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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Anordnung hat einen mit Druckmittel befüllten hydraulischen Kreislauf und einen mit Kühlmittel befüllten Kühlkreislauf. Der hydraulische Kreislauf versorgt beispielsweise einen Hydromotor eines hydraulischen Hybrid-Fahrantriebes mit Druckmittel. Über den Kühlkreislauf wird beispielsweise ein Verbrennungsmotor dieses hybriden Fahrantriebes gekühlt. Die beiden Kreisläufe sind strikt voneinander getrennt, da das Druckmittel und das Kühlmittel voneinander verschiedene Fluide sind. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in Landmaschinen, wie im Datenblatt RD 66125 der Anmelderin (http://www.boschrexroth.com) gezeigt, vorgesehen.
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Nachteilig an derartigen Anordnungen ist ein hoher vorrichtungstechnischer Aufwand für die mit unterschiedlichen Fluiden befüllten Kreisläufe.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine hydraulische Anordnung bereitzustellen, bei der der vorrichtungstechnische Aufwand für die beiden Kreisläufe reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydraulische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat einen hydraulischen Kreislauf und einen Kühlkreislauf. Über den hydraulischen Kreislauf ist ein hydraulischer oder sind mehrere hydraulische Verbraucher mit einem Druckmittel und über den Kühlkreislauf ist eine zu kühlende Vorrichtung oder sind mehrere zu kühlende Vorrichtungen mit einem Kühlmittel beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird im hydraulischen Kreislauf und im Kühlkreislauf das gleiche Fluid bzw. das gleiche Mittel als Druckmittel bzw. als Kühlmittel verwendet. An das Fluid wird dabei im Kühlkreislauf von der zu kühlenden Vorrichtung Wärme übertragen, die das Fluid im Folgenden vorzugsweise an ein Kühlaggregat, in dem es rückgekühlt wird, wieder abgibt. Im hydraulischen Kreislauf überträgt das Fluid hydraulische Druckenergie an den hydraulischen Verbraucher. Besonders vorteilhaft ist, dass zwei Funktionen „Kühlen” und „Übertragung von hydraulischer Druckenergie” von genau einem Fluid erfüllt werden. Hierfür eignen sich einerseits Druckmittel, die sich auch als Kühlmittel eignen oder Kühlmittel, die auch als Druckmittel einsetzbar sind. Durch die Verwendung nur eines Fluides kann somit eine Anzahl hydraulischer Vorrichtungen reduziert werden, da gleiche oder ähnliche hydraulische Vorrichtungen der beiden Kreise zu einer Vorrichtung zusammengefasst werden können. Daraus ergeben sich erhebliche Einsparungen für einen für die Anordnung benötigten Bauraum und zudem, insbesondere für mobile Anordnungen, eine Einsparung von Gewicht. Bevorzugter Weise enthält das Fluid einen Korrosionsschutz oder ist im Wesentlichen unkorrosiv, wodurch in den beiden Kreisläufen auf teure besonders korrosionsbeständige Werkstoffe verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung kann dabei sowohl in stationären als auch in mobilen hydraulischen Arbeitsgeräten bzw. hydraulischen Maschinen vorgesehen sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat das Fluid, das in den beiden Kreisläufen verwendet ist, einen Ölanteil von kleiner als 60% (bis hin zu 0%) und enthält zudem Wasser. Wasserhaltige Hydraulik- oder Kühlfluide weisen gegenüber herkömmlichen Hydraulikölen eine verbesserte biologische Abbaubarkeit und eine geringere Toxizität für Flora und Fauna auf. Mit abnehmendem Ölanteil bzw. mit zunehmendem Wasseranteil nimmt zudem eine Entflammbarkeit des Fluides ab. Ein Einsatz stark wasser- bzw. schwach ölhaltiger Fluide ist daher im Umfeld der Personenbeförderung, wie beispielsweise in Bussen, Zügen oder Seilbahnen besonders vorteilhaft. Für einen gleichzeitigen Einsatz als Druckmittel und Kühlmittel eignen sich besonders Öl in Wasser Emulsionen (Bezeichnung HFA), auch Druckwasser