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Die Erfindung betrifft ein hydropneumatisches System, das einen Zusatzspeicher aufweist, der zur Verringerung der Permeation des Gases aus dem System ausgebildet ist.
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Es ist bekannt, dass hydraulische Druckspeicher meist einem Gasverlust unterliegen, welcher durch Diffusion des Füllgases zur Ölseite bedingt ist.
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Dieser Gasverlust tritt insbesondere bei zwei Typen von Gasspeichern auf, die wegen ihrer einfachen und preisgünstigen Konstruktion häufig zur Anwendung kommen, nämlich Membranspeichern und Kolbenspeichern.
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Bei den Membranspeichern trennt eine verformbare Membran das Gasvolumen vom Hydraulikmedium. Eine Druckänderung im Speicher führt zu einer Änderung des Gasvolumens, der sich die Membran durch eine elastische Verformung anpaßt. Die Notwendigkeit einer elastischen Verformung schränkt in der Praxis die Materialien und Gestaltung der Membran derart ein, dass nach dem Stand der Technik ein Teil des Gases über die Membran in die Hydraulikflüssigkeit diffundiert.
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Trotz Maßnahmen wie der Verwendung eines dichteren Membranmaterials, von Mehrschichtmembranen, von Membranen aus metallhaltigen Folien oder des Einsatzes eines diffusionsträgen Gases, wie etwa CF4 statt N2 erreichen die Membranspeicher oftmals keine ausreichend geringen Diffusionsraten, wie sie im Automobilbau etwa für hydropneumatische Federbeine gefordert werden.
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Die
DE 10 2008 004 609 A1 beschreibt ein solches hydropneumatisches Federbein, das ein Hydraulikzylinder und zumindest zwei Hydrospeicher aufweist, die mit dem Hydraulikzylinder über eine Leitungsanordnung hydraulisch verbunden sind. Zwischen dem Hydraulikzylinder und den Hydrospeichern befindet sich in der Leitungsanordnung ein Dämpfungsventil und/oder ein Sperrventil, wobei letzteres anhand eines Fahrzeugsignals angesteuert wird, das den Betriebszustand des Fahrzeugs beschreibt. Dadurch sollen durch Temperaturschwankungen verursachte Niveauänderungen insbesondere beim abgestellten Fahrzeug minimiert werden.
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Bei den Kolbenspeichern trennt ein verschiebbarer Kolben den Gasraum von dem Hydraulikmedium. Eine Druckänderung im Speicher führt zu einer Änderung des Gasvolumens, der sich der Kolben durch eine Änderung seiner Position anpaßt. Trotz gezielter Optimierungen der Kolbendichtung, zum Beispiel über Beschichtungen oder Laminierungen, sind auch hier die Diffusionsraten oftmals so hoch, dass es zu einem unerwünschten Verlust der Gasvorspannung kommt – die Wirkung ist die eines abgenutzten Dämpfers.
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Die
DE 102 35 080 B3 offenbart einen hydropneumatischen Druckspeicher mit einfachem Aufbau, der kostengünstig hergestellt werden kann und gasdicht ist, sowie eine vollständige Entleerung der Fluidkammer zulässt, ohne dass der Druckspeicher zerstört wird. Dazu weist der hydropneumatische Druckspeicher zwei durch eine Trennwand voneinander getrennte Kammern auf, von denen die erste Kammer mit einem Druckgas gefüllt ist und die zweite Kammer mit einem hydraulischen Kreislauf verbunden ist. Die Trennwand besteht aus einer Metallmembran, die konzentrische Wellungen hat und die auf ihrer zum hydraulischen Fluid weisenden Oberfläche mit einem elastischen Belag versehen ist. Diese Trennwand ist gasundurchlässig, kann sich aber durch die konzentrischen Wellungen Druckunterschieden angleichen und sich somit verformen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich daher die Aufgabe, ein hydropneumatisches System zu schaffen, das deutlich verringerte Permeationsraten von Gas in das Hydraulikfluid aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch das hydropneumatische System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße hydropneumatische System umfasst eine Hydraulikleitung, die über eine Anschlussleitung an zumindest einem Gasspeicher angeschlossen ist. Der Gasraum des Gasdruckspeichers ist dabei mit einem ersten Gasdruck beaufschlagt. Das hydropneumatische System weist ferner einen Zusatzspeicher auf, der ebenfalls über eine Anschlussleitung mit der Hydraulikleitung verbunden ist, hat einen Gasraum, der mit einem zweiten Gasdruck beaufschlagt ist, der höher ist als der erste Gasdruck. Der Zusatzspeicher ist durch eine nicht deformierbare und unbewegliche gaspermeable Sperrschicht gegenüber dem Hydraulikfluid in der Anschlussleitung abgegrenzt.
