfahren umfasst die

Hubkolbenmaschine 2, wie in Figur 2 dargestellt, einen doppelt wirkenden Kolben 4, welcher den Innenraum 5 in einen ersten Innenraum 5a und einen zweiten Innenraum 5b unterteilt, wobei jedem Innenraum 5a,5b ein erstes Ventil 6 und ein zweites Ventil 7 zugeordnet ist, und sodass gleichzeitig im ersten Innenraum 5a das Gas zum Druckgas GD verdichtet wird und im zweiten Innenraum 5b das Druckgas GD entspannt wird.

Zudem könnten unterschiedliche Gase gefördert werden. Bei Verwendung einer Teillastregelung, wie beispielweise mit den Figuren 5 und 6

offenbart, können im ersten Innenraum 5a und im zweiten Innenraum 5b unterschiedliche Gasmengen, falls erforderlich auch mit unterschiedlichen Gasdrücken gefördert werden.

Die Figuren 7 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele von geeigneten Ventilen und deren Komponenten zur Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens. Figur 7 zeigt in einem Längsschnitt ein erstes Ventil 6 umfassend einen Ventilsitz 12 mit Durchlassöffnungen 12a, Stirnseite 12b und Bohrung 12e, sowie umfassend ein um eine Drehachse D drehbares Schliesselement 13 zum Öffnen und Schliessen der Durchlassöffnungen 12a. Der Ventilsitz 12 und das Schliesselement 13 bilden ein

Drehschieberventil 10. Das erste Ventil 6 umfasst zudem eine Laterne 16 mit Durchlassöffnungen 16a, und umfasst einen Antrieb 15 zum Drehen einer Welle 14, welche direkt mit dem Schliesselement 13 verbunden sein kann, um dieses anzutreiben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Welle ein erstes Wellenteil 14a, eine in Längsrichtung L elastische Kupplung 19 sowie ein zweites Wellenteil 14b. Das zweite Wellenteil 14b ist in der Bohrung 12e geführt und ist in Längsrichtung L beweglich. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sich das Schliesselement 13 bei entsprechenden Druckverhältnissen selbsttätig vom Ventilsitz 12 abheben kann bzw. sich selbsttätig an den Ventilsitz 12 anlegen kann. Ein Sensor 100c misst die Distanz zum zweiten Wellenteil 14b, woraus die Ansteuervorrichtung 100 die Distanz zwischen

Schliesselement 13 und Stirnseite 12b des Ventilsitzes 12 bestimmen kann. Die Ansteuervorrichtung 100 ist über die Leitung 100b mit dem Sensor 100c, über die Leitung 100a mit dem Stellantrieb 15, und über die Leitung lOOd mit einem Sensor lOOe, beispielsweise einem

Drehwinkelsensor der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden. Es können zusätzliche Sensoren und Aktuatoren vorgesehen sein, die mit der Ansteuervorrichtung 100 verbunden sind, und welche die vorhin

beschriebenen Verfahrensparameter wie beispielsweise Gasdruck PD oder Entspannungsgasdruck PE messen, oder welche beispielsweise erste oder zweite Ventile 6,7 ansteuern. In einem weiteren Ausführungsbeispiel könnte auf die Beweglichkeit in Längsrichtung L verzichtet werden, sodass das Schliesselement 13 einzig um die Drehachse D drehbar gelagert ist. Ein Drehen des

Schliesselementes 13 hätte bei dieser Ausführungsform zur Folge, dass das Schliesselement 13 entlang der Stirnseite 12b des Ventilsitzes 12 gleitet.

