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Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung zur Ölfiltration, insbesondere zur Hydraulik- und Schmierölfiltration sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Filteranordnung.
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Aus der Praxis ist bekannt, dass ein Öl, das beispielsweise als Hydrauliköl beziehungsweise Druckmittel beim Betrieb von Hydraulikanlagen oder als Schmieröl beim Betrieb von Verbrennungsmotoren in einem Ölkreislauf eingesetzt wird, aufgrund von Schmutzeintrag beim Einbau, durch Abrieb während des Betriebs oder durch Verbrennungsrückstände zunehmend verschmutzt wird. Insbesondere sammeln sich in dem Öl Schmutzpartikel unterschiedlicher Größe an, die die Funktion der Hydraulikanlage oder des Verbrennungsmotors stark beeinträchtigen oder diese beschädigen können. Weiter ist bekannt, dass Filter bzw. Filterelemente in verschiedenen Bauformen zum Herausfiltern dieser Schmutzpartikel eingesetzt werden können. Beispielsweise beschreibt die
DE 1 020 313 A einen Filter zum Filtrieren eines unter Druck stehenden Schmieröls.
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Des Weiteren sind aus der Praxis verschiedene Filter bzw. Filterelemente zum Herausfiltern der Schmutzpartikel aus dem Öl bekannt, die aus Microglas, Filterpapier, Drahtgewebe, Vliesstoff oder Metallfaservlies gefertigt sein können. Diesen Filterelementen ist zum einen gemein, dass sie einem gewissen Verschleiß unterliegen, der eine regelmäßige Wartung der Filterelemente notwendig macht. Beispielsweise kann sich in diesen Filterelementen eine solch große Menge von Schmutzpartikeln ansammeln, dass das Filterelement zugesetzt bzw. verstopft wird. Mit zunehmendem Verschleiß wird eine mögliche Öldurchflussmenge durch den sich immer weiter zusetzenden Filter nach und nach reduziert, wodurch es in dem Ölkreislauf zu einem unerwünschten Druckanstieg kommen kann. Bei Erreichen einer gewissen Verschleißgrenze ist dann eine kostenintensive Wartung des Filters bzw. ein Austausch der Filterelemente notwendig. Zum anderen ist diesen Filterelementen gemein, dass ein Durchströmen Strömungsverluste verursacht, die einen hohen Energieaufwand beim Betrieb der Hydraulikanlage oder des Verbrennungsmotors notwendig machen. Mit zunehmendem Verschleiß der Filterelemente steigen die Strömungsverluste innerhalb des Filters und damit ein notwendiger Energieaufwand zum Fördern des Öls weiter an.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Filteranordnung zur Ölfiltration zur Verfügung zu stellen, die im Betrieb vergleichsweise geringe Strömungsverluste aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Filteranordnung zu schaffen, das zu geringen Strömungsverlusten führt.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Filteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung umfasst einen Ölzulauf zum Zuführen des zu filtrierenden Öls zu wenigstens einem weiter stromabwärts angeordneten Filterelement, einen zum Filterelement stromabwärts angeordneten Ölablauf, der das Öl zu einem Verbraucher weiterleitet oder einem Öltank zuführt und eine Messeinrichtung, die den aktuellen Verschmutzungsgrad des Öls erfasst. Erfindungsgemäß ist die Filteranordnung derart eingerichtet, dass zum wenigstens teilweisen Überbrücken des wenigstens einen Filterelements der Ölzulauf mit dem Ölablauf direkt verbindbar ist. Mit dieser Anordnung lässt es sich wirkungsvoll vermeiden, dass das wenigstens eine Filterelement unnötig bzw. dauerhaft von dem Öl durchströmt wird. Denn in Abhängigkeit des Verschmutzungsgrades des zu filtrierenden Öls kann es dem Filterelement bedarfsgerecht überhaupt nicht, nur teilweise oder aber auch vollständig zugeführt werden. Somit wird die Lebensdauer des Filterelements bzw. dessen Wartungsintervall effektiv verlängert, ohne die Reparaturanfälligkeit der mit dem Öl betriebenen Anlage oder Vorrichtung nachteilig zu erhöhen.