genannt. Sie haben einen Ölanteil von 2 bis 20%, wobei ein üblicher Wasseranteil bei 95% liegt. Die beste Bioverträglichkeit in dieser Gruppe weisen die HFA-S Fluide auf. Sie sind in Bezug auf eine Wassergefährdung und Bioverträglichkeit HFA-Fluiden auf Mineralölbasis (HFA-E) überlegen. In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Fluid eine Wasserpolyglykol-Lösung oder Wasserpolymer-Lösung. Sie enthält kein Öl. Sie weist neben positiven Eigenschaften wie einer schweren Entflammbarkeit und einer guten Bioverträglichkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Hydrauliköl ein verbessertes Viskositäts-Temperaturverhalten auf. Bei allen Fluiden, die auf diese Weise ein herkömmliches Druckmittel und ein herkömmliches Kühlmittel ersetzen, ist zu beachten, dass das Fluid vom herkömmlichen Mittel abweichende Werte der Eigenschaften Kompressibilität, Viskosität, Schmierverhalten, Werkstoffverträglickeit, Wärmekapazität, Wärmeübergang etc. aufweisen kann, so dass Vorrichtungen des hydraulischen Kreislaufs und des Kühlkreislaufes an diese Eigenschaften angepasst werden müssen. Bei Verwendung von wasserbasierten Fluiden erweist es sich als vorteilhaft, in der Anordnung Dichtungen auf Polyurethanbasis einzusetzen.
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In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist das Fluid im Wesentlichen oder sowohl frei von Öl als auch von Wasser. Als mögliche Fluide kommen Fluor-Carbone oder Silikone zum Einsatz. Chlorierte Kohlenwasserstoffe oder Phosphorsäureester oder Mischung aus den Beiden sind auch möglich. Die genannten Fluide sind ebenso schwer entflammbar.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der hydraulische Verbraucher als Hydromaschine betreibbar, so dass hydraulische Druckenergie in kinetische Energie, beispielsweise Rotationsenergie, wandelbar ist. Der Stand der Technik offenbart in der
DE 10 2005 013075 A1 zwar einen hydrodynamischen Retarder, dieser wandelt aber nachteiliger Weise hydraulische Druckenergie über Reibung in Wärme, wobei durch die Wärme im Wesentlichen keine nutzbare Arbeit mehr verrichtet werden kann.
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Bevorzugter Weise ist die zu kühlende Vorrichtung ein Elektro- oder Verbrennungsmotor oder eine Batterie- oder Akkueinheit oder eine Servoeinheit.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung treibt der Hydromotor ein stationäres Arbeitsgerät oder ein Fahrzeug oder ein Nebenaggregat des Arbeitsgerätes oder des Fahrzeugs an. Dabei kann der Hydromotor beispielsweise ein Rad oder eine Achse oder eine Antriebswelle des Fahrzeuges antreiben oder ein hydraulisches Hauptaggregat des stationären Arbeitsgerätes bzw. einer stationären Maschine. Als Nebenaggregate sind über den Hydromotor beispielsweise ein Kühler, ein Lüfter oder ein Gebläse antreibbar. Weiterhin ist der Hydromotor zum Antreiben einer Pumpe, beispielsweise einer Wasser- oder Kühlwasserpumpe oder zum Bewegen eines hydraulisch betätigten Schiebedaches einsetzbar.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Anordnung Teil eines hydrostatischen Hybrid-Fahrantriebes des Fahrzeugs. Der erfindungsgemäße hydraulische Verbraucher ist dabei als Hydromaschine, d. h. als Hydromotor oder als Hydropumpe betreibbar. Das Fahrzeug verfügt über einen ersten herkömmlichen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor, und über einen zweiten hydrostatischen Fahrantrieb. Der Hybrid-Fahrantrieb kann seriell oder parallel aufgebaut sein, besonders bevorzugt ist der parallele Hybrid-Fahrantrieb. Der hydrostatische Hybrid-Fahrantrieb kann zudem eine hydrostatische Energiespeichereinheit aufweisen. Im Falle einer Bremsung kann der als Hydropumpe arbeitende hydraulische Verbraucher Bremsenergie in hydraulische Druckenergie wandeln und einem Energiespeicher der hydrostatischen Energiespeichereinheit zuführen.