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Durch diese Gestaltung werden mehrere Vorteile erreicht: Der deutlich höhere Druck im Gasraum des Zusatzspeichers bewirkt vorteilhaft, dass das Konzentrationsgefälle des Füllgases innerhalb der Sperrschicht höher ist als bei den parallel angeschlossen Gasspeichern innerhalb der Membran bzw. der Kolbendichtung. Dadurch absorbiert die Ölseite bevorzugt Gas, welches aus dem Gasraum des Zusatzspeichers und nicht aus dem Gasdruckspeicher freigesetzt wird. Somit steigt der Partialdruck des Gases auf der Ölseite und das Konzentrationsgefälle in den Gasdruckspeichern sinkt, wodurch sich dort auch die Permeation verringert. Wie gewünscht wird so ungewollter Druckverlust verhindert. Weiter kann durch die feste Sperrschicht der Zusatzspeicher im Betrieb nachgefüllt werden, ohne dass die Ölseite des hydraulischen Systems geöffnet werden muss, d. h. mit der Umgebungsluft in Berührung kommt. Folglich kann die hydraulische Anlage ohne langwierige Unterbrechung weiterlaufen.
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In einer konventionellen Anlage hätte man hingegen nachteilig die Gasspeicher bei nachlassender Gasvorspannung austauschen und dafür die Ölseite öffnen müssen.
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Das Nachfüllen kann so vorteilhaft durch einen Gasfüllanschluss des Zusatzspeichers einfach und zügig erfolgen.
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Die gaspermeable Sperrschicht kann eine nicht deformierbare und unbewegliche Membran sein und sie wird vorteilhaft unmittelbar mit einem Gehäuse des Zusatzspeichers fest verbunden sein.
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Weiter kann in dem Gehäuse des Zusatzspeichers ein Drucksensor vorliegen, der besonders bevorzugt über eine Kommunikationsverbindung mit einem Informationssystem des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit einer Headunit des Kraftfahrzeugs fest verbunden ist. So kann ohne weiteres jederzeit durch entsprechende Anzeigen erfahren werden, wann der Zusatzspeicher nachzufüllen ist und eine nachteilige Dämpfungsminderung wird vermieden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines hydraulischen Systems mit Gasdruckspeicher und Zusatzspeicher,
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2 Gasdruckspeicher,
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3 Zusatzspeicher.
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1 zeigt ein hydraulisches System, an welches wenigstens ein Gasdruckspeicher 2, 3 mit einer Trennung durch eine Membran 7 oder einen Kolben 7' angeschlossen ist. Ferner ist ein erfindungsgemäßer Zusatzspeicher 4 angeschlossen, der eine nicht deformierbare und unbewegliche gaspermeable Sperrschicht 9 aufweist, durch die die Gasseite gegenüber einem Hydraulikfluid in der Anschlussleitung abgegrenzt ist.
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Wie in 2 gezeigt, verfügt der zusätzliche Speicher 4 ähnlich einem konventionellen Gasdruckspeicher über einen Gasraum 6 und eine Ölseite 8, die jedoch über eine nicht deformierbare und unbewegliche Sperrschicht 9 voneinander getrennt sind. Dadurch kann der Druck im Zusatzspeicher im Gasraum 6 deutlich höher sein als auf der Ölseite 8. Bei gewöhnlichen Gasdruckspeichern 2, 3 sorgt die verformbare Membran 7 bzw. der bewegliche Kolben 7' dafür, dass der Druck von Gasraum 5 und Ölseite 8 meist annähernd gleich ist.
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Es gilt somit bei der vorliegenden Erfindung, dass der Gasdruck b im Gasraum 6 des Zusatzspeichers 4 sehr viel größer ist als der Gasdruck a im Gasraum 5 der normalen Druckspeicher 2, 3.
