DE102015217899A1

DE102015217899A1 - Hydraulikzylindereinheit

Info

Publication number: DE102015217899A1
Application number: DE102015217899.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Guender; Bastian Beckmann; Wolfgang Schaefer; Manuel Rumpel; Johannes Schwacke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2016-06-23
Also published as: DE102015206236A1

Abstract

Vorgestellt wird eine Hydraulikzylindereinheit (100) mit einer Aktoreinrichtung (102) zum Betreiben der Hydraulikzylindereinheit (100), wobei die Aktoreinrichtung (102) eine Pumpe (104) und/oder einen Motor (106) umfasst. Hydraulikzylindereinheit (100) weist eine thermisch mit der Aktoreinrichtung (102) gekoppelte Kühleinrichtung (108) zum Kühlen der Aktoreinrichtung (102) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hydraulikzylindereinheit, ein entsprechendes Hydrauliksystem, ein Verwenden einer Abwärme einer entsprechenden Hydraulikzylindereinheit oder eines entsprechenden Hydrauliksystems sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikzylindereinheit.
Stand der Technik ist die Wärmeabgabe über die Oberfläche der Komponenten durch Wärmedurchgang (beispielsweise im Steuerblock, Pumpe, Motor, ...) und Wärmeabgabe (Konvektion und Strahlung) über die Oberfläche.
Durch zunehmende Integration der Komponenten im System verringert sich die Oberfläche und die Hotspots befinden sich nicht oberflächennah.
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Hydraulikzylindereinheit, weiterhin ein Hydrauliksystem, das die Hydraulikzylindereinheit verwendet, ein Verwenden einer Abwärme einer entsprechenden Hydraulikzylindereinheit oder eines entsprechenden Hydrauliksystems sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikzylindereinheit gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Bei einer kompakten Hydraulikzylindereinheit können ein Überhitzen und lokale Hotspots durch eine Integration einer Kühleinrichtung vermieden werden. Vorteilhaft kann eine Leistungsdichte der Hydraulikzylindereinheit verbessert werden. Gleichzeitig kann ein homogeneres Temperaturverhältnis innerhalb des Systems erzielt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Hydraulikzylindereinheit mit einer Aktoreinrichtung zum Betreiben der Hydraulikzylindereinheit, wobei die Aktoreinrichtung eine Pumpe und/oder einen Motor umfasst, gekennzeichnet durch eine thermisch mit der Aktoreinrichtung gekoppelte Kühleinrichtung zum Kühlen der Aktoreinrichtung.
Unter einer Hydraulikzylindereinheit kann eine hydraulische Lineareinheit, eine hydraulische Kompaktachse, ein Hydraulikzylinder, insbesondere mit innenliegender Aktoreinrichtung, ein Motor-Pumpe-Hydraulikzylinder oder ein Gleichgangzylinder, insbesondere in Differenzialbauweise, verstanden werden. Unter dem Motor kann ein Elektromotor verstanden werden. Der Motor kann ausgebildet sein, die Pumpe anzutreiben. Die Pumpe kann ausgebildet sein, ein Hydraulikmedium in Kammern der Hydraulikzylindereinheit zu pumpen, um einen Kolben der Hydraulikzylindereinheit zu bewegen. Die Kühleinrichtung kann ausgebildet sein, die Aktoreinrichtung und ergänzend oder alternativ die Hydraulikzylindereinheit oder Teilbereiche der Hydraulikzylindereinheit zu kühlen.
Die Kühleinrichtung kann einen Kühlkreislauf mit einer Kühlleitung für ein Kühlmedium und eine Fördereinrichtung zum Fördern des Kühlmediums in der Kühlleitung umfassen. Unter einer Kühlleitung kann dabei ein Kühlkanal verstanden werden. In einer Ausführungsform kann die Kühleinrichtung einer Mehrzahl von Kühlleitungen oder Kühlkanälen umfassen. Unter einem Kühlmedium kann dabei ein Wärmeträger oder Kälteträger verstanden werden. Das Kühlmedium kann zum Abtransport von Wärme eingesetzt werden. So kann ein erster Abschnitt der Kühlleitung beziehungsweise des Kühlkreislaufs an der Aktoreinrichtung, insbesondere an einer Außenoberfläche der Aktoreinrichtung, angeordnet sein. So kann das Kühlmedium eine Wärmeenergie von einem Hotspot im Inneren der Hydraulikzylindereinheit nach außen führen. Dabei kann unter einem Hotspot eine räumlich lokale Erwärmung verstanden werden. Unter der Fördereinrichtung zum Fördern des Kühlmediums kann eine Kühlmittelfördereinheit oder eine Kühlmediumfördereinheit verstanden werden.
