DE19517693C1

DE19517693C1 - Compressed air turbine for handyman's and gardener's equipment

Info

Publication number: DE19517693C1
Application number: DE1995117693
Authority: DE
Inventors: Walter Bross
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-13
Filing date: 1995-05-13
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2015-05-14

Abstract

The drive unit comprises a compressed gas source (2) which has an exchangeable compressed gas accumulator (4) for a working gas. It further comprises a connectable pressure reservoir (5) from which the inlet (8) for the turbine (11) and the compressor (12) starts. The outlet (15) of the turbine is joined to an inlet (17) of the pressure reservoir, which is joined to the outlet (16) of the compressor (10). The exchangeable compressed gas accumulator is preferably a CO2 cartridge.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit einem Druckgas betriebenes Antriebsaggregat für Arbeitsgeräte, wie Heimwerker-, Garten- und Baugeräte oder dgl.The invention relates to a with a compressed gas operated drive unit for work tools, such as Do-it-yourself, garden and construction equipment or the like

Es ist eine Vielzahl von derartigen Antriebsaggregaten auf dem Markt, die mit unterschiedlichen Energiearten angetrieben werden, z. B. mit Hilfe von elektrischem Strom, Treibstoffen wie Benzin oder Mineralöl oder Druckgas und speziell Druckluft. Allen derartigen Antriebsaggregaten ist gemein, daß nur ein Teil der zur Verfügung gestellten Antriebsenergie tatsächlich für den Antrieb des angeschlossenen Arbeitsgerätes ausgenutzt wird.There is a variety of such drive units on the Market powered by different types of energy be, e.g. B. with the help of electric current, fuels such as Petrol or mineral oil or compressed gas and especially compressed air. All such drive units have in common that only one Part of the drive energy actually provided used to drive the connected implement becomes.

Insbesondere für die genannten Arbeitsgerate, die relativ selten und dann auch oft nur für kurze Dauer eingesetzt werden, wäre ein Antriebsaggregat wünschenswert, das einfach zu handhaben und auch kleinbauend ist; vorteilhaft wäre auch die Versorgung mit einer Energie, die das Gerät praktisch autark macht und unabhängig etwa von Stromschnüren, komplizierten Vorbereitungen zum Auftanken mit einem Treibstoff oder dgl. Especially for the above-mentioned tools that are relative rarely and then often only used for a short time, a drive unit that would simply be desirable handle and is also compact; that would also be advantageous Supply with an energy that makes the device practically self-sufficient makes and independent of current cords, complicated Preparations for refueling with a fuel or the like

Aus dem DE-GM 71 27 820 ist ein Antriebsaggregat bekannt, welches eine Druckgasquelle, in diesem Falle einen Druck kessel, aufweist, der mit einer Turbine über ein Ventil verbunden werden kann. Die Abtriebswelle der Turbine ist dann die Antriebswelle für das anzutreibende Gerät, wobei zusätzlich noch ein Getriebe zwischen die Welle und das Ge rät eingeschaltet werden kann. Die Turbinenwelle kann gleichzeitig die Welle eines Verdichters sein, über den Um gebungsluft komprimiert und in den Druckkessel geleitet wird. Dieser Verdichter wird über einen elektrischen oder einen sonstigen Antrieb angetrieben und liefert zum Nach füllen des Druckkessels aus der Atmosphäre komprimierte Luft.A drive unit is known from DE-GM 71 27 820, which is a source of pressurized gas, in this case a pressure boiler, which has a turbine via a valve can be connected. The turbine output shaft is then the drive shaft for the device to be driven, whereby additionally a gear between the shaft and the Ge advises can be turned on. The turbine shaft can at the same time be the shaft of a compressor, over the um compressed air and fed into the pressure vessel becomes. This compressor is powered by an electric or driven another drive and delivers to the night fill the pressure vessel from the compressed atmosphere Air.

Aus der österreichischen Patentschrift 327 619 ist ein An triebsaggregat für Fahrzeuge bekannt, bei dem eine auflad bare Druckgasquelle eine Turbine und diese wiederum einen Elektrogenerator antreibt. Der Elektrogenerator speist ei nen Elektromotor, der seinerseits für den Antrieb des Fahr zeuges ausgelegt ist und gleichzeitig über eine Kupplung mit einem Verdichter verbunden werden kann. Über diesen Verdichter kann die Abluft der Turbine über eine Ventil anordnung in die Druckgasquelle zurückgeleitet werden. Die Effizienz eines derartigen Antriebes ist natürlich be grenzt, da hier mehrere Energieumwandlungen notwendig sind.From the Austrian patent specification 327 619 is an An Drive unit for vehicles known in which a supercharger bare compressed gas source a turbine and this in turn one Electric generator drives. The electric generator feeds egg NEN electric motor, which in turn drives the driver Stuff is designed and at the same time via a clutch can be connected to a compressor. About this Compressor can extract the turbine exhaust air through a valve arrangement can be returned to the compressed gas source. The Efficiency of such a drive is of course be limits, since several energy conversions are necessary here.

