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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Gas aus einem strömungsfähigen Medium, wobei in einem medienführenden System befindliches gasangereichertes Medium aus dem System in eine Separiereinrichtung geführt wird, wobei in der Separiereinrichtung ein Unterdruck gegenüber dem System ausgebildet wird und wobei das in der Separiereinrichtung aus dem Medium entwichene Gas aus der Separiereinrichtung abführbar ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Eine Anreicherung von Gas in einem Medium, wie von Luft in Hydrauliköl, kann beispielsweise in einem Hydraulikkreislauf mitunter zu einer Beeinträchtigung von sicherheitsrelevanten Komponenten und deren Funktionen führen. Luft kann die Steifigkeit hydraulischer Antriebe und unter Umständen auch die Funktionsfähigkeit von Ventilen verringern. Bislang ist Luft aus Hydrauliköl hauptsächlich dadurch abgetrennt und abgeschieden worden, dass das Hydrauliköl mit einer längeren Verweilzeit im Tank belassen worden ist, so dass Luft aus dem Hydrauliköl entweichen kann. Mit zunehmend kürzeren Verweilzeiten im Vorratstank und reduzierten Tankvolumina bis hin zum vollständigen Entfall eines Vorratstanks wird daher neuerdings eine Teilmenge des Mediums zur Abtrennung von Gas in eine typischerweise mit Vakuumdruck beaufschlagte Separiereinrichtung geführt. Nach Entweichen des Gases aus dem Medium wird das abgetrennte Gas aus der Separiereinrichtung aus dem Hydraulikkreislauf heraus abgeführt.
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Eine gemäß dem Verfahren der eingangs genannten Art betreibbare Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen ist in der
DE 101 29 100 A1 offenbart. Diese bekannte Vorrichtung weist einen mehrere Teilräume aufweisenden Vakuumbehälter auf, wobei mindestens eine flüssige Komponente des Fluidgemisches nach seiner Auftrennung aus dem Vakuumbehälter mittels einer Fördereinrichtung abtransportierbar ist und die jeweils anderen Komponenten mittels einer Vakuumpumpe aus dem Vakuumbehälter gas- und/oder dampfförmig absaugbar sind. Zur erleichterten Auftrennung des Fluidgemisches ist einer der Teilräume des Vakuumbehälters mit einer Heizeinrichtung ausgerüstet. Der Unterdruck im Vakuumbehälter wird durch eine gesonderte Vakuumpumpe eingestellt. Hinsichtlich des Einbaus in ausgesprochen kleine Einbauräume lässt diese Lösung noch Wünsche offen.
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Die Erfindung steht sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Abtrennung von Gas aus strömungsfähigen Medien aufzuzeigen, das in einfacher, bauraumsparender und in wenige Komponenten erfordernder Weise durchführbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist. Demgemäß zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass der Unterdruck in der Separiereinrichtung dadurch erzeugt wird, dass gasreduziertes Medium von der Separiereinrichtung zum System geführt wird und dass unter Beibehaltung des in der Separiereinrichtung herrschenden Bereichs des Unterdrucks gasangereichertes Medium vom System zur Separiereinrichtung zugeführt wird. Im Unterschied zum üblichen, diskontinuierlichen Verfahren, wobei in zeitlichem Wechsel das Volumen des Mediums ausgetauscht wird und dadurch der Unterdruck immer wieder neu aufgebaut werden muss, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein quasi-kontinuierliches Verfahren, bei dem die Entgasung bei aufrechterhalten bleibendem Unterdruck durchgeführt wird. Bei geringerer Energieeinbringung ist dadurch eine verbesserte Entgasung mit vereinfachtem Vorrichtungsaufwand realisierbar. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass keine gesonderte Vakuumpumpe erforderlich ist, weil der Unterdruck durch den Medientransport von der Separiereinrichtung zum System hin erzeugt wird.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen erfolgt die den Unterdruck erzeugende Überführung des Mediums von der Separiereinrichtung zum System mittels einer Pumpe. Dies kann durch eine im Permanentbetrieb arbeitende Pumpe erfolgen, so dass ein entsprechender, kostenintensiver Steuerungsaufwand in Wegfall kommt.
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Hinsichtlich der Abführung des entwichenen Gases aus der Separiereinrichtung kann so vorgegangen werden, dass durch eine zeitweilige Zufuhr gasangereicherten Mediums zur Separiereinrichtung in dieser der Unterdruck für einen Austritt entwichenen Gases verringert wird.