Ferner kann die Kühleinrichtung ausgebildet sein, das Kühlmedium auf eine Außenoberfläche der Hydraulikzylindereinheit zu leiten, um eine aufgenommene Wärmeenergie über Konvektion und ergänzend oder alternativ Wärmestrahlung abzugeben. Zwischen der Kühleinrichtung und der Außenoberfläche kann eine Isolation oder eine Isolationsoberfläche angeordnet sein. So kann die Abwärme von den Hotspots an eine kühlende Einrichtung wie beispielsweise eine große Oberfläche, einen Kühlkörper, ein Kühlaggregat oder einen Wärmetauscher durch einen gezielten Wärmetransport befördert werden.
Günstig ist es auch, wenn das Kühlmedium ein Kühlmittel und ergänzend oder alternativ ein Kältemittel ist. Unter einem Kühlmittel kann ein gasförmiger, flüssiger oder fester Stoff oder ein entsprechendes Stoffgemisch verstanden werden. Das Kältemittel kann in einem Kältezyklus Wärme entgegen einem Temperaturgradienten übertragen, sodass die Umgebungstemperatur höher sein kann als die Temperatur der zu kühlenden Hydraulikzylindereinheit. Das Kühlmittel kann in einem Kühlzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur transportieren.
Die Hydraulikzylindereinheit kann einen Lüfter zum Erzeugen eines Luftstroms auf eine Oberfläche der Kühleinrichtung und/oder einem Wärmetauscher und/oder einem Radiator aufweisen. So kann vorteilhaft ein Abschnitt oder Teilbereich der Kühleinrichtung insbesondere über Konvektion gekühlt werden.
Die Kühleinrichtung kann eine Einrichtung zur Veränderung eines Systemdrucks der Kühleinrichtung aufweisen. Insbesondere kann die Kühleinrichtung eine Einrichtung zur Veränderung des Systemdrucks des Kühlmediums (insbesondere in der Form eines Kältemittels) in der Kühlleitung aufweisen. So kann der Druck des Kühlmediums optimal zur Übertragung der Enthalpie über das Kühlmedium angepasst werden.
Die Kühleinrichtung kann mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein. Ferner kann die Kühleinrichtung einen Radiator aufweisen. Günstig ist es auch, wenn die Kühleinrichtung eine Drossel und ergänzend oder alternativ einen Verdichter aufweist. Dabei kann die Kühleinrichtung insbesondere eine Drossel und ergänzend oder alternativ eine Drossel aufweisen, um einen Druck des Kühlmediums im Kühlkreislauf zu variieren. Dabei kann der Druck des Kühlmediums abschnittsweise variiert werden. So kann der Druck des Kühlmediums in einem ersten Abschnitt des Kühlkreislaufs sich von einem zweiten Druck des Kühlmediums in einem zweiten Abschnitt des Kühlkreislaufs unterscheiden.
Die Hydraulikzylindereinheit kann die Aktoreinrichtung zumindest teilweise umhüllen. Insbesondere kann die Aktoreinrichtung im Inneren der Hydraulikzylindereinheit angeordnet sein. So kann ein beweglicher Zylinder der Hydraulikzylindereinheit in einem eingefahrenen Zustand die Aktoreinrichtung zumindest teilweise umhüllen. Eine Innenoberfläche der Hydraulikzylindereinheit kann an einer Außenoberfläche der Aktoreinrichtung anliegen. Die Kühleinrichtung kann zumindest teilweise zwischen der Innenoberfläche der Hydraulikzylindereinheit und der Außenoberfläche der Aktoreinrichtung angeordnet sein.
Die Kühleinrichtung kann zumindest ein Rückschlagventil im Kühlkreislauf aufweisen. Dabei kann der Kühlkreislauf durch eine Zylinderkammer der Hydraulikzylindereinheit führen. Insbesondere kann dabei die Fördereinrichtung das zumindest eine Rückschlagventil und die Zylinderkammer umfassen, um das Kühlmedium zu fördern. So kann das Kühlmedium durch einen Eingang in die Zylinderkammer einströmen und durch einen Ausgang aus der Zylinderkammer ausströmen. Diese Ausführungsform ist nicht nur bei integrierter Bauart des Hydraulikzylinders möglich, sondern auch bei einer (Hydraulik-)Zylindereinheit mit außen liegender Motor-Pumpen-Gruppe.