Figur 8 zeigt in einem Längsschnitt ein zweites Ventil 7, das an sich ähnlich ausgestaltet ist wie das erste Ventil 6 gemäss Figur 7, mit dem Unterschied, dass das Schliesselement 13 auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes 12 angeordnet ist. Zudem verläuft die Welle 14 durchgehend durch den Ventilsitz 12. Zudem umfasst die Welle 14 eine Ausnehmung 14d, in welcher ein Sensor 18 angeordnet ist, sowie eine in Längsrichtung L elastische Kupplung 19, sodass das Schliesselement 13 in Längsrichtung L beweglich gelagert ist, wobei die Kupplung 19 bezüglich einer Drehung um die Drehachse D vorzugsweise starr ist. Mit dem Sensor 18 kann beispielsweise die Änderung der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenteil 14a, 14b beziehungsweise die Lage des Schliesselementes 13 bezüglich des Ventilsitzes 12 gemessen werden. Figur 9 zeigt den Ventilsitz 12 im Detail. Dieser umfasst eine Mehrzahl von Durchlassöffnungen 12a und Stegen 12f, und umfasst eine Stirnseite 12b, eine ringförmige Auflagefläche 12c sowie die Bohrung 12e mit

Drehzentrum Z.

Figur 10 zeigt das Schliesselement 13 im Detail. Dieses umfasst eine Mehrzahl von Schliessarmen 13a sowie Zwischenräume 13b, und umfasst eine Nabe 13e sowie eine Zentralbohrung 13c.

Figur 1 1 zeigt mit einem Längsschnitt das in Figur 7 dargestellte

Drehschieberventil 10 im Detail. Zudem zeigt Figur 1 1 einen Längsschnitt durch den Ventilsitz 12 gemäss Figur 9 sowie einen Längsschnitt durch das Schliesselement 13 gemäss Figur 10. Das Schliesselement 13, aufweisend eine Dichtfläche 13d, ist gegenüber dem Ventilsitz 12 angehoben, unter Ausbildung eines Spaltes S. Das Schliesselement 13 nimmt diese Stellung bei dem in Figur 7 dargestellten ersten Ventil 6 dann ein, wenn das Schliesselement 13 auf Grund der am Schliesselement 13 anliegenden Druckverhältnisse selbsttätig angehoben wurde. Figur 12 zeigt das Drehschieberventil 10 in dieser Stellung aus perspektivischer Sicht. Der Schnitt entlang der Linie A-A ist zudem in Figur 1 1 dargestellt. Diese Stellung wird noch nicht als geöffnet bezeichnet, da das

Schliesselement 13 erst angehoben ist, die Durchlassöffnung 12a jedoch noch bedeckt ist, und der Gasdurchtritt durch den Spalt S vorzugsweise vernachlässigbar klein ist. Figur 13 zeigt das gegenüber dem Ventilsitz 12 angehobene Schliesselement 13 in vollständig geöffneter Stellung, indem das Schliesselement 13, gegenüber der Stellung gemäss Figur 12, in Drehrichtung D l gedreht wurde, und die Durchlassöffnung 12a nicht mehr bedeckt ist und somit vollständig geöffnet ist. Um das

Drehschieberventil 10 wieder zu schliessen, muss das Schliesselement 13 in Drehrichtung D2 gedreht werden, bis die Schliesselemente 13 die Durchlassöffnungen 12a vollständig überdecken. Vorteilhafterweise wird das Schliesselement 13 in abgehobener Stellung gedreht, um

insbesondere einen Verschleiss zu reduzieren. Das Drehschieberventil 10 kann jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass das Schliesselement 13 nicht in Längsrichtung L beweglich ist, sodass das Schliesselement 13 immer am Ventilsitz 12 anliegt und in dieser Stellung bezüglich dem

Ventilsitz 12 in Drehrichtung D l oder D2 gedreht werden kann, um das Drehschieberventil 10 durch Drehen zwangsgesteuert zu öffnen

beziehungsweise zwangsgesteuert zu schliessen. Das Schliesselement ist über die Befestigungsseite 13f mit der Welle 14 verbunden.

Figur 7 zeigt schematisch die Ansteuerung einer Hubkolbenmaschine 2. Die erfmdungsgemässe Hubkolbenmaschine 2 umfasst, wie bereits in Figur la und lb beschrieben, einen Zylinder 3 sowie einen darin

angeordneten, beweglichen Kolben 4, der im Zylinder 3 einen Arbeitsraum 5 begrenzt, und der zwischen einem unteren Totpunkt Pi und einem oberen Totpunkt P3 hin und her beweglich im Zylinder 3 angeordnet.