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Die Anordnung kann hierbei mit Vorteil so getroffen werden, dass das den Unterdruck verringernde Medium zur Separiereinrichtung über eine steuerbare Ventileinrichtung zugeführt wird, wobei diese zeitgesteuert oder mittels eines Füllstandssensors der Separiereinrichtung betätigt werden kann.
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In besonders vorteilhafter Weise kann das Verfahren in der Weise durchgeführt werden, dass gasangereichertes Fluid aus einem Tank eines Hydrauliksystems, aus einem Fluid-Kühlsystem oder aus einem Antriebssystem zur Separiereinrichtung zugeführt wird. Es versteht sich, dass das Verfahren auf andersartige Medien, die mit Gaseinschlüssen behaftet sind oder bei denen im Zuge von Betriebsabläufen ein Gaseintrag erfolgt, gleichermaßen anwendbar ist. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen gasangereichertes Fluid aus einem Lüfter-Kühler-System zur Separiereinrichtung zugeführt wird, kann das Verfahren mit Vorteil so durchgeführt werden, dass die den Unterdruck erzeugende Pumpe und der Lüfter durch einen Gleichstrommotor gemeinsam angetrieben werden. Mit besonderem Vorteil kann hierbei eine Konstantpumpe in Kombination mit einem permanent arbeitenden Lüfter eingesetzt werden.
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Das Verfahren bietet auch die vorteilhafte Möglichkeit, dass aus einer Funktionseinheit eines Hydrauliksystems, insbesondere einem trocken laufenden Schrägachsenmotor eines hydrostatischen Antriebsstranges, abzusaugendes gasangereichertes Lecköl durch den in der Separiereinrichtung herrschenden Unterdruck in diese eingesaugt wird. Neben dem Vorteil, dass keine weitere Ansaugvorrichtung installiert werden muss, erfährt das heiße Lecköl in vorteilhafter Weise in der Separiereinrichtung eine Abkühlung, bevor es dem Hauptsystem wieder zugeführt wird. Zudem führt die Wärmeabgabe an das in der Separiereinrichtung befindliche Fluid zu dessen Temperaturerhöhung, wodurch sich wiederum die Effizienz der Entgasung erhöht.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung die Merkmale des Patentanspruchs 9 aufweist. Demgemäß weist die Vorrichtung einen als Separiereinrichtung vorgesehenen Behälter, eine diesen mit einem medienführenden System verbindende Pumpe, die zur Erzeugung eines Unterdrucks gasreduziertes Medium aus dem Behälter in Richtung auf das System fördert, sowie eine Rückführung auf, über die gasangereichertes Medium vom System zum Behälter unter Beibehaltung des Unterdrucks rückführbar ist.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen der Vorrichtung weist diese eine Ventileinrichtung auf, über die für eine zeitweilige Verringerung des Unterdrucks gasangereichertes Medium zum Behälter zuführbar ist. Dadurch ist der Druck im Behälter zeitweilig auf ein Druckniveau anhebbar, bei dem abgesondertes Gas, ohne dass Absaugmaßnahmen ergriffen werden müssten, über einen Auslass entweichen kann. Bei der Ventileinrichtung kann es sich vorzugsweise um ein elektrisch betätigbares, vorzugsweise zeitgesteuert oder mittels eines dem Behälter zugeordneten Füllstandssensors betätigbares Ventil handeln.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein, dass für die Abtrennung von Luft aus einem Kühlfluid eines Lüfter-Kühler-Systems der Behälter der Separiereinrichtung mit einer betreffenden Kühler-Lüfter-Einrichtung zu einer Baueinheit zusammengefasst ist. Dadurch ist eine Lüfter-Kühler-Entgasungseinrichtung geschaffen, bei der keine Schlauch- oder Rohrverbindungen erforderlich sind, so dass eine kompakte Bauform realisierbar ist. Für den Betrieb der Einheit lässt sich der im Betrieb vordem Wärmetauscher herrschende Überdruck für die Ausbringung abgeschiedenen Gases zeitweilig nutzen. Da das Fluid erst entgast und dann gekühlt wird, ergeben sich bessere Entgasungseigenschaften des warmen Fluids.
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Dadurch, dass der Antriebsmotor des Lüfters auch zum Antrieb der Pumpe der Entgasungseinrichtung nutzbar ist, ist eine besonders kompakte Bauform realisierbar.