Ausgehend von einem Antriebsaggregat gemäß dem erwähnten DE-GM 71 27 820 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in mit Druckluft betriebenes Antriebsaggregat anzugeben, das kleinbauend ist und insbesondere für kürzer dauernde Arbeiten mit hoher Effizienz zu nutzen ist. Starting from a drive unit according to the mentioned DE-GM 71 27 820, the invention has for its object to be specified in the drive unit operated with compressed air, that is small in size and especially for shorter ones To work with high efficiency.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach wird mit der Erfindung ein Druckgasantriebsaggregat vorgeschlagen mit einer Druckgasquelle und einem von der Druckgasquelle beaufschlagten Verdichter und einer Turbine, wobei das für den Antrieb nicht benötigte Druckgas und etwaiges, über den Verdichter angesaugtes und verdichtetes Umgebungsgas wieder zumindest teilweise der Druckgasquelle zugeführt wird. Hiermit ist es möglich, den nicht genutzten Anteil des Druckgases zumindest teilweise für den erneuten Antrieb des Arbeitsgerätes zurückzugewinnen und ggf. während der Antriebsphase verdichtete Umgebungsluft in einem Druckreservoir einzuspeisen, dessen Gas, üblicherweise eine Mischung aus Luft und dem Druckgas, wieder für den Antrieb der Turbine verwendet wird.This object is according to the invention by the features of Claim 1 solved. Accordingly, with the invention Compressed gas drive unit proposed with a pressurized gas source and one acted upon by the compressed gas source Compressor and one Turbine, which is not required for the drive Compressed gas and any suctioned in through the compressor compressed ambient gas again at least partially Compressed gas source is supplied. It is possible with this unused portion of the compressed gas at least partially for to regain the drive of the implement and if necessary, compressed ambient air during the drive phase feed a pressure reservoir, the gas, usually a mixture of air and the compressed gas, again for the drive the turbine is used.

Zweckmäßigerweise wird die Abluft der Turbine dem Verdichter zugeführt und nach Kompression wieder in die Druckgasquelle geleitet. Die Druckgasquelle ist bevorzugt aus mehreren Einheiten aufgebaut, weist zumindest einen Druckgasspeicher für ein Arbeitsgas, vorzugsweise eine CO₂-Patrone, und zumindest ein Druckreservoir auf, in dem das aus der Turbine abgeblasene Arbeitsgas und Umgebungsluft nach Kompression eingeleitet werden. Für den nächsten Arbeitszyklus steht dann dieses komprimierte Mischgas ebenfalls für den Antrieb der Turbine zur Verfügung.Expediently, the exhaust air from the turbine Compressor fed and after compression back into the Pressurized gas source passed. The pressurized gas source is preferably made of built several units, has at least one Pressurized gas storage for a working gas, preferably one CO₂ cartridge, and at least one pressure reservoir in which the Working gas and ambient air blown out of the turbine be initiated after compression. For the next one This compressed mixed gas is then also in the working cycle available for driving the turbine.

Zum einwandfreien Betrieb des Antriebsaggregates ist eine Ventilanordnung für die Druckgasquelle, den Antriebs- und Verdichterteil vorgesehen, die entsprechend dem jeweiligen Druckniveau den Antrieb der Turbine, die Funktion des Verdichters und die Einleitung des Abgases der Turbine sowie der Umgebungsluft nach Kompression in die Druckgasquelle bzw. ein separates Druckgasreservoir dieser Druckluftquelle steuert.A is for the proper operation of the drive unit Valve arrangement for the compressed gas source, the drive and Compressor part provided according to the respective Pressure level driving the turbine, the function of the Compressor and the discharge of the exhaust gas Turbine and the ambient air after compression in the Pressurized gas source or a separate pressurized gas reservoir of this Compressed air source controls.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:The invention is in exemplary embodiments with reference to the drawing explained in more detail. In this represent:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Druckluftantriebes gemäß der Erfindung mit teilweiser Rückgewinnung der Antriebsenergie; Figure 1 is a schematic representation of a compressed air drive according to the invention with partial recovery of the drive energy.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Druckluftantriebes mit zusätzlicher Kühlung. Fig. 2 is a schematic representation of a compressed air drive with additional cooling.