Zudem umfasst die Hubkolbenmaschine 2 ein ansteuerbares erstes Ventil 6 sowie ein ansteuerbares zweites Ventil 7, welche Fluid leitend mit dem Arbeitsraum 5 verbunden sind. Die Ansteuervorrichtung 100 ist Signal leitend mit dem ersten Ventil 6 sowie dem zweiten Ventil 7 verbunden, zum Beispiel durch eine elektrische Leitung 100a zum Ansteuern des Antriebs 15, eine Leitung 100b zum Erfassen der Lage des

Schliesselements 3 bezüglich des Ventilsitzes 12 mittels eines Sensors 100c, oder eine Leitung 1 lOd zum Erfassen des Kurbelwellenwinkels der Hubkolbenmaschine 2 mit einem Sensor lOOe. Die Ansteuervorrichtung 100 steuert das zweite Ventil 7 derart an, dass dieses bereits vor dem oberen Totpunkt P3, das heisst wie in Figur 3 dargestellt beim Punkt P2, zwangsgesteuert geschlossen wird, um eine sich im Arbeitsraum 5 befindliche Gasrestmenge GR bis zum oberen Totpunkt P3 zu verdichten, und dadurch die im Bereich des oberen Totpunktes P3 am ersten Ventil 6 anliegende Druckdifferenz zu reduzieren, sodass am ersten Ventil 6 vorteilhafterweise eine geringe oder gar keine Druckdifferenz anliegt, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Druck im Innenraum 5 höher ist als im Druckbehälter 9, sodass das Schliesselement 13 im Bereich des oberen Totpunktes P3 vorzugsweise selbsttätig angehoben wird.

Figur 15 zeigt schematisch eine Hubkolbenmaschine 2 umfassend einen Zylinder 3, einen doppelwirkenden Kolben 4 sowie einen ersten

Innenraum 5a und einen zweiten Innenraum 5b. Ein Fluideinlass 21a ist über eine Fluidleitung 21 und ein frei laufenden erstens Ventil 6a Fluid leitend mit dem ersten Innenraum 5a verbunden. Der erste Innenraum 5a ist über ein frei laufendes zweites Ventil 7a und eine Fluidleitung 21 fluidleitend mit dem Fluidauslass 21b verbunden. Das zweite Ventil 7a bzw. die Fluidleitung 21 ist über eine Fluidleitung 21c sowie über ein ansteuerbares Drehschieberventil 6b Fluid leitend mit dem zweiten

Innenraum 5b verbunden. Der zweite Innenraum 5b ist über ein

ansteuerbares Drehschieberventil 7b und eine Fluidleitung 21c

fluidleitend mit dem ersten Ventil 6a bzw. der Fluidleitung 21 verbunden. Die Drehschieberventile 6b und 7b, umfassen je einen Ventilsitz 12 sowie ein Schliesselement 13, sind über eine Signalleitung 100a mit einer nicht dargestellten Ansteuervorrichtung verbunden. Die in Figur 15 dargestellte Anordnung ermöglicht es, die zwischen Einläse 21a und Ausläse 21b geförderte Fluidmenge in einem Bereich zwischen 0% und 100%

anzusteuern. Die geförderte Fluidmenge beträgt 100% wenn die

ansteuerbaren Drehschieberventile 6b, 7b so angesteuert werden als wären sie frei laufende Ventile, wobei das Ventil 6b ein Auslassventil wäre und das Ventil 7b ein Einlassventil. Um die geförderte Fluidmenge zu reduzieren werden die Drehschieberventile 6b, 7b derart angesteuert, dass zumindest ein Teil des geförderten Fluides in Fluidrichtung u im Kreis gefördert, indem das über das zweite Ventil 7a austretende Fluid teilweise oder sogar vollständig über die Fluidleitung 21c und das

