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Die
Erfindung betrifft ein hydraulisches System mit einem Nutzvolumen,
das ein flüssiges
Medium enthält,
und einem Ausgleichsvolumen, das ein gasförmiges Medium enthält.
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Derartige
hydraulische Systeme, die als geschlossene hydraulische Systeme
ausgeführt
sein können,
dienen beispielsweise zur Kraftübertragung und
werden z. B. in Baumaschinen (Radlader) eingesetzt.
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Weiterhin
existieren hydraulische Systeme zum Wärmetransport, also zur Wärmezufuhr,
z. B. Erwärmung
von Brauchwasser, oder zur Wärmeabfuhr,
z. B. Kühlung
(Entwärmung)
von Bauteilen der Leistungselektronik und Kühlung von Röntgenröhren.
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Unabhängig von
ihrem Einsatz bzw. ihrer Verwendung kann es in einem hydraulischen
System aufgrund von physikalischen Vorgängen im flüssigen Medium, z. B. Temperaturänderungen,
und aufgrund von chemischen Vorgängen
im flüssigen
Medium zu einer Volumenänderung
des flüssigen
Mediums und damit zu einer Änderung
des Nutzvolumens kommen. Eine zu starke Druckänderung im flüssigen Medium,
insbesondere ein Druckanstieg, aufgrund einer Volumenänderung
oder aufgrund einer schnellen Durchflussänderung muss wegen einer möglichen Zerstörung des
hydraulischen Systems durch geeignete Maßnahmen verhindert werden.
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Als
reversible Maßnahmen
zum Schutz vor einer Schädigung
des hydraulischen Systems sind Ausgleichsvolumen bekannt, basierend
auf wenigstens einer Grenzfläche,
einer Membran oder einem Kolben. Der Gegendruck ist hierbei räumlich konzentriert
durch ein elastisches Gasvolumen oder durch Federkraft realisiert.
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Als
irreversible Maßnahmen
zum Schutz vor einer Schädigung
des hydraulischen Systems sind automatische Ablassventile, Berstfenster
oder plastisch verformbare Fenster bekannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein konstruktiv einfach aufgebautes
hydraulisches System mit einer erhöhten Ausfallsicherheit zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
hydraulisches System gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindungen sind jeweils Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
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Das
hydraulische System gemäß Anspruch 1
umfasst ein Nutzvolumen, das ein flüssiges Medium enthält, und
ein Ausgleichsvolumen, das ein gasförmiges Medium enthält. Erfindungsgemäß ist das Ausgleichsvolumen
von einem Elastomerschaumstoff gebildet, der geschlossene Poren
aufweist, die das gasförmige
Medium enthalten.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme, das
Ausgleichsvolumen durch einen geschlossenporigen Elastomerschaumstoff
(auch als ”closed
cell rubber foam” bezeichnet)
zu bilden, ergeben sich die nachfolgend beschriebenen Vorteile.
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Bei
dem hydraulischen System gemäß der Erfindung
ist das gesamte komprimierbare gasförmige Medium in einer sehr
großen
Anzahl geschlossener Poren des Elastomerschaumstoffes enthalten. Damit
besteht das gasförmige
Medium, das das Ausgleichsvolumen bildet, aus sehr vielen und sehr
kleinen Teilvolumen, die jeweils in einer geschlossenen Pore des
Elastomerschaumstoffes enthalten sind. Vorzugsweise betragen die
mittleren Durchmesser der Poren ca. 0,5 mm bis 3 mm. Kleinere oder
größere Durchmesser
der Poren sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls realisierbar. Eine
Zerstörung
bzw. eine Undichtigkeit einiger weniger geschlossener Poren hat
bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen System
somit nicht den Ausfall des gesamten Ausgleichsvolumens zur Folge.
Die Gesamt-Ausfallsicherheit (Lecksicherheit) ist damit gegenüber den aus
dem Stand der Technik bekannten Lösungen erhöht.