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Der deutlich höhere Druck im Gasraum 6 des Zusatzspeichers 4 bedeutet, dass das Konzentrationsgefälle des Füllgases innerhalb der Sperrschicht 9 höher ist als bei den parallel angeschlossen Gasspeichern 2, 3 innerhalb der Membran 7 bzw. Kolbendichtung 7'. Dadurch absorbiert die Ölseite 8 bevorzugt Gas, welches aus dem Gasraum 6 des Zusatzspeichers 4 freigesetzt wird. Somit steigt der Partialdruck des Gases auf der Ölseite 8 und das Konzentrationsgefälle in den Gasdruckspeichern 2, 3 sinkt, wodurch sich dort auch die Permeation verringert.
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Wie bei den Membranspeichern 2 kann die Gasdurchlässigkeit der Sperrschicht 9 durch deren Material, den Aufbau und die Dicke definiert werden. Die Gestaltung der Sperrschicht 9, die Größe des Gasraumes 6 und die Höhe der Gasvorspannung sollen so auf das hydraulische System derart abgestimmt sein, dass die Ölseite 8 bevorzugt Gas aus dem Zusatzspeicher 4 absorbiert und somit die Permeation des Gasdruckspeichers 2, 3 im hydraulischen System auf ein akzeptables Maß reduziert wird.
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Ein wesentlicher Unterschied zu den eingangs beschriebenen Membran- und Kolbenspeichern 2, 3 liegt darin, dass die Sperrschicht 9 bei einer Druckänderung der Hydraulikseite keine nennenswerte Verformung oder Bewegung aufweist. Vielmehr nimmt die Sperrschicht 9 den Druckunterschied zwischen Gasraum 6 und Ölseite 8 auf und leitet ihn in das umgebende Gehäuse.
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Die Gasdurchlässigkeit der Sperrschicht 9, sowie die Größe des Gasraumes 6 und die Höhe der Gasvorspannung im Zusatzspeicher 4 werden derart gewählt, dass die Ölseite 8 bevorzugt Gas aus dem Zusatzspeicher 4 absorbiert.
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Die feste Sperrschicht 9 kann ein- oder mehrschichtig sein und die Schichten können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dabei wird eine Materialkombination für den Anwendungsfall gewählt, der gerade einen Permeationskoeffizienten aufweist, der es erlaubt, dass bevorzugt Gas aus dem Zusatzspeicher in das Öl diffundiert und nicht aus den Arbeits- bzw. Druckspeichern.
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Der Permeationsprozess lässt sich in drei Stufen unterteilen:
- – Adsorption der Gasmoleküle an der Oberfläche der Sperrschicht 9,
- – Diffusion durch diese hindurch, was üblicherweise der langsamste und damit der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist und
- – Desorption an der gegenüberliegenden Seite in das Hydraulikfluid 8.
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Der Permeatstrom ist proportional dem Konzentrationsgefälle des permeierenden Gases innerhalb der Sperrschicht 9, wobei das Konzentrationsgefälle von dem Partialdruckunterschied des Gases auf beiden Seiten der Sperrschicht 9 bestimmt wird. So bestimmen also Partialdruckunterschied, Durchtrittsfläche und der von der Art der Sperrschicht 9 abhängige Durchlässigkeitsbeiwert die Gasdurchtrittsmenge.
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Die genannte Erfindung hat den Vorteil, dass in hydraulischen Systemen relativ preisgünstige Gasspeicher wie Membranspeicher 2 und Kolbenspeicher 3 eingesetzt werden können, die man ansonsten wegen ihrer unzulässig hohen Gasdiffusion nicht hätte verwenden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verfügt der Zusatzspeicher 4 auf der Gasseite 6 über einen Füllanschluss 10 zum Nachfüllen von Gas.
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Dadurch kann der Zusatzspeicher 4 im Betrieb nachgefüllt werden, ohne dass die Ölseite 8 des hydraulischen Systems geöffnet werden muss, d. h. mit der Umgebungsluft in Berührung kommt. Folglich kann die hydraulische Anlage ohne langwierige Unterbrechung weiterlaufen. In einer konventionellen Anlage hätte man hingegen die Gasspeicher 2, 3 bei nachlassender Gasvorspannung austauschen und dafür die Ölseite 8 öffnen müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008004609 A1 [0006]
- DE 10235080 B3 [0008]