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Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in nachfolgenden Unteransprüchen 14 bis 16 angegeben.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine stark schematisch vereinfachte Symboldarstellung zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine teilweise in Form einer perspektivischen Schrägansicht und teilweise in Form einer vereinfachten Symbolskizze gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem Lüfter-Kühler-System;
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3 das Ausführungsbeispiel von 2, wobei die hydraulische Schaltung des Lüfter-Kühler-Systems in Symboldarstellung gezeigt ist; und
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4 eine Symboldarstellung zur Verdeutlichung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist als vereinfachtes Beispiel für ein medienführendes System 1 ein Tank 5 dargestellt, wie er beispielsweise in Verbindung mit einem hydraulischen Kreislauf, der nicht dargestellt ist, zur Bevorratung von Hydraulikfluid 7 dient. Für die Abtrennung von im Fluid 7 angereichertem Gas, beispielsweise von Luft, die im Zuge des Betriebs des Systems 1 in das im Tank 5 befindliche Hydraulikfluid 7 eingetragen ist, ist das System 1 (in 1 der Tank 5) mit einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Separiereinrichtung in Verbindung. Diese weist als Hauptkomponente einen Separierbehälter 9 für das zu entgasende Fluid 7 auf, dessen Füllstandsgrenze mit 11 bezeichnet ist. Für eine Art Vakuumentgasung wird im Behälter 9 ein Unterdruck erzeugt, beispielsweise –0,9 bar, so dass aus dem gasangereicherten Fluid 7 Gasbläschen entweichen und nach oben steigen, wo sie sich in einem oberhalb der Füllstandsgrenze 11 gelegenen Teilvolumen 13 des Behälters 9 sammeln. Infolgedessen ist im unteren Bereich des Behälters 9 der Separiereinrichtung 10 gasreduziertes oder weitestgehend gasfreies Fluid 7' vorhanden. Für die Erzeugung des der Entgasung dienenden Unterdrucks im Behälter 9 wird vom Bodenbereich gasreduziertes Fluid 7' mittels einer Förderpumpe 15 aus dem Behälter 9 zum System 1, d. h. im vorliegenden Fall zum Tank 5, über eine Rückführleitung 17 rückgeführt. Durch den im Behälter 9 herrschenden Unterdruck wird über eine Zuführleitung 19 aus dem Tank 5 gasangereichertes Medium dem Behälter 9 der Separiereinrichtung 10 zugeführt. Um hierbei den für den Entgasungsvorgang gewünschten Unterdruck im Behälter 9 einzuhalten, beim vorliegenden Beispiel –0,9 bar, ist in der Zuführleitung 19 eine Ventilanordnung vorgesehen, bei der es sich im vorliegenden Fall um ein Rückschlagventil 21 handelt, das für die einzuhaltende Druckdifferenz auf einen Öffnungsdruck von –0,9 bar vorgespannt ist. Bei der Förderpumpe 15 handelt es sich um eine in einer Förderrichtung arbeitende Konstantpumpe, beispielsweise in Form einer Außenzahnradpumpe, die mittels eines Gleichstrommotors 24 angetrieben ist, der im Betrieb permanent arbeitet, so dass keine aufwendige, kostenintensive Steuerelektronik erforderlich ist.
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Für eine Abfuhr des im Teilvolumen 13 gesammelten Gases ist ein Ausgangsanschluss 23 am Behälter 9 vorgesehen, an dem sich ein Auslassventil 25 in Form eines auf einen geringen Öffnungsdruck von beispielsweise 0,05 bar vorgespannten Rückschlagventils 25 sowie ein Belüftungsfilter 27 befinden.
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Um eine Abfuhr angesammelten Gases über den Ausgangsanschluss 23 einzuleiten, wird der Unterdruck im Behälter 9 für einen Ausgabezeitraum bei weiterlaufender Förderpumpe 15 abgebaut. Zu diesem Zweck wird von einer Anschlussstelle des Systems 1 her, die gasangereichertes Fluid mit einem geringen Überdruck führt, über eine Druckleitung 29 mit einer Ventileinrichtung 31 zugeführt. Der die Druckleitung 29 speisende Anschluss des Systems 1 ist in 1 nicht gezeigt, weil bei der vereinfachten Darstellung von 1 von dem System 1 lediglich beispielhaft ein Fluidtank 5 gezeigt ist. Bei praktischen Ausführungen kann es sich um eine Systemstelle handeln, an der im Betrieb ein geeigneter Staudruck herrscht, beispielsweise vor Filtereinrichtungen oder Kühlern oder dergleichen. Die Ventileinrichtung 31, vorzugsweise in Form eines elektrisch betätigbaren Schaltventils, wird zur Einleitung eines Ausgabevorgangs für entwichenes Gas geöffnet, um einen Druckanstieg im Behälter 9 zu bewirken, wodurch das Rückschlagventil 21 die Zuführleitung 19 schließt und das Rückschlagventil 25 am Ausgangsanschluss 23 öffnet, sobald sich nach Abbau des Unterdrucks ein entsprechend geringer Überdruck im Behälter 9 einstellt. Gleichzeitig mit der Zufuhr gasangereicherten Fluids über die Ventileinrichtung 31 fördert die Pumpe 15 weiterhin gasreduziertes Fluid 7' aus dem Behälter 9 zum System 1 (Tank 5). Die Betätigung der Ventileinrichtung 31 kann zeitgesteuert und/oder betätigt durch einen am Behälter 9 vorgesehenen Füllstandssensor 33 erfolgen.