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Insbesondere kann das Filterelement, das in der Kurzform auch als Filter bezeichnet wird, bei einem nur geringen Verschmutzungsgrad des Öls durch das vollständige Verbinden des Ölzulaufs mit dem Ölablauf vollständig überbrückt werden, so dass dem Filterelement überhaupt kein Öl zugeführt wird. Bei einem mittelmäßigen Verschmutzungsgrad kann das Öl teilweise dem Filterelement und teilweise direkt dem Ölablauf zugeführt werden, so dass wenigstens ein Teil des Öls gefiltert wird. Stellt die Messeinrichtung jedoch fest, dass der aktuelle Verschmutzungsgrad ein Filtern des gesamten Öls erfordert, kann das Öl wenigstens so lange vollständig durch das Filterelement gefördert werden, bis der Verschmutzungsgrad des Öls wieder abgesunken ist. Durch dieses bedarfsgerechte Überbrücken des Filterelements wird auch die Energieeffizienz der Filteranordnung signifikant erhöht, da die Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert werden.
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Vorzugsweise ist der Bypass unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts des Verschmutzungsgrads geöffnet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zum wenigstens teilweisen Überbrücken ein Bypass bzw. eine Bypassleitung vorgesehen sein, der den Ölzulauf mit dem Ölablauf verbindet und damit das Filterelement überbrückt. Die Öldurchflussmenge durch den Bypass ist in Abhängigkeit des von der Messeinrichtung erfassten Verschmutzungsgrades des Öls regelbar. Damit lässt sich das Überbrücken des Filters auf konstruktiv besonders einfache Weise realisieren.
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Vorteilhaft ist es, wenn für die Regelung der Öldurchflussmenge durch den Bypass und/oder durch das Filterelement ein Regelventil vorgesehen ist. Das Regelventil kann die jeweilige Durchflussmenge stufenlos beeinflussen. Beispielsweise kann hierfür ein elektronisch ansteuerbares Regelventil eingesetzt werden.
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In einer weiten vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann die Messeinrichtung weiter dazu eingerichtet sein, die Druckdifferenz zwischen dem Ölzulauf und dem Ölablauf, das heißt den Druckabfall am Filterelement und/oder am Bypass, zu ermitteln. Damit lässt sich die Öldurchflussmenge durch den Bypass und/oder durch das Filterelement zusätzlich zum Verschmutzungsgrad des Öls auch durch die ermittelte Druckdifferenz regeln. So lässt sich das Überbrücken des Filterelements noch präziser regeln.
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Als Sicherheitsmerkmal ist es vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, die Öldurchflussmenge bei Erreichen einer bestimmten Druckdifferenz weitgehend unabhängig vom Verschmutzungsgrad zu erhöhen. Dies ermöglicht es, auf einen unerwünschten Druckanstieg innerhalb des Filterelements zu reagieren und die Durchflussmenge durch den Bypass trotz eines eventuell hohen Verschmutzungsgrades des Öls zu erhöhen. Da die Strömungsverluste im Bypass im Vergleich zum Filterelement gering sind, kann der Druck innerhalb des Ölkreislaufs effizient gesenkt werden.
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Für die Überwachung und/oder Dokumentation des Betriebs der Filteranordnung ist es vorteilhaft, wenn der Verschmutzungsgrad des Öls und/oder die ermittelte Druckdifferenz für einen Bediener der Hydraulikanlage anzeigbar sind.