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In einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist der über den Kühlkreislauf gekühlte Elektromotor oder Verbrennungsmotor oder ist die über den Kühlkreislauf gekühlte Batterieeinheit oder die Akkueinheit oder die Servoeinheit in dem Fahrzeug angeordnet.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung haben die beiden Kreisläufe, d. h. der hydraulische Kreislauf und der Kühlkreislauf, einen gemeinsamen Tank (oder Behälter), in dem das Fluid für beide Kreisläufe vorgehalten ist.
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Der Kühlkreislauf weist dabei bevorzugter Weise den Tank, eine Kühlmittelförderpumpe und ein Kühlaggregat auf. Dabei ist über eine Kühlmittelleitung die Kühlmittelförderpumpe an den Tank angeschlossen. Die Kühlmittelförderpumpe ist weiterhin über eine andere Kühlmittelleitung an den zu kühlenden Motor, beispielsweise den Verbrennungs- oder Elektromotor, angeschlossen. Über eine weitere Kühlmittelleitung ist der Verbrennungsmotor an das Kühlaggregat angeschlossen. Im Kühlaggregat erfolgt eine Rückkühlung des Fluides. Das Kühlaggregat ist schließlich über eine Kühlmittelleitung mit dem Tank verbunden. Die Kühlmittelförderpumpe ist bevorzugter Weise verstellbar und ist beispielsweise als Axialkolbenpumpe in Schrägachsen- oder Schrägscheibenbauweise oder als Flügelzellenpumpe ausgebildet.
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Der hydraulische Kreislauf weist bevorzugter Weise den Tank, eine Pumpe und einen hydraulischen Verbraucher auf. Dabei ist über eine Druckmittelleitung die Pumpe an den Tank angeschlossen. Die Pumpe ist über eine weitere Druckmittelleitung an den hydraulischen Verbraucher angeschlossen, wodurch er mit Druckmittel beaufschlagt ist. Über einen Niederdruckanschluss ist der Verbraucher an den Tank angeschlossen. Auch die Pumpe ist bevorzugter Weise verstellbar und ist beispielsweise als Axialkolbenpumpe in Schrägachsen- oder Schrägscheibenbauweise ausgebildet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Pumpe über den Verbrennungsmotor angetrieben und das Nebenaggregat ist ein Kühlergebläse. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlergebläse zur Beaufschlagung des Kühlaggregates mit einem Luftstrom und damit zur Rückkühlung des Fluides eingesetzt ist.
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Um den Kühlkreislauf an Betriebsbedingungen angepasst über eine Regeleinheit regeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn im Kühlkreislauf vor oder nach dem Verbrennungsmotor oder vor oder nach dem Kühlaggregat eine Bestimmungseinheit zur Bestimmung einer Kühlmitteltemperatur angeordnet ist.
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Um den Druckmittelkreislauf ebenso an Betriebsbedingungen angepasst über eine Regeleinheit regeln zu können ist es ebenso vorteilhaft, Betriebsgrößen des hydraulischen Kreislaufes zu überwachen und nach dem Hochdruckanschluss der Druckmittelförderpumpe eine Bestimmungseinheit zur Bestimmung einer Druckmitteltemperatur und zur Bestimmung eines Druckmitteldruckes vorzusehen.
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Im Folgenden werden anhand von zwei Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 einen hydraulischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren hydraulischen Verbrauchern; und
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2 einen hydraulischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Kühlergebläse als Nebenaggregat.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 mit mehreren hydraulischen Verbrauchern 36, 38, 40.
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An einen Tank 2 sind ein Kühlkreislauf 4 und ein hydraulischer Kreislauf 6 angeschlossen. Im Tank 2 und in den Kreisläufen 4, 6 ist ein Fluid 8 angeordnet. Dieses eine Fluid 8 erfüllt im Kühlkreislauf 4 die Funktion eines Kühlmittels und im hydraulischen Kreislauf 6 die Funktion eines Druckmittels. Das Fluid 8 ist ein herkömmliches ölfreies Kühlmittel auf Wasserbasis. Es enthält ein Additiv als Korrosionsschutz.