Drehschieberventil 6b dem zweiten Innenraum 5b zugeführt wird, und in dem das sich im zweiten Innenraum 5b befindliche Fluid über

Drehschieberventil 7b und die Fluidleitung 21c und das erste Ventil 6a wieder dem ersten Innenraum 5a zugeführt wird. Bei einer Förderung von 0% werden die Drehschieberventile 6b, 7b derart angesteuert, dass der gesamte Inhalt vom ersten Innenraum 5a dem zweiten Innenraum 5b zugeführt wird, und indem anschliessend der gesamte Inhalt des zweiten Innenraums 5b wieder dem ersten Innenraum 5a zugeführt wird, sodass über den Fluideinlass 21a und den Fluidauslass 21b kein Fluid oder eine vernachlässigbar kleine Menge Fluid gefördert wird. Somit ist es möglich durch ein entsprechendes ansteuern der Drehschieberventile 6b, 7b die Fördermenge des Fluides zwischen dem Einläse 21a und dem ein dem Ausläse 21b in einem Bereich von 0 bis 100 % zu variieren. Das mit Figur 15 beschriebene Verfahren könnte natürlich auch mit zwei einfach wirkenden Kolben 4 betrieben werden, sodass zum Betrieb zwei Zylinder 3 mit Kolben 4 erforderlich wären.

Figur 16 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Hubkolbenmaschine 2 umfassend ein Maschinengehäuse 2a, eine gemeinsame Welle 2b sowie eine Mehrzahl von am Maschinengehäuse 2a befestigten Zylindern 3, deren Kolben 4 über je eine Kolbenstange 2c von der gemeinsamen Welle 2b angetrieben sind. Im dargestellten

Ausführungsbeispiel umfasst die Hubkolbenmaschine 2 vier Zylinder 3c, 3d, 3e, 3f, wobei die Fluid leitenden Verbindungen sowie die Ventile nicht im Detail dargestellt sind.

Figur 17 zeigt schematisch und beispielhaft eine mögliche Fluid leitende Verschal tung der in Figur 16 dargestellte Hubkolbenmaschine 2, sowie Fluidleitungen 21 sowie einen ersten, einen zweiten sowie einen dritten Kühler 22a, 22b, 22c. Die vier Zylinder 3c,3d,3e,3f können, abhängig von den verwendeten Ventilen sowie deren Ansteuerung, beispielsweise wie in Figur 17 dargestellt derart betrieben werden, dass der erste Zylinder 3c, der zweite Zylinder 3d und der dritte Zylinder 3e als Kompressor betrieben werden, wobei jeder Zylinderausgang über eine Fluidleitung 21 einem nachfolgenden Kühler 22a, 22b, 22c zugeführt wird, und dass der vierte Zylinder 3f als Expander betrieben wird, wobei ein zu verarbeitendes Fluid einem Fluideinlass 21a zugeführt wird und nach der Expansion vom

Fluidauslass 21b abgeführt wird. Das Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung gemäss der Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine

Hubkolbenmaschine 2 eine Mehrzahl von Kolben 4 und Zylinder 3 aufweisen kann, zumindest zwei, wobei diese Zylinder 3 abhängig von der jeweiligen Ansteuerung als Kompressor oder als Expander betreibbar sind. Da alle Kolben 4 von einer gemeinsamen Kurbelwelle 2b angesteuert sind ergibt sich der Vorteil, dass die vom als Expander betriebenen Kolben am die gemeinsame Kurbelwelle 2b abgegebene Energie über die Kurbelwelle 2 den als Kompressor betriebenen Kolben 4 direkt zuführbar ist. Die dargestellte Anordnung weist zudem den Vorteil auf, dass durch ein entsprechendes Ansteuern der Ventile jeder der Zylinder 3 wahlweise als Kompressor oder als Expander betreibbar ist, wobei vorzugsweise für jeden Zylinder 3 individuell und unabhängig von den übrigen Zylindern bestimmbar ist, ob dieser als Verdichter oder als Expander betrieben wird.