Die Kühleinrichtung kann einen mit dem Kühlkreislauf gekoppelten Volumenausgleichspeicher zum Ausgleichen eines Volumens des Kühlmittels im Kühlkreislauf aufweisen. So kann mittels des Volumenausgleichspeichers beispielsweise bei einer Volumenänderung des Kühlkreislaufs, beispielsweise bedingt durch eine Zylinderkammer mit wechselndem Volumen im Kühlkreislauf, zusätzliches Kühlmedium bereitgestellt werden oder überschüssiges Kühlmedium zwischengespeichert werden. Die Zylinderkammer im Kühlkreislauf kann dabei ein Teil der Fördereinrichtung sein. So kann die Zylinderkammer auch als Förderkammer bezeichnet werden. Diese Ausführungsform ist nicht nur bei integrierter Bauart des Hydraulikzylinders möglich, sondern auch bei (Hydraulik-) Zylindereinheit mit außen liegender Motor-Pumpen-Gruppe.
Ferner kann in einer Ausführungsform das Kühlmedium ein Hydraulikmedium sein. Insbesondere kann ein Leckölanschluss der Pumpe mit dem Kühlkreislauf gekoppelt sein, um das Hydraulikmedium bereitzustellen. So kann beispielsweise unter Lecköl ein Hydraulikmedium verstanden werden. Unter einem Hydraulikmedium kann eine Hydraulikflüssigkeit oder ein Fluid verstanden werden, das zur Übertragung von Energie und/oder Kräften in einem Hydrauliksystem verwendet wird. So kann ein Hydraulikmedium thermisch stabil sein, das heißt, einen geringen Temperatureinfluss auf die Viskosität (sowohl dynamische als auch kinematische Viskosität), eine geringe Kompressibilität und eine Scherstabilität sowie eine geringe Schaumbildung aufweisen. Diese Ausführungsform ist nicht nur bei integrierter Bauart möglich, sondern allgemein bei Hydraulikaggregaten, Motor-Pumpen-Gruppen und Zylindereinheiten mit außen liegender Motor-Pumpen-Gruppe.
Es wird ein Hydrauliksystem vorgestellt mit einer Variante einer hier vorgestellten ersten Hydraulikzylindereinheit und zumindest einer Variante einer hier vorgestellten zweiten Hydraulikzylindereinheit, die eine gemeinsame Kühleinrichtung aufweisen. So kann eine Kühleinrichtung für zumindest zwei Hydraulikzylindereinheiten verwendet werden. Dabei können die erste Hydraulikzylindereinheit und zumindest die zweite Hydraulikzylindereinheit parallel oder seriell in dem Kühlkreislauf der Kühleinrichtung angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann eine zumindest teilweise parallele Anordnung einer Mehrzahl von Hydraulikzylindereinheiten mit einer zumindest teilweise seriellen Anordnung einer Mehrzahl von Hydraulikzylindereinheiten kombiniert werden. Dabei kann sich das parallel und das seriell auf die Anordnung der Hydraulikzylindereinheiten im Kühlkreislauf beziehen.
Es wird ein Verwenden einer Abwärme einer Variante einer hier vorgestellten Hydraulikzylindereinheit und/oder einer Abwärme einer Variante eines hier vorgestellten Hydrauliksystems für einen weiteren Kühlprozess und/oder Wärmeprozess, insbesondere mittels einer Kältemaschine, vorgestellt. So kann die Abwärme aus zumindest einer Hydraulikzylindereinheit für einen Kühl- oder Wärmeprozess verwendet werden, beispielsweise um eine Sorptionskältemaschine zu betreiben. Auf diese Weise kann eine Nutzung der Wärmeenergie nicht nur bei Hydraulikzylindereinheiten erfolgen, sondern analog auch bei z. B. Hydraulikaggregaten oder Sytronix-Motor-Pumpen-Einheiten.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten Hydraulikzylindereinheit vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Ansteuern der Aktoreinrichtung; und
Kühlen der Aktoreinrichtung unter Verwendung der mit der Aktoreinrichtung gekoppelten Kühleinrichtung.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Konzept der Kühlung einer Hydraulikzylindereinheit. Bei der Hydraulikzylindereinheit können der Elektromotor und die Pumpe in das Innere des Zylinders der Hydraulikzylindereinheit eingebaut sein. In einer Ausführungsform sind dabei ein Kühlmedium beziehungsweise Kühlkanäle vorhanden, die die Wärme von dem Elektromotor und der Pumpe nach außen abführen.