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Das
hydraulische System nach Anspruch 1 ist auf fertigungstechnisch
einfache und damit kostengünstige
Weise herstellbar, da das von einem geschlossenporigen Elastomerschaumstoff
gebildete Ausgleichsvolumen während
der Montage einfach in das hydraulische System einsetzbar ist. Darüber hinaus
ist der geschlossenporige Elastomerschaumstoff in seiner Formgebung
auf einfache Weise an die benötigten
Formen anpassbar.
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Während der
Montage des erfindungsgemäßen hydraulischen
Systems ist kein weiterer Füllvorgang
für das
Ausgleichsvolumen erforderlich. Das gasförmige Medium, das das Ausgleichsvolumen
bildet, wird quasi schon mit dem Elastomerschaumstoff ”montiert”.
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Durch
eine zumindest teilweise Auskleidung der Innenflächen der Wandung des hydraulischen Systems
nach Anspruch 1 mit dem Elastomerschaumstoff wird das flüssige Medium
des Nutzvolumens gegenüber
der Wandung und gegenüber
der Umgebung thermisch isoliert. Der als Wärmeisolator dienende Elastomerschaumstoff
ist durch die stabile Wandung zugleich vor mechanischer Beschädigung von
außen
geschützt.
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Die
kompressible Eigenschaft des Elastomerschaumstoffes wirkt schallisolierend.
Die inneren Verformungsverluste des Elastomerschaumstoffes können zur
Schallabsorption und zur hydraulischen Resonanzbedämpfung verwendet
werden.
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Bei
schnellen Durchflussänderungen
im Bereich des Nutzvolumens, wie sie beispielsweise beim Betätigen von
Absperrorganen (z. B. Öffnen
und Schließen
von Ventilen) auftreten können,
kann es durch die kinetische Energie des flüssigen Mediums (Hydraulikflüssigkeit
im Nutzvolumen) zu Druckstößen im Nutzvolumen
kommen. Durch die Anordnung von Elastomerschaumstoff an geeigneten
Stellen innerhalb des Nutzvolumens (z. B. vor Absperrorganen) können diese
Druckstöße durch
die Kompressibilität
des Elastomerschaumstoffes aufgefangen werden.
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Der
Elastomerschaumstoff besteht vorzugsweise aus Silikon oder aus Polyurethan
(PUR).
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Das
hydraulische System gemäß der Erfindung
ist beispielsweise für
eine hydraulische Kraftübertragung
geeignet und kann dann z. B. (integraler) Bestandteil einer Baumaschine
(Radlader) oder einer Produktionsmaschine (Press- oder Stanzmaschine) sein.
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Weiterhin
ist das erfindungsgemäße hydraulische
System auf einfache Weise in ein System zum Wärmetransport integrierbar.
Hydraulische Systeme zum Wärmetransport
umfassen hydraulische Systeme zur Wärmezufuhr, z. B. Erwärmung von
Brauchwasser, und hydraulische Systeme zur Wärmeabfuhr, z. B. Kühlung (Entwärmung) von
Bauteilen der Leistungselektronik und Kühlung von Röntgenröhren.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden
anhand von zwei schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung
näher erläutert, ohne
jedoch auf die erläuterten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
zu sein. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines hydraulischen Systems im Längsschnitt,
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2 und 3 eine
zweite Ausführungsform
eines hydraulischen Systems im Längsschnitt.
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Bei
dem in 1 dargestellten hydraulischen System handelt es
sich um ein geschlossenes hydraulisches System, das zur Kühlung eines
mit 1 bezeichneten Röntgenstrahlers
dient.
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Der
Röntgenstrahler 1 umfasst
ein Strahlergehäuse 2,
in dem eine an sich bekannte Röntgenröhre 3 angeordnet
ist. Die Röntgenröhre 3,
in der ein Hochvakuum herrscht, umfasst einen Emitter 4,
der beim Anlegen einer Hochspannung Elektronen erzeugt, die zu einer
Anode 5 (Drehanode) hin beschleunigt werden und beim Auftreffen
Röntgenstrahlung
erzeugen. Aufgrund der hierbei entstehenden Verlustwärme ist
eine effektive Kühlung
der Röntgenröhre 3 erforderlich.
