Kolbenkraftmaschine mit wahlweise integriertem Druckerhöhungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenkraf maschine, die als separates Kraftelement sowie in Verbindung mit einem Druckerhöhungssys em angewendet werden kann. Die Krafterzeugung in der Kolbenkraftmaschine bzw. im integrierten Druckerhöhungssys e geschieht durch Ausnutzung des atmosphärischen Umgebungsdruckes während der Erzeugung von Vakuum in dafür vorgesehenen Räumen bzw. Kammern .

Bislang bekannt sind olbenkraft aschinen, die als Verbrennungsmotoren, Otto, Diesel, ankel, konzipiert sind. Dazu kommen Maschinen, die mit Dampfkraft und Druckluft oder auf Basis hydraulischer Verdichter arbeiten. Ökonomisch und ökologisch gesehen, besitzt keines der genannten Systeme die Vorzüge einer Kolbenkraftmaschine wie die in der Erfindung beanspruchten.

Entweder ist der Wirkungsgrad gering < Dampfkraf ) oder der Verbrauch von fossilen Rohstoffen hoch (Verbrennung) oder die in zwei oder mehr Bewegungsrichtungen erzeugbare Kraft relativ klein (Pneumatik) oder ungleichmäßig (Hydraulik). Die erfindungsmäßig beanspruchte Kolbenkraftmaschine und das Druckerhöhungssystem sind so konstruiert, daß als Kraft nur der a mosphärische Umgebungsdruck beansprucht wird. Die Maschine besteht in der Regel aus einem oder mehreren Vakuumzylindern, in denen sich Kolben bewegen. Die Kraftübertragung von dem/den Kalben geschieht über Schubs angen, die fest am Kolben montiert sind. Zur Steuerung dieser Vorgänge sind mindestens je eine Vakuumleitung, die zu einer entsprechenden Vakuumpumpe führt, zur Druckabsenkung in den dafür vorgesehenen Zylinderkammern erforderlich.

Wenn die durch den oder die Kolben erzeugte Kraft für bestimmte Arbeitsabläufe, z.B. Pressvorgänge, nicht ausreicht, kann ein Druckerhöhungssystem integriert werden. Dieses besteht aus zwei, relativ zueinander, beweglichen Rahmen, an denen die für die Formgebung notwendigen Werkzeuge befestigt werden können. Die Werkzeuge sind nach außen abgedichtet. In dem nach außen abgedichteten Formenhohlraum befindet sich ein Vakuumanschluß zum Absenken des Innendruckes, der zur gleichen Vakuumpumpe führt, die auch zur Druckabsenkung in den Zylinderkammern verwendet wird. Durch diese Kombination entsteht ein integriertes Gesamtsystem, das die Verformung von zähflüssigen, hochviskosen, pasteusen. halbstarren, starren und schäumbaren Materialien zuläßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert . Es zeigen

- Fig.1/5: Kolbenkraftmaschine mit integriertem Druckerhöhungssystem und zwei synchron laufenden Kolbenkraft aschiπeπ,

- Fig.2/5: Kolbenkraf maschine, beiseitig wirksam, mit einer am inneren Ende eines Kolbens montierten Schubstange ,

- Fig.3/5: Kolbenkraftmaschine, beids _. eitig wirksam, mit einem mittig auf der Schubstange montierten Kolben,

- Fig.4/5: Kolbenkraftmaschine mit zwei unabhängig voneinander, beidseitig wirkenden Kolben, mit jeweils einer Schubstange,

- Fig.5/5: Schematische Darstellung des Funktiαπskreis- laufes mit Kolbenkraftmaschine, Steuerung und Vakuumpumpe .

Zunächst soll anhand der Fig.5/5 das grundsätzliche Prinzip der beidseitig wirkenden Kolbenkraftmaschine Fig.2/5 und die Steuerung genauer betrachtet werden.

Die Kolbenkraftmaschine Fig.2/5 besteht aus einem Zylinder

I und einem Kolben 2. An diesem ist eine Schubstange 3 montiert, die nach außen über eine Dichtung 5 luftdicht abgesperr ist .

In den Kolben 2 sind Dichtungen 4 eingelassen, die ein Überströmen von Luft oder Vakuum von den Kammern 7 und 8 ausschließen .