In Fig. 1 ist ein Antriebsaggregat 1 dargestellt, welches eine Druckgasquelle 2 und eine Turbomaschine 3 aufweist, die über ein Kanalsystem und eine Ventilanordnung miteinander verbunden sind. Die Druckgasquelle 2 besteht aus einem Druckspeicher, z. B. einer kleinen käuflichen CO₂-Patrone 4 und einem Druckreservoir 5, wobei die Patrone 4 und das Druckreservoir 5 über ein Ventil 6, vorzugsweise ein Druckniveauventil, miteinander verbunden sind. Aus dem Druckreservoir kann Arbeitsgas über ein Ventil 7 in einen Kanal 8 strömen, der in einen Antriebsteil 9 der Turbomaschine 3 mündet.In Fig. 1, a drive unit 1 is shown, comprising a pressurized gas source 2 and a turbo-engine 3, which are connected to one another via a channel system and a valve assembly. The compressed gas source 2 consists of a pressure accumulator, e.g. B. a small commercially available CO₂ cartridge 4 and a pressure reservoir 5 , wherein the cartridge 4 and the pressure reservoir 5 are connected to one another via a valve 6 , preferably a pressure level valve. Working gas can flow from the pressure reservoir via a valve 7 into a channel 8 which opens into a drive part 9 of the turbomachine 3 .

Die Turbomaschine 3 weist somit den Antriebsteil 9 und einen Verdichterteil 10 auf, in denen eine Turbine 11 bzw. ein Verdichter 12 gelegen sind, die miteinander über eine gemeinsame Welle 13 verbunden sind, welche ihrerseits die Antriebswelle für ein nur schematisch dargestelltes Arbeitsgerät 14 bildet. Von dem Antriebsteil 9 führt ein Auslaß 15 im einfachsten Falle direkt in die Atmosphäre oder, wie in der Fig. 1 gezeigt, direkt zu einem Auslaß 16 des Verdichters 10, welcher über ein Ventil 17 wieder in das Druckreservoir 5 zurückgeleitet wird. Alternativ kann, wie mit 15′ bezeichnet, der mit dem Auslaß des Turbinenteiles verbundene Kanal zu einem Einlaß 18 an der Einlaßseite des Verdichterteiles 10 geführt werden, durch den über ein Ventil 19 Umgebungsluft durch den Verdichter 12 angesaugt wird. Mit dem Einlaß 8 zwischen Druckreservoir 5 und Antriebsteil 9 der Turbomaschine 3 kann auch ein Stichkanal 20 verbunden sein, der über ein Bypassventil 21 ins Freie führt.The turbomachine 3 thus has the drive part 9 and a compressor part 10 , in which a turbine 11 and a compressor 12 are located, which are connected to one another via a common shaft 13 , which in turn forms the drive shaft for a work tool 14 which is only shown schematically. In the simplest case, an outlet 15 leads from the drive part 9 directly into the atmosphere or, as shown in FIG. 1, directly to an outlet 16 of the compressor 10 , which is returned to the pressure reservoir 5 via a valve 17 . Alternatively, as denoted by 15 ' , the channel connected to the outlet of the turbine part can be guided to an inlet 18 on the inlet side of the compressor part 10 , through which ambient air is drawn in through the valve 12 through a valve 19 . A branch duct 20 can also be connected to the inlet 8 between the pressure reservoir 5 and the drive part 9 of the turbomachine 3 and leads to the outside via a bypass valve 21 .

Zusätzlich zu der dargestellten Anordnung ist noch eine Steuereinheit 22 vorgesehen, mit der die einzelnen Ventile geöffnet bzw. geschlossen werden können.In addition to the arrangement shown, a control unit 22 is also provided, with which the individual valves can be opened or closed.