Die Kühlung
der Röntgenröhre 3 erfolgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch ein flüssiges
Medium 6, mit dem das Strahlergehäuse 2 gefüllt ist.
Der Innenraum des Strahlergehäuses 2 bildet
bei der in 1 gezeigten Ausführungsform
des hydraulischen Systems also einen Teil eines Nutzvolumens 7,
in dem das flüssige Medium 6 (Kühlmedium)
zirkuliert. Das für
die Zirkulation des flüssigen
Mediums 6 erforderliche Rohrleitungssystem, das einen weiteren
Teil des Nutzvolumens bildet, sowie eine notwendige Pumpe (Kühlmittelpumpe)
sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Gleiches gilt für
einen Wärmetauscher,
der üblicherweise
ebenfalls Bestandteil des geschlossenen hydraulischen Systems ist.
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Die
in 1 dargestellte Ausgestaltung des hydraulischen
Systems umfasst weiterhin ein Ausgleichsvolumen, das von einem Elastomerschaumstoff 8 gebildet
ist, der geschlossene Poren 9 aufweist, die ein gasförmiges Medium 10 enthalten.
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Der
Elastomerschaumstoff 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
emitterseitig im Strahlergehäuse 2 angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich
kann im Strahlergehäuse
auch anodenseitig ein Elastomerschaumstoff vorgesehen sein.
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Der
das Ausgleichsvolumen bildende Elastomerschaumstoff 8 ist
in 1 schematisiert dargestellt. Es versteht sich
für den
Fachmann jedoch von selbst, dass zur Vermeidung von Verwirbelungen
im flüssigen
Medium 6 der Elastomerschaumstoff 8 an die Strömungsverhältnisse
im Nutzvolumen 7 angepasst ist.
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Bei
dem hydraulischen System gemäß der Erfindung
ist das gesamte komprimierbare gasförmige Medium 10 in
einer sehr großen
Anzahl geschlossener Poren 9 des Elastomerschaumstoffes 8enthalten.
Bei dem Elastomerschaumstoff 8 handelt es sich also um
einen geschlossenporigen Elastomerschaumstoff, der auch als ”closed
cell rubber foam” bezeichnet
wird.
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Das
gasförmige
Medium 10, das das Ausgleichsvolumen bildet, besteht somit
aus sehr vielen und sehr kleinen Teilvolumen, die jeweils in einer
geschlossenen Pore 9 des Elastomerschaumstoffes 8 enthalten
sind. Vorzugsweise betragen die mittleren Durchmesser der Poren 9 ca.
0,5 mm bis 3 mm. Kleinere oder größere Durchmesser der Poren 9 sind
im Rahmen der Erfindung ebenfalls realisierbar. Eine Zerstörung bzw.
eine Undichtigkeit einiger weniger geschlossener Poren 9 hat
somit nicht den Ausfall des gesamten Ausgleichsvolumens zur Folge.
Die Gesamt-Ausfallsicherheit ist damit gegenüber den bekannten Lösungen erhöht.
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Das
in der 1 nicht dargestellte Rohrleitungssystem des hydraulischen
Systems kann an der Innenwandung der Rohre ebenfalls einen ein Ausgleichsvolumen
bildenden Elastomerschaumstoff aufweisen.
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Bei
dem in 2 und in 3 dargestellten hydraulischen
System handelt es sich um ein geschlossenes oder offenes hydraulisches
System, das ein Rohrleitungssystem 11 mit einem Zuflussrohr 12 und
einem Abflussrohr 13 sowie einem integrierten Absperrorgan 14 umfasst.
Im Rohrleitungssystem 11, das mit seinem Zuflussrohr 12 und
seinem Abflussrohr 13 ein Nutzvolumen 7 bildet,
fließt
ein flüssiges Medium 15.
Die Flussrichtung des flüssigen
Mediums 15 ist in 2 und 3 jeweils
mit einem Pfeil und dem Buchstaben ”v” symbolisiert. Bei dem flüssigen Medium 15 kann
es sich beispielsweise um ein Kühlmedium,
um Brauchwasser oder um ein hydraulisches Medium zur Kraftübertragung
handeln.