Am oberen und unteren Zylinderboden sind je eine Rohrleitung 6 angebracht. Durch diese Rohrleitungen kann entweder die sich in den Kammern 7 und 8 befindliche Luft abgepumpt oder wieder zugeführt werden. Die Wechselwirkung ist durch Pfeile ._< * ^* ■■ gekennzeichnet. Die Auspumpvorgänge werden über Drei-Wegeventile 11, den Rohrleitungen 6 und unter Einsatz einer Vakuumpumpe 17 erreicht. Wenn der Kolben 2 nach oben bewegt werden soll, steht das entsprechende Drei-Wegeventil 11 auf "Entlüften". Dadurch ist die Rohrleitung 6 in Richtung Vakuumpumpe 17 frei. Zur gleichen Zeit steht das darunterliegende Drei-Wegeventi1 auf "Belüften". Dadurch ist der Weg für die über die Rohrleitung 10 einströmende Außenluft ab dem Drei- Wegeventil 11 und der Rohrleitung 6 zur Kammer 8 frei. Die in Kammer 8 einströmende Luft drückt den Kolben 2 nach oben, da in Kammer 7 kein Gegendruck besteht. Dieser Vorgang kann durch Umschalten der Drei-Wegeven ile umgekehrt werden. Kammer 8 wird über Leitung 6 in Richtung Vakuumpumpe 17 entlüftet und Kammer 7 wird über Leitung 10 und 6 belüftet, siehe Pfeile -* . Im Rohrleitungs¬ system 6 und 10, das zur Kolbenkraftmaschine 23 führt, kann ein drittes Drei-Wegeventil 11 eingesetzt werden. Hierüber laufen die Rohrlei ungen 6, 10 und 24. Während die Rohrleitungen 6 und 10 unter Einsatz ^" der Drei-Wegeventile

II oben und in der Mitte Fig.5/5 die Auf- und Abbewegung des Kolbens 2 Fig.2/5 bewirken, erfüllt die Funktion des Drei-Wegeventils 11 Fig.5/5 unten die Versorgung des Druck¬ erhöhungssystems Fig.1/5 19, 20, 21, 22. Dies geschieht über die Rohrleitungen 6, 10, 24 Fig. /5, Pfeile «« * .

Die Drei-Wegeventile 11 können je nach Bedarf mit der Hand über 12 oder durch Knopfdruck 16 über Stellmotoren oder Magnetventile 14 in die gewünschte Stellung gebracht werden. Diese Vorgänge können auch insgesamt über Zeitschaltuhren 15 gesteuert werden. Die Elt-Steuerung ist in einem Schaltkasten 13 untergebracht.

Fig. /5 zeigt nochmals den unter Fig.1/5 und Fig. /5 beschriebenen Vorgang in bezug auf die Kolbenkraftmaschine . Allerdings ist hier der Kolben 2 mittig auf der Schubstange 3 montiert. Die anhand der Fig.2/5 vorgenommene Darstellung wird insofern erweitert, als sich an beiden Zyliπderbödeπ durch Dichtungen 5 abgedichtete Durchgänge befinden. Durch wahlweises Ent- oder Belüften der Kammern 7 und 8 über Rohrleitungen 6 kann die Schubstange 3 für wechselnde Prozesse an zwei Stellen eingesetzt werden.

Fig. /5 zeigt den unter Fig.1/5, Fig.2/5 und Fig.3/5 dargestellten Vorgang in einer weiteren Variante. Bei dieser Anordnung sind im Zylinder 1 zwei Kolben 2 vorgesehen. Diese sind getrennt voneinander mit einer Schubstange 3 verbunden. Beide Kolben 2 sind mit jeweils zwei Dichtungen 4 versehen. Durch diese Anordnung bilden sich in einem Zylinder 1 nicht, wie in Fig.2/5 und Fig.3/5 dargestellt, zwei Kammern 7 und 8, sondern eine weitere Kammer 9. Wenn die Kammer 7 über die Rohrleitung 6 oben entlüftet wird und über die Rohrleitung 6 mittig Luft in die Kammer 9 nachströmt _. bewegt sich der Kolben 2 in Richtung Kammer 7 bis zu einem bestimmten Endpunkt. Ein Eindringen von Außenluft wird durch die Dichtung 5 und ein Überströmen von der Kammer 9 zur Kammer 7 durch die Dichtungen 4 verhindert. Das gilt ebenso für den Kolben 2, der die Kammern 8 und 9 voneinander trennt. Wenn in der Kammer 9 der Druck der Außenluft konstant bleibt, kann über die Rohrleitung 6 auch die Kammer 8 entlüftet werden, so daß sich der zweite Kolben 2 solange in Richtung Kammer 8 bewegt, bis auch hier der Endpunkt erreicht ist. Wenn die

Kolben 2 auf ihren Ausgangspunkt zurückgeholt werden sollen, werden über die Rohrleitungen 6 oben und unten die Kammern 7 und 8 belüftet und die Kammer 9 über die Rohrleitung 6 mittig entlüftet. Durch das Druckgefälle von den Kammern 7 und 8 zur Kammer 9 bewegen sich beide Kolben zum Ausgangspunkt zurück. Wenn beide Kolben 2 gleichzeitig Arbeit verrichten sollen, so können die Kammern 7 und 8 gleichzeitig entlüftet werden, während die Kammer 9 unter Außeπluf zufuhr steht.