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Je nach Einsatzgebiet der Filteranordnung können der Verschmutzungsgrad des Öls und/oder die Druckdifferenz zwischen Ölzulauf und Ölablauf kontinuierlich, beispielsweise in sehr geringen Zeitabständen, oder diskontinuierlich, das heißt in diskreten Zeitabständen, gemessen werden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer Filteranordnung zur Ölfiltration, die einen Ölzulauf zum Zuführen des zu filtrierenden Öls an wenigstens ein Filterelement und einen dem Filterelement nachgeschalteten Ölablauf umfasst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verschmutzungsgrad des Öls mittels einer Messeinrichtung erfasst und das wenigstens eine Filterelement in Abhängigkeit von diesem erfassten Verschmutzungsgrad wenigstens teilweise überbrückt. Durch das bedarfsgerechte Zuführen des Öls an das Filterelement bzw. durch das bedarfsgerechte, mitunter auch vollständige Überbrücken des Filterelements lassen sich die Strömungsverluste innerhalb der Filteranordnung erheblich reduzieren. Dadurch ist es möglich, die Energieeffizienz des Systems, in dem die Filteranordnung zum Filtrieren der Betriebsflüssigkeit eingesetzt wird, signifikant zu erhöhen. Zudem wird das Filterelement oder die Filterelemente werden geschont, wenn der Verschmutzungsgrad des Öls eine Überbrückung des wenigstens einen Filterelements zulässt. Infolgedessen können die Wartungsintervalle der Filteranordnung verlängert werden und die Betriebskosten reduziert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Öl bis zum Erreichen eines auf den Verschmutzungsgrad gerichteten ersten Schwellenwerts nicht durch das Filterelement geleitet wird. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise auf Erfahrungswerten bzw. Versuchsergebnissen beruhen und zeigt an, dass der aktuelle Verschmutzungsgrad des Öls derart niedrig ist, dass eine Filtration des Öls nicht oder noch nicht notwendig ist. Deshalb kann das Filterelement vollständig überbrückt werden, so dass die gesamte Ölmenge an dem Filterelement vorbei direkt dem Ölablauf der Filteranordnung zugeführt wird. Idealerweise ist dieser Schwellenwert applizierbar, d. h. auf die Hydraulikanlage bzw. das System, in dem die Filteranordnung eingesetzt wird, anpassbar.
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Es hat sich außerdem als zweckmäßig erwiesen, wenn das Öl bei Erreichen eines auf den Verschmutzungsgrad gerichteten zweiten Schwellenwerts vollständig durch das Filterelement geleitet wird. Insbesondere kann dieser Schwellenwert so gewählt sein, dass er einen Verschmutzungsgrad des Öls angibt, der unbedingt eine Filtration des Öls erfordert. Das heißt, dass die gesamte Ölmenge dem Filterelement zugeführt und filtriert wird.
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Zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert, das heißt bei einem mittelmäßigen Verschmutzungsgrad, kann das Filterelement teilweise überbrückt werden. Beispielsweise kann stufenlos geregelt werden, welche Ölmenge dem Filterelement und welche Ölmenge direkt dem Ölablauf zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich die Filtration des Öls noch effizienter regeln.
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Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass dieselbe Messeinrichtung oder eine zusätzliche Messeinrichtung auch den Druckverlust zwischen der Rein- und der Schmutzseite als Druckdifferenz erfasst. Das heißt, dass der Druckverlust am Filterelement gemessen bzw. erfasst wird. Dieses Sicherheitsmerkmal erlaubt es beispielsweise, das Filterelement auch bei einem hohen Verschmutzungsgrad des Öls teilweise oder vollständig zu überbrücken, wenn der Differenzdruck hoch ist. Das heißt, dass das Überbrücken des Filterelements als Bypassventil funktioniert, um das Filterelement bei ungeeigneten bzw. unsicheren Druckverhältnissen zu schonen oder vor Zerstörung zu schützen.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn das Filterelement zum Vermeiden von Schäden auch beim Auftreten von Druckstößen vom Ölablauf her oder überbrückt werden kann. Zweckmäßig ist es auch, wenn das Regelventil als Reversierventil arbeiten kann, um das Filterelement zumindest kurzfristig auch entgegen der eigentlich Strömungsrichtung des Öls durchfließen zu lassen.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen:
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1 einen hydraulischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Filteranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen hydraulischen Schaltplan der erfindungsgemäßen Filteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche und ähnliche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Hydraulikanlage 1. Sie dient als ein Beispiel für einen Ölkreislauf, dessen Öl während des Betriebs der Hydraulikanlage 1 filtriert werden muss. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Hydrauliköl filtriert.
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Die Hydraulikanlage 1 weist eine erfindungsgemäße Filteranordnung 2 zum Filtrieren des in der Hydraulikanlage verwendeten Öls auf. Denkbar wären auch mehrere Filteranordnungen innerhalb derselben Hydraulikanlage 1. Die Filteranordnung 2 umfasst einen Ölzulauf 3 zum Zuführen des zu filtrierenden Öls und einen Ölablauf 4 zum Weiterleiten des Öls an eine hydraulische Arbeitskomponente oder zum Zuführen des Öls in einen Öltank.