Die Funktionsweise des dargestellten Druckluftantriebes ist folgende:
Zunächst wird das Druckreservoir 5 durch Öffnen des Druckniveauventiles 6 mit dem Arbeitsgas, in diesem Falle CO₂, aus dem Druckspeicher gefüllt, bis ein entsprechender Arbeitsdruck eingestellt ist. Anschließend wird das Ventil 7 geöffnet, so daß Arbeitsgas aus dem Druckreservoir über den Einlaß 8 zu dem Antriebsteil 9 der Turbomaschine 3 fließt und die Turbine 11 antreibt. Dadurch wird über den Einlaß 18 und das Ventil 19 Umgebungsluft in den Verdichterteil 10 der Turbomaschine 3 gesaugt und durch die Verdichter 12 komprimiert. Dieses komprimierte Gas wird zusammen mit dem Arbeitsgas aus dem Kanal 15 über das nun geöffnete Ventil 17 zurück in das Druckreservoir 5 geführt. Die Ventile 7 und 17 werden je nach den einzelnen Druckniveaus wechselseitig geöffnet oder geschlossen. Wird das Gas aus dem Antriebsteil 9 über den Kanal 15′ auf die Einlaßseite des Verdichterteiles geleitet, so wird dieses Gas gemeinsam mit der angesaugten Umgebungsluft verdichtet und in das Druckreservoir 5 zurückgeleitet. Da Turbine 11 und Verdichter 12 über die gemeinsame Welle 13 und damit die Antriebswelle für das Arbeitsgerät 14 verbunden sind, wird das Arbeitsgerät bei dem Betrieb der Turbomaschine 3 angetrieben.The operation of the compressed air drive shown is as follows:
First, the pressure reservoir 5 is filled with the working gas, in this case CO₂, from the pressure accumulator by opening the pressure level valve 6 until a corresponding working pressure is set. The valve 7 is then opened so that working gas flows from the pressure reservoir via the inlet 8 to the drive part 9 of the turbomachine 3 and drives the turbine 11 . As a result, ambient air is sucked into the compressor part 10 of the turbomachine 3 via the inlet 18 and the valve 19 and is compressed by the compressor 12 . This compressed gas is fed together with the working gas from the duct 15 back into the pressure reservoir 5 via the valve 17 which is now open. The valves 7 and 17 are alternately opened or closed depending on the individual pressure levels. If the gas from the drive part 9 is passed through the channel 15 'to the inlet side of the compressor part, this gas is compressed together with the ambient air drawn in and passed back into the pressure reservoir 5 . Since the turbine 11 and the compressor 12 are connected via the common shaft 13 and thus the drive shaft for the implement 14 , the implement is driven during the operation of the turbomachine 3 .

Für einen kontinuierlichen Gleichlauf der Welle 13 ist als Variante ein Fliehkraftregler 14′ auf der Welle 13 angebracht, der über die Steuerleitung 16′ dafür sorgt, daß bei einer Erhöhung bzw. einer Verringerung der Arbeitsdrehzahl das Ventil 7 den Zustrom des Arbeitsgases im Einlaß 8 reguliert. Eine weitere Variante ist eine Steuerung mittels Fluidics, die das Ventil 7 entsprechend ansteuert, je nachdem wie sich z. B. die Strömungsverhältnisse im Einlaß 8 ändern. Eine zusätzliche Variante ist eine elektronische Regelung.For a continuous synchronization of the shaft 13 , a centrifugal governor 14 'is attached as a variant on the shaft 13 , which' via the control line 16 'ensures that the valve 7 regulates the inflow of the working gas in the inlet 8 when the working speed increases or decreases . Another variant is a control using fluidics, which controls the valve 7 accordingly, depending on how z. B. change the flow conditions in the inlet 8 . An additional variant is an electronic control.

Eine Drehzahlregelung der Turbinen- bzw. Antriebswelle 13 für das Arbeitsgerät kann im einfachsten Falle über eine Bypassregelung erfolgen, wobei dann über das Bypassventil 21 ein mehr oder minder hoher Anteil des Antriebsgases direkt in die Umgebung geleitet wird. Es können natürlich noch andere Mechanismen für die Drehzahlregelung vorhanden sein, so z. B. Strömungsgetriebe, Fliehkraftkupplungen, Reibräder, Reibradkupplung, mechanische oder elektronische Kupplungen, Magnetkupplungen etc. Diese Varianten sind in Fig. 1 generell mit 14′′ angegeben. In the simplest case, a speed control of the turbine or drive shaft 13 for the working device can be carried out via a bypass control, in which case a more or less high proportion of the drive gas is then passed directly into the environment via the bypass valve 21 . Of course, there may be other mechanisms for speed control, such. B. fluid gear, centrifugal clutches, friction wheels, friction wheel clutch, mechanical or electronic clutches, magnetic clutches etc. These variants are generally indicated in Fig. 1 with 14 '' .