Fig.1/5 zeigt die Kolbenkraftmaschine mit einem integrierten Druckerhöhungssystem am Beispiel einer Presse. Das Druckerhöhungssystem kann als integriert bezeichnet werden, weil es über die Rohrleitung 24 und der in Fig.5/5 dargestellten Steuerung direkt mit der Vakuumpumpe 17 verbunden ist. Dies bedeutet, daß insgesamt nur eine Vakuumpumpe und eine Steuerung erforderlich sind. Für die Auf- und Abwärtsbewegung bei Pressvorgängen mit zweiteiligen Formen sind eine oder mehrere synchron laufende Kolbenkraftmaschinen 23 nach dem geschilderten System insoweit ausreichend, wenn zur Werkstoff erarbei ung keine höheren Drücke als 1-3 bar/cm ² je nach Größe der Pressfläche benötigt werden.

Bei höheren Drücken findet das integrierte Druckerhöhungssystem Anwendung. Dieses besteht aus einem beweglichen Rahmen 20 zur Aufnahme der Matrize 29, einem beweglichen Rahmen 19 zur Aufnahme der Patrize 28. einer Nachverdichtungszone 21, einer Dichtung 22 und einer Rohrleitung 24. Das System ist im oberen Bereich durch den Rahmen 19 über die Schubstangen 3 mit den Kolbenkraftmaschinen 23 verbunden und über die Führungen 25 und den Führungsstangeπ 26 beweglich zentriert. Im unteren Bereich ist die Matrize 29 auf dem Rahmen 20 montiert und wie der obere Bereich durch die Führungen 25 und die Führungsstange 26 zentriert. Die Matrize 29 ist außerdem mit einer Dichtung 22 und einer

Rohrleitung 24 versehen. Kolbenkra tmaschine und Druckerhöhungssystem sind auf eine Rahmenkonstruktion 27 als Trägerteil montiert.

Der Arbeitsvorgang (Pressvorgang) läuft wie folgt ab: Die Presse ist geöffnet, d.h. die Patrize 28 ist von den Kolbenkra tmaschinen 23 nach oben gebracht worden. Nachdem die Matrize 29 mit Material beschickt worden ist, werden über die Rohrleitung 6 die Kammern 7 Fig.2/5 belüftet und die Kammern 8 über die Rohrleitung 6 entlüftet. Die am Rahmen 19 montierte Patrize 28 bewegt sich nach unten, bis sie auf der Dichtung 22 aufliegt. Jetzt wird über die Rohrleitung 24 der Fαrmeπhohlraum entlüftet. Dadurch wird bewirkt, daß die Patrize 28 und die atrize 29, die relativ beweglich zueinander über die Führungen 25 gelagert sind, durch den Außendruck zusammengedrüc werden. Durch diesen Gesamtvorgang können, bezogen auf die Pressfläche, durchaus Drücke von 20 bar und darüber erreicht werden. Wenn die gewünscht Verweildauer des Werkstoffes in der Presse erreicht ist, wird der Vorgang umgekehrt. Die Form 28, 29 wird über die Rohrleitung 24 belüftet. Danach werden die Kammern 8 Fig.1/5 in den Kolbenkraftmaschinen 23 über die Rohrleitung 6 belüftet. Im folgenden werden die Kammern 7 Fig.1/5 entlüftet und die Kolben 2 Fig.1/5 nach oben gedrückt, bis zum gewünschten Endpunkt. Der Vorgang ist abgeschlossen und kann wiederholt werden. Geregelt wird dieser Zyklus über die in Fig.5/5 beschriebene Steuer- und Versαrgungseinheit.

- z-

Numerische Aufstellung Fig.l - Fig.

1 Zylinder

2 Kolben

3 Schubstange

4 Kolbendichtung

5 Schubstangendichtung

6 Vakuumanschlüsse und Belüftung

7 oberer Vakuumraum

8 unterer Vakuumraum

9 mittlerer Vakuumraum

10 Belüftung

11 Stellmotor/Magnet

12 Handsteuerung

13 Schaltkasten

14 Motor oder Magnetventil

15 Zeitschaltuhr

16 Druckschalter Ein/Aus

17 Vakuumpumpe

18 Regulierveπ il

19- R-ahmen, beweglich

20 Rahmen, beweglich

21 Druckerhöhungssystem

22 Dichtungen für Formen

23 Kolbenkraftmaschine

24 Vakuumlei ung für Druckerhöhungssystem

25 Führungen

26 Führungsstaπgen

27 Rahmenkonstruktion 8 Patrize 9 Matrize