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Die Filteranordnung 2 umfasst weiter ein Filterelement 5, das im Strömungspfad zwischen dem Ölzulauf 3 und dem Ölablauf 4 angeordnet ist. Das heißt, dass das Filterelement 5 in der Förderrichtung R des Öls nach dem Ölzulauf 3 und vor dem Ölablauf 4 der Filteranordnung 2 positioniert ist. Bei dem Filterelement 5 kann es sich beispielsweise um einen Rohrfilter zum Herausfiltern von Schmutzpartikeln aus dem Öl handeln. Die Filteranordnung 2 könnte auch mehrere einzelne, zusammenwirkende Filterelemente 5 umfassen.
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Zur Überbrückung des Filterelements 5 verfügt die Filteranordnung 2 über einen fluidisch parallel zum Filterelement 5 angeordneten Bypass 6. Dieser weist eine erste Bypassleitung 7 auf der Schmutzseite auf, das heißt zwischen dem Ölzulauf 3 und dem Filterelement 5. Die Bypassleitung 7 zweigt hierbei vom Strömungspfad zwischen dem Ölzulauf 3 und dem Filterelement 5 ab. Weiter umfasst der Bypass 6 auf der Reinseite, das heißt nach dem Filterelement 5 und vor dem Ölablauf 4, eine zweite Bypassleitung 8. Diese mündet dann im Strömungspfad zwischen dem Filterelement 5 und dem Ölablauf 4. Zur Regelung der Öldurchflussmenge durch den Bypass 6 bzw. zur Regelung der Überbrückung des Filterelements 5 weist der Bypass 6 weiterhin ein Regelventil 9 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der ersten Bypassleitung 7 und der zweiten Bypassleitung 8 angeordnet ist. Die erste Bypassleitung 7 und die zweite Bypassleitung 8 sind dazu ausgelegt, die gesamte über den Ölzulauf 3 zugeführte Ölmenge aufzunehmen. Insbesondere weisen die Bypassleitungen 7, 8 beim deren Durchströmung im Vergleich zu dem Filterelement 5 geringe Strömungsverluste auf.
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Das Regelventil 9 ist beispielhaft als ein elektronisch ansteuerbares, stufenlos regelbares Ventil ausgeführt. Denkbar wäre auch, als Regelventil 9 ein Schaltventil einzusetzen. Das Regelventil muss jedoch nicht zwingend elektronisch ansteuerbar sein, sondern kann auch manuell durch einen Bediener regelbar sein. Zur Ansteuerung des Regelventils 9 umfasst die Filteranordnung eine Steuereinrichtung 10, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Steuerelektronik ist. Die Steuereinrichtung 10 ist mittels einer elektrischen Leitung 11 mit dem Regelventil 9 verbunden.
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Auf der Schmutzseite, im Strömungspfad zwischen dem Ölzulauf 3 und der ersten Bypassleitung 7, weist die Filteranordnung 2 eine Messeinrichtung 11 zum Erfassen des Verschmutzungsgrads des Öls auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 11 ein Partikelsensor, jedoch eignen sich auch andere Messeinrichtungen, die den Verschmutzungsgrad des Öls direkt oder indirekt angegeben können. Die Messeinrichtung 11 ist mittels einer weiteren elektrischen Leitung 12 mit der Steuereinrichtung 10 verbunden, so dass die Messergebnisse entweder bereits ausgewertet oder zur Auswertung an die Steuereinrichtung 10 weitergeleitet werden können. Dadurch kann das Regelventil 9 von der Steuereinrichtung 10 so angesteuert werden, dass die Öldurchflussmenge durch den Bypass 6 in Abhängigkeit des ermittelten Verschmutzungsgrads des Öls geregelt wird.
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Zur Anzeige oder Aufzeichnung des Verschmutzungsgrads des Öls weist die Filteranordnung 2 eine Anzeigevorrichtung 13 auf, die den Verschmutzungsgrad des Öls für einen Bediener der Hydraulikanlage 1 darstellt und/oder zur Dokumentation aufzeichnet.
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Der Betrieb der Filteranordnung 2 kann wie nachfolgend beschrieben ablaufen.