Da mit diesem Antriebsaggregat hohe Drehzahlen erreicht werden, wobei dann bei der Funktion auch relativ hohe Temperaturen des Arbeitsgases auftreten, wird in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgesehen, im Druckreservoir 5′ einen Wärmetauscher 31 vorzusehen, durch den das Arbeitsgas aus dem Druckreservoir 5′ geleitet und mit einem Kühlmittel gekühlt wird. Dieses Kühlmittel wird z. B. über einen Kühlmittelspeicher 32 über ein Ventil 33 in den Wärmetauscher 31 eingeführt. Das Arbeitsgas strömt dann durch einen Kanal 34 durch den Wärmetauscher, wobei ein Mäander- bzw. Kühlblechsystem 35 vorgesehen ist, das von dem Kühlmittel umspült wird und durch das der Kanal 34 geleitet wird. Im einfachsten Falle wird der Wärmetauscher 31 z. B. mit Wasser betrieben; jedoch ist es möglich, als Kühlmittelspeicher 32 z. B. einen Druckgasspeicher eines Kühlgases, z. B. flüssigen Stickstoffes vorzusehen.Since high speeds can be achieved with this drive unit, with relatively high temperatures of the working gas then occurring in the function, provision is made in a preferred embodiment according to FIG. 2 to provide a heat exchanger 31 'in the pressure reservoir 5 through which the working gas from the pressure reservoir 5 'Passed and cooled with a coolant. This coolant is used e.g. B. introduced via a coolant reservoir 32 via a valve 33 in the heat exchanger 31 . The working gas then flows through a channel 34 through the heat exchanger, a meandering or cooling plate system 35 being provided, which is flushed with the coolant and through which the channel 34 is guided. In the simplest case, the heat exchanger 31 z. B. operated with water; however, it is possible as a coolant reservoir 32 z. B. a compressed gas storage of a cooling gas, for. B. provide liquid nitrogen.

Eine weitere Variante wäre kühlendes Mischgas und Gebläse.Another variant would be cooling mixed gas and blowers.

Die Rückgewinnung zumindest eines Teils der Antriebsenergie bzw. zur zusätzlichen Komprimierung der Umgebungsluft durch die Verdichter 12 über den Auslaß 16 kann auch mittels zweier Druckreservoire bzw. durch Nachkomprimierung der Abluft bzw. des Abgases durch Kolben erfolgen, wobei dann die beiden Druckreservoire auf unterschiedlichen Druckniveaus arbeiten. Das Abgas der Antriebsturbine und/oder die komprimierte Abluft der Verdichterturbine werden dann üblicherweise dem auf dem niedrigeren Druckniveau gelegenen Druckreservoir zugeführt. Die beiden Druckreservoire können zudem auch über eine geregelte Ventilanordnung miteinander kommunizieren.The recovery of at least part of the drive energy or for additional compression of the ambient air by the compressors 12 via the outlet 16 can also be carried out by means of two pressure reservoirs or by post-compression of the exhaust air or the exhaust gas by pistons, in which case the two pressure reservoirs operate at different pressure levels . The exhaust gas from the drive turbine and / or the compressed exhaust air from the compressor turbine are then usually fed to the pressure reservoir located at the lower pressure level. The two pressure reservoirs can also communicate with one another via a regulated valve arrangement.

Claims

1. With a compressed gas operated drive unit with a drive shaft for tools such as home improvement, gardening and construction equipment, with a compressed gas source, a turbomachine with a turbine and a compressor, which are arranged on a common shaft which forms the drive shaft for the implement , The turbine having an inlet for pressurized gas from the pressurized gas source and an outlet and the compressor having an inlet connected to the atmosphere and an outlet connected to an inlet of the pressurized gas source, and having a valve arrangement for the pressurized gas source for function control of the drive unit, characterized in that that the pressurized gas source ( 2 ) has an exchangeable pressurized gas reservoir ( 4 ) for a working gas and at least one pressure reservoir ( 5 ) which can be connected to it, from which the inlet ( 8 ) of the turbine ( 11 ) and the compressor ( 12 ) originate, and that the outlet ( 15 ) of the turbine ( 11 ) with an inlet ( 17 ) of the pressure ckreservoirs ( 5 ) is connected, which is connected to the outlet ( 16 ) of the compressor ( 10 ).

2. Drive unit according to claim 1, characterized in that the exchangeable compressed gas store is preferably a CO₂ cartridge.

3. Drive unit according to claim 1 or 2, characterized in that the outlet ( 15 , 15 ') of the turbine ( 11 ) with the inlet ( 18 ) or the outlet ( 16 ) of the compressor ( 12 ) is connected.