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Zur Ausbildung des Kühlkreislaufes 4 ist der Tank 2 über eine Saugleitung 10 mit einer Kühlmittelförderpumpe 12 verbunden. Über einen Hochdruckanschluss ist die Kühlmittelförderpumpe 12 an einen Kühlmittelanschluss eines Verbrennungsmotors 14 angeschlossen. An einem ausgangsseitigen Kühlmittelanschluss des Verbrennungsmotors 14 ist eine Kühlmittelleitung 16 angeschlossen, die mit einem Kühlaggregat 18 verbunden ist. Das Kühlaggregat 18 ist weiterhin über eine Kühlmittelleitung 20 mit dem Tank 2 verbunden.
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In einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Anordnung 1 läuft der Verbrennungsmotor 14. Dabei wird thermische Energie frei, die abgeführt werden muss. Hierfür sorgt der Kühlkreislauf 4. Die Kühlmittelförderpumpe 12 saugt dazu über die Saugleitung 10 das Fluid 8 bzw. das Kühlmittel an und fördert es in Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 14. Hier nimmt das Fluid 8 die thermische Energie auf. Über einen ausgangsseitigen Kühlmittelanschluss des Verbrennungsmotors 14 und die Kühlmittelleitung 16 strömt das Fluid 8 zum Kühlaggregat 18. Hier wird das Fluid 8 rückgekühlt und gibt einen Überschuss an thermischer Energie wieder ab. Über die Kühlmittelleitung 20 strömt das Fluid 8 zurück zum Tank 2.
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Zur Ausbildung des hydraulischen Kreislaufes 6 ist der Tank 2 über eine Saugleitung 22 mit einer Druckmittelförderpumpe, die als verstellbare Axialkolbenpumpe 24 ausgebildet ist, verbunden. Ihr Druckmittelförderstrom ist unabhängig von einer Drehzahl des Verbrennnungsmotors 14 änderbar. In der Saugleitung ist ein Saugfilter 26 angeordnet. Die Axialkolbenpumpe 24 ist dabei über ein Getriebe 28 vom Verbrennungsmotor 14 angetrieben. Die Axialkolbenpumpe 24, bzw. ein Schwenkwinkel der Axialkolbenpumpe ist von einer Regeleinheit 30 geregelt. An einen Hochdruckanschluss der Axialkolbenpumpe 24 ist eine Hochdruckleitung 32 angeschlossen, die mehrere Abzweigungen 34 zur Versorgung von hydraulischen Verbrauchern 36, 38, 40 mit Druckmittel aufweist. Die hydraulischen Verbraucher 36, 38, 40 sind dabei zum Antreiben von jeweils einem Nebenaggregat (nicht dargestellt) der Anordnung 1 vorgesehen. Zwei Verbraucher 36, 38 sind Hydromotoren, der Verbraucher 40 ist als Hubkolbenmaschine ausgebildet. Jeder Verbraucher 36, 38, 40 ist zudem über eine Rückleitung 42 an eine Niederdruckleitung 44 angeschlossen, die mit dem Tank 2 verbunden ist.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Anordnung 1 läuft der Verbrennungsmotor 14 und treibt die Axialkolbenpumpe 24 über das Getriebe 28 an. Je nach Bedarf der Verbraucher 36, 38, 40 bzw. von deren Aggregaten (nicht dargestellt) ist der Schwenkwinkel der Axialkolbenpumpe 24 dabei über die Regeleinheit 30 auf einen angepassten Wert eingestellt. Dieser kann auch null sein, falls kein Druckmittelbedarf besteht, so dass die Verbraucher 36, 38, 40 nicht mit einem Volumenstrom beaufschlagt sind. Jedem Verbraucher 36, 38, 40 ist zudem ein Ventil vorgeschaltet, über das er gesteuert und vom Druckmittelkreislauf 6 getrennt werden kann. Die Ventile sind über die Regeleinheit 30 steuerbar. Ist der Schwenkwinkel ungleich null, saugt die Pumpe 24 über die Saugleitung 22 Fluid 8 bzw. Druckmittel aus dem Tank 2 an. Im Saugfilter 26 werden vorhandene Verunreinigungen des Fluides 8 abgeschieden. Über die Hochdruckleitung 32 und die angeschlossenen Abzweigungen 34 werden die Verbraucher 36, 38, 40 mit Druckmittel 8 beaufschlagt. Nachdem das Fluid 8 im Verbraucher 36, 38, 40 hydraulische Arbeit geleistet hat und das Nebenaggregat (nicht dargestellt) angetrieben hat, strömt es über die Rückleitungen 42 und die Niederdruckleitung 44 zurück in den gemeinsame Tank 2.