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Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, das in Kombination mit einem Lüfter-Kühler-System durchgeführt wird. Genauer gesagt, ist hierbei die Separiereinrichtung 10 mit einer Lüfter-Kühler-Einheit 30 zu einer einheitlichen Baueinheit zusammengefasst, wie sie in 2 rechtsseitig als Ganzes dargestellt ist. Die in die Einheit 30 integrierte Separiereinrichtung 10 ist in 2 linksseitig in Symboldarstellung gesondert gezeigt. Wie ersichtlich, entspricht die Separiereinrichtung 10 der in 1 gezeigten Separiereinrichtung 10, so dass hierauf nicht näher eingegangen werden muss. Was die Lüfter-Kühler-Einheit 30 anbelangt, entspricht diese den dem Stand der Technik entsprechenden Einheiten, bei denen in einem Gehäuse 35 ein Lüfter 37 einen Kühlluftstrom durch einen im Inneren des Gehäuses 35 befindlichen Wärmetauscher hindurch erzeugt, der in 2 nicht sichtbar ist. In der bei derartigen Einheiten 30 üblichen Weise ist am Gehäuse 35 eine dem Lamellenkühler nachgeordnete Filtereinrichtung 39 angebaut. Eine Besonderheit gegenüber den üblichen Lüfter-Kühler-Einheiten 30 besteht darin, dass außer der Filteranordnung 39 der Behälter 9 der Separiereinrichtung 10 mit dem Gehäuse 35 zusammengebaut ist, so dass eine Kühler-Entgasungseinheit in Form eines zusammenhängenden Baukörpers gebildet ist. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der Antriebsmotor 24 der Förderpumpe 15 der Separiereinrichtung 10 gleichzeitig den Lüfter-Motor der Einheit 30 bildet. Mit 41 und 43 sind der Eingang bzw. der Ausgang des zu kühlenden Fluids in die bzw. aus der Lüfter-Kühler-Einheit 30 bezeichnet.
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Die 3 zeigt in dem gestrichelt umrandeten Bereich 50 die Hydraulikschaltung der Lüfter-Kühler-Einheit 30 des Ausführungsbeispiels von 2, die mit der in 3 linksseitig dargestellten Separiereinrichtung 10 kombiniert ist. Entsprechend dem einschlägigen Stand der Technik weist die Lüfter-Kühler-Einheit 30 einen im Kühlluftstrom des Lüfters 37 liegenden Wärmetauscher 51 auf, der im vorliegenden Fall durch einen Lamellenkühler gebildet ist und dem das zu kühlende Fluid vom Eingang 41 her über eine Eingangsleitung 53 zugeführt wird. Über seine Ausgangsleitung 55 ist der Wärmetauscher 51 mit der Filtereinrichtung 39 in Verbindung. Diese ist beim vorliegenden Beispiel zweistufig, mit einem Vorfilter 57 und einem Nachfilter 59 vor dem Ausgang 43 für das gekühlte Fluid. Am Vorfilter 57 befindet sich eine übliche Bypasseinrichtung in Form eines federvorgespannten Rückschlagventils 61. Am Eingang des Nachfilters 59 ist eine Ventilanordnung angeschlossen, die zur Druckbegrenzung des ausgangsseitigen Systemdruckes ein federvorgespanntes Rückschlagventil 63, das auf einen Öffnungsdruck von 0,5 bar eingestellt ist, sowie ein Nachsaugventil 65 in Form eines Rückschlagventils ohne Vorspannung aufweist. Zwischen der Eingangsleitung 53 und der Ausgangsleitung 55 des Wärmetauschers 51 befindet sich ein thermostatisch-mechanisch betätigtes Ventil 67, das bei Kaltstartbedingungen einen den Wärmetauscher 51 überbrückenden Bypass bildet (Schaltstellung in 3 dargestellt) oder bei normalen Temperaturbedingungen die Druckdifferenz am Wärmetauscher 51 begrenzt, im vorliegenden Beispiel auf 2 bar.