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Das in dem Ölkreislauf der Hydraulikanlage 1 zirkulierende Öl wird durch die Filteranordndung 2 hindurch gefördert. Hierzu wird es zunächst über den Ölzulauf 3 zugeführt und der Verschmutzungsgrad des Öls kontinuierlich mittels der Messeinrichtung 11 ermittelt. Wird dabei festgestellt, dass der Verschmutzungsgrad des Öls derart niedrig ist, dass es derzeit nicht filtriert werden muss, wird das Regelventil 9 von der Steuereinrichtung 10 so angesteuert, dass die gesamte Ölmenge unfiltriert durch den Bypass 6 hindurch geleitet wird. Auf diese Weise wird das Filterelement 5 vollständig überbrückt und das Öl folglich nicht filtriert. Infolgedessen treten deutlich geringere Strömungsverluste auf, als dies beim Durchströmen des Filterelements 5 der Fall wäre.
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Wird mit längerer Betriebsdauer der Hydraulikanlage 1 mittels der Messeinrichtung 11 erkannt, dass der Verschmutzungsgrad des Öls zunimmt oder einen bestimmten Schwellenwert erreicht, steuert die Steuereinrichtung 10 das Regelventil 9 so an, dass die Öldurchflussmenge gedrosselt wird. Dadurch fließt eine Teilmenge des Öls auch durch das Filterelement 5 hindurch und wird folglich filtriert. Eine Teilmenge Öls fließt jedoch weiterhin durch den Bypass 6.
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Stellt die Messeinrichtung 11 jedoch fest, dass der weiter zunehmende Verschmutzungsgrad des Öls einen bestimmten zweiten Schwellenwert überschreitet, wird das Regelventil 9 so angesteuert, dass kein Öl mehr durch den Bypass 6 fließt. Somit strömt die gesamte Ölmenge durch das Filterelement 5 und wird filtriert.
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Mit abnehmenden Verschmutzungsgrad des Öls, der wiederum von der Messeinrichtung 11 ermittelt wird, wird das Regelventil 9 wieder so angesteuert, dass erneut eine Teilemenge oder aber die Gesamtmenge des Öls durch den Bypass 6 fließt. Folglich wird in diesem Betriebszustand der Filteranordnung 2 das Filterelement 5 geschont.
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Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Filteranordnung 2 in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden.
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Beispielsweise kann die Messeinrichtung 11 auch dazu konfiguriert bzw. eingerichtet sein, die Druckdifferenz zwischen der Schmutzseite vor dem Filterelement 5 und der Reinseite nach dem Filterelement 6 zu ermitteln. Das heißt, dass auf die Weise der Druckverlust innerhalb des Filterelements 5 messbar ist. Auf Basis dieser Werte kann das Regelventil 9 so angesteuert werden, dass trotz eines Verschmutzungsgrads, der eigentlich eine Filtration des Öls erfordern würde, eine Teilmenge oder die Gesamtmenge des Öls durch den Bypass 6 geleitet wird. Dies ist ein Sicherheitsmerkmal, das das Filterelement 5 vor Schäden aufgrund zu hoher Drücke schützt.
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Ebenso kann die Filteranordnung gemäß 2 abgewandelt werden. Demzufolge kann die Messeinrichtung 11 um eine weitere Messeinrichtung 14 bzw. einen weiteren Sensor auf der Reinseite ergänzt werden. Mit dieser Anordnung kann eine noch genauere Regelung der Durchflussmengen durch das Filterelement 5 und durch den Bypass 6 erfolgen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung zur Ölfiltration, insbesondere zur Hydraulik- und Schmierölfiltration. Die Filteranordnung umfasste einen Ölzulauf (3) zum Zuführen des zu filtrierenden Öls an wenigstens ein Filterelement (5), einen dem wenigstens einen Filterelement (5) nachgeschalteten Ölablauf (4) und eine Messeinrichtung (11) zur Erfassung des Verschmutzungsgrades des zu filtrierenden Öls. Der Ölzulauf (3) und der Ölablauf (4) sind zum wenigstens teilweisen Überbrücken des wenigstens einen Filterelements (5) in Abhängigkeit des erfassten Verschmutzungsgrades direkt verbindbar. Die Erfindung bezieht sich ferner auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer Filteranordnung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikanlage
- 2
- Filteranordnung
- 3
- Ölzulauf
- 4
- Ölablauf
- 5
- Filterelement
- 6
- Bypass bzw. Bypassleitung
- 7
- Erste Bypassleitung
- 8
- Zweite Bypassleitung
- 9
- Regelventil
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Messeinrichtung
- 12
- Elektrische Leitung
- 13
- Anzeigevorrichtung
- 14
- Messeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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