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Die
in 2 und 3 dargestellte Ausgestaltung
des hydraulischen Systems umfasst weiterhin ein Ausgleichsvolumen,
das wiederum von einem Elastomerschaumstoff 8 gebildet
ist, der geschlossene Poren 9 aufweist, die ein gasförmiges Medium 10 enthalten.
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Der
Elastomerschaumstoff 8 ist an einer Innenwandung 16 des
Zuflussrohres 12 angeordnet. Im Abflussrohr 13 ist
kein Ausgleichsvolumen notwendig. Das Abflussrohr 13 weist
deshalb an seiner Innenwandung 17 keinen Elastomerschaumstoff
auf.
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Das
gasförmige
Medium 10, das das Ausgleichsvolumen bildet, besteht somit
aus sehr vielen und sehr kleinen Teilvolumen, die jeweils in einer
geschlossenen Pore 9 des Elastomerschaumstoffes 8 enthalten
sind. Vorzugsweise betragen die mittleren Durchmesser der Poren 9 ca.
0,5 mm bis 3 mm. Kleinere oder größere Durchmesser der Poren 9 sind
im Rahmen der Erfindung ebenfalls realisierbar. Eine Zerstörung bzw.
eine Undichtigkeit einiger weniger geschlossener Poren 9 hat
somit nicht den Ausfall des gesamten Ausgleichsvolumens zur Folge.
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In 2 ist
das Absperrorgan 14 geöffnet,
so dass das flüssige
Medium 15 ungehindert aus dem Zuflussrohr 12 abfließen und
in das Abflussrohr 13 einfließen kann.
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Ist – wie in 3 dargestellt – das Absperrorgan 14 geschlossen,
dann kann das flüssige
Medium 15 nicht aus dem Zuflussrohr 12 abfließen und
in das Abflussrohr 13 einfließen.
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Während des
Schließens
des Absperrorgans 14 tritt eine schnelle Durchflussänderung
des flüssigen
Mediums 15 im Zuflussrohr 12 auf. Aufgrund der kinetischen
Energie des flüssigen
Mediums 15 kann es bei einem schnellen Schließen des
Absperrorgans 14 und bei einer entsprechend hohen Durchflussgeschwindigkeit
des flüssigen
Mediums 15 zu einem relativ starken Druckstoß im Bereich
des vor dem Absperrorgan 14 liegenden Nutzvolumens 7 kommen.
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Durch
den als Ausgleichsvolumen wirkenden Elastomerschaumstoff 8 im
Zuflussrohr 12 wird dieser Druckstoß zumindest teilweise aufgefangen,
da die beim Erreichen des geschlossenen Absperrorgans 14 in
dem flüssigen
Medium 15 vorhandene kinetische Energie zu einer starken
Komprimierung des vorher nur geringfügig komprimierten Elastomerschaumstoffes 8 führt. Die
kinetische Energie des flüssigen
Mediums 15 wird dadurch in potentielle Energie des Elastomerschaumstoffes 8 umgewandelt, wodurch
der Druckstoß vor
dem geschlossenen Absperrorgan 14 entsprechend stark reduziert
wird. Die Komprimierung des Ausgleichsvolumens führt zu einer Verringerung der
Schichtdicke des Elastomerschaumstoffes 8, da bei dem in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
die Schichtdicke des Elastomerschaumstoffes 8 der einzige
Freiheitsgrad ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wirkt der Elastomerschaumstoff 8 jedoch nicht nur als Ausgleichsvolumen
und begrenzt dadurch den beim Schließen des Absperrorgans auftretenden
Stoßdruck.
Vielmehr wird bei der gewählten
Anordnung des Elastomerschaumstoffes 8 an der Innenwandung
des Zuflussrohres 12 in diesem Bereich auch eine thermische
sowie eine akustische Isolation des flüssigen Mediums 15 erreicht
und so ein unerwünschter
Wärmeaustausch
und eine unerwünschte Schallausbreitung
vermindert.