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Wie unter Bezug auf 1 erläutert, fördert die Pumpe 15 im Permanentbetrieb über die Rückführleitung 17 gasreduziertes Fluid 7 zum System, wobei durch den im Behälter 9 erzeugten Unterdruck gasangereichertes Fluid aus dem System über die Zuführleitung 19 in den Behälter 9 angesaugt wird, wobei durch den Unterdruck aus dem Fluid 7 Gas entweicht und sich im Teilvolumen 13 des Behälters 9 sammelt. Um angesammeltes Gas über den Ausgangsanschluss 23 abzugeben, wird die Ventileinrichtung 31 geöffnet, was bewirkt, dass die Pumpe 15 nicht mehr in der Lage ist, im Behälter 9 einen Unterdruck zu erzeugen. Bei geöffneter Ventileinrichtung 31 steigt daher über die Druckleitung 29 der Druck im Behälter 9 auf den Systemdruck an, so dass über das am Ausgangsanschluss befindliche Rückschlagventil 25, das auf einen sehr geringen Öffnungsdruck (0,05 bar) eingestellt ist, das abgeschiedene Gas über das Belüftungsfilter 27 entweicht. Zeitgesteuert und/oder nach Maßgabe des Füllstandssensors 33 wird die Ventileinrichtung 31 wieder in den Sperrzustand geschaltet.
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Um bei hydrostatischen Antriebssträngen oder sonstigen hydrodynamischen Antrieben, bei denen Hydromotoren eingesetzt sind, Verbesserungen des Wirkungsgrades zu erzielen, kommen vielfach trockenlaufende Motoren, sog. Schrägachsenmotoren, zum Einsatz, um die bei nasslaufenden Motoren auftretenden Planschverluste zu vermeiden. Solche Motoren neigen jedoch dazu, an den Wellendichtungen Luft nachzusaugen, so dass das anfallende Lecköl, das im Betrieb abgepumpt werden muss, verhältnismäßig stark mit Luft angereichert ist. Die vorliegende Erfindung bietet die vorteilhafte Möglichkeit, auf einfache Weise sowohl die Abfuhr des Lecköls als auch dessen Entgasung zu bewerkstelligen. Erfindungsgemäß wird hierfür so vorgegangen, dass das gasangereicherte und entsprechend heiße Lecköl unter Ausnutzung des in der Separiereinrichtung 10 herrschenden Unterdrucks in den Behälter 9 eingesaugt und zusammen mit dem übrigen, im Behälter 9 befindlichen Fluid 7 entgast wird. Die 4 zeigt die erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung in Verbindung mit einem Schrägachsenmotor 71 für den Antrieb eines nicht dargestellten Antriebssystems. Wie gezeigt, ist der Leckölanschluss des Motors 71 über eine Leckölleitung 73 und über das Rückschlagventil 21 mit der Zuführleitung 19 des Behälters 9 verbunden. ^1In vorteilhafter Weise wird so das Lecköl aktiv angesaugt, so dass keine weitere Absaugvorrichtung installiert werden muss. Zudem wird das heiße Lecköl gekühlt, bevor es dem Hauptsystem wieder zugeführt wird. Durch die Wärmeabgabe des Lecköls im Behälter 9 erhöht sich darüber hinaus die Temperatur des zu entgasenden Fluids 7, was wiederum die Effizienz der Entgasung verbessert.
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Tritt anstelle des Schrägachsenmotors 71 eine nicht näher dargestellte Hydropumpeneinrichtung, lässt sich dergestalt über die an die Pumpe angeschlossene Leckölleitung 73 deren Ölstand (Trockensumpf) variieren, insbesondere lässt sich ein Ruhe-Füllzustand vom Volumen her bei Betrieb der Pumpe verringern mit der Folge, dass die umlaufenden Pumpen-Flügelzellen das Fluid (Öl) nicht mehr derart „aufschlagen” können, dass verstärkt Blasenbildung auftritt und insoweit dann wiederum vermehrt in ungewollter Weise Luft in den an sich geschlossenen Fluidkreislauf gerät. Darüber hinaus kann durch das Absenken des Füllstandes innerhalb der Hydropumpe der Widerstand beim Betrieb derselben verringert werden, was zu einem günstigeren Energieverbrauch im Betrieb der Hydropumpe führt. Insoweit kann also die erfindungsgemäße Lösung nicht nur dazu beitragen, bereits im Fluid vorhandenes Gasvolumen auszutragen, sondern durch aktive Bestimmung der Füllstandshöhe auch ein Entstehen von lufthaltigen Blasen und deren Eintrag in das Fluid von Anfang an vermeiden zu helfen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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