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2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung 101 mit einem Kühlergebläse 150 als Nebenaggregat. Die Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt mit Bezug zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden nur die Unterschiede bzw. Abweichungen zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Abweichend vom hydraulischen Kreislauf 6 gemäß 1 weist der hydraulische Kreislauf 106 gemäß 2 nur einen als Axialkolbenmaschine ausgebildeten hydraulischen Verbraucher 136 auf. Er ist über eine Antriebswelle mit einem Kühlergebläse 150 als Nebenaggregat der Anordnung 101 verbunden und treibt dieses an. Im hydraulischen Kreislauf 106 ist in der Hochdruckleitung 32 eine Bestimmungseinheit 152a zur Bestimmung des Druckes und der Temperatur des Fluides 8 bzw. des Druckmittels angeordnet. An der Antriebswelle des Kühlergebläses 150 ist eine Bestimmungseinheit 152b zur Ermittlung der Drehzahl des Kühlergebläses 150 vorgesehen.
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Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind im Kühlkreislauf 104 vor dem Verbrennungsmotor 14 eine Temperaturbestimmungseinheit 152c, nach dem Verbrennungsmotor 14 eine Temperaturbestimmungseinheit 152d und nach dem Kühlaggregat 18 eine Temperaturbestimmungseinheit 152e angeordnet.
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Über das Kühlergebläse 150 ist eine Wärmetauschfläche (nicht dargestellt) des Kühlaggregates 18 mit einem Kühlluftstrom beaufschlagt. Über die Fläche gibt das Fluid 8 bzw. das Kühlmittel thermische Energie, die es im Verbrennungsmotor 14 aufgenommen hat, an den Kühlluftstrom ab. Ein Messwert der Bestimmungseinheiten 152a, b, c, d und e wird dabei kontinuierlich an die Regeleinheit 130 übergeben. Sollte aufgrund einer überhöhten Temperatur an den Bestimmungseinheiten 152c, d oder e eine erhöhte Kühlleistung des Kühlaggregates 18 erforderlich sein, passt die Regeleinheit 130 den Schwenkwinkel der Axialkolbenpumpe 24 an, um so die Axialkolbenmaschine 136 mit einem erhöhten Druckmittelförderstrom zu beaufschlagen und in Folge die Drehzahl des Kühlergebläses 150 zu erhöhen.
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Unabhängig von gezeigten Ausführungsbeispielen sind alle vom Fluid kontaktierten Komponenten und Leitungen der erfindungsgemäßen Anordnung konstruktiv an das Fluid, beispielsweise einen hohen Wassergehalt oder einen sehr geringen oder fehlenden Ölanteil und die damit verbundenen besonderen fluidtechnischen Eigenschaften angepasst. Als Werkstoffe sind herkömmliche metallische Materialien aber auch korrosionsbeständige hochwertige rostfreie Stähle oder sogar Kunststoffe einsetzbar.
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Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen können alle Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung als verstellbare, regelbare oder steuerbare Komponenten ausgeführt sein. Die betrifft auch nicht dargestellte Komponenten wie beispielsweise die Ventile.
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Weiterhin abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen können in beiden Kreisläufen Bestimmungseinheiten für Temperatur, Druck und eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluides, sowie zur Bestimmung einer Drehzahl oder Leistungsaufnahme eines hydraulischen Verbrauchers oder einer Pumpe oder eines Aggregates angeordnet sein.
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Offenbart ist eine hydraulische Anordnung mit einem hydraulischen Kreislauf über den zumindest ein hydraulischer Verbraucher mit Druckmittel beaufschlagt ist und mit einem Kühlkreislauf über den zumindest eine zu kühlende Vorrichtung mit Kühlmittel beaufschlagt ist, wobei in beiden Kreisläufen das gleiche Fluid als Druckmittel bzw. als Kühlmittel verwendet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005013075 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.boschrexroth.com [0002]