In einer optionalen Ausführungsform zirkuliert das Kühlmittel in einem inneren Mantel um den Elektromotor und die Pumpe. Optional kann dabei eine Wärmeabgabe über einen Radiator oder einen Wärmetauscher erfolgen.
Dabei kann in einer Ausführungsform Kühlmittel oder Kältemittel in der Kühleinrichtung verwendet werden. So kann die Kühleinrichtung ausgebildet sein, zur Kühlung ein Kühlmittel oder alternativ ein Kältemittel zu verwenden. Dabei kann optional der Kältemittelkreislauf eine Drossel aufweisen. So kann der Kühlkreislauf eine Mehrzahl von Kältemittelkreisläufen aufweisen.
In einer besonderen Ausführungsform kann ein Zylinder oder eine Zylinderkammer der Hydraulikzylindereinheit oder ein mit der Hydraulikzylindereinheit gekoppelter Hilfszylinder als Kühlmittelfördereinheit verwendet werden.
Optional kann in einer Ausführungsform ein Hydraulikmedium als Kühlmedium eingesetzt werden. Dabei kann das Hydraulikmedium am Leckölanschluss oder am Ausgang der Pumpe abgegriffen werden.
Vorteilhaft kann eine Abwärme mehrerer Achsen beziehungsweise Hydraulikzylindereinheiten zusammengefasst werden und die Wärme prozesstechnisch genutzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 4 jeweils eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 bis 8 jeweils eine vereinfachte Diagrammdarstellung eines Temperaturverlaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 bis 10 jeweils eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine vereinfachte Diagrammdarstellung eines Temperaturverlaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 bis 18 jeweils eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
19 bis 22 jeweils eine schematische Darstellung einer Aktoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
23 eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
24 bis 26 jeweils eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
27 eine vereinfachte Darstellung einer Adsorptionskältemaschine und eines Hydrauliksystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
28 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Hydraulikzylindereinheit 100 handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Gleichgangzylinder in Differenzialbauweise. Die Hydraulikzylindereinheit 100 weist eine Aktoreinrichtung 102 zum Betreiben der Hydraulikzylindereinheit 100 auf. Die Aktoreinrichtung 102 umfasst eine Pumpe 104 und einen Motor 106 zum Betreiben der Pumpe 104. Die Aktoreinrichtung 102 ist im Innenraum der Hydraulikzylindereinheit 100 angeordnet. Mit der Aktoreinrichtung 102 ist eine Kühleinrichtung 108 zum Kühlen der Aktoreinrichtung 102 thermisch gekoppelt.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Hydraulikzylindereinheit 100 einen Hauptkörper 110 und eine in dem Hauptkörper 110 linear geführte Kolbenstange 112 auf. Der Hauptkörper 110 weist auf einer Seite eine Anflanschung 114 auf. Die Hydraulikzylindereinheit 100 ist derart ausgebildet, dass die Kolbenstange 112 quer zur Seite der Anflanschung 114 des Hauptkörpers 110 bewegbar ist. Der Hauptkörper 110 ist derart ausgeformt, dass er eine Führung für die Kolbenstange 112 schafft. Der Hauptkörper 110 und die Kolbenstange 112 sind derart ausgeformt, dass vier Kammern K1, K2, K3, K4 geschaffen werden, wobei durch Pumpen eines Hydraulikmediums in die entsprechenden Kammern K1, K2, K3, K4 oder aus den entsprechenden Kammern K1, K2, K3, K4 die Kolbenstange 112 bewegt wird. Die Kammern K1, K2, K3 sind radial um die Aktoreinrichtung 102 angeordnet. Die Kammer K4 wird von der Kolbenstange 112 und einer der Anflanschung 114 gegenüberliegenden Stirnseite des Hauptkörpers 110 gebildet.
Die Pumpe 104 und der Motor 106 befinden sich in einem Innenraum der Hydraulikzylindereinheit 100 und fördern das Betriebsmedium (Hydrauliköl) in die jeweiligen Kammern K1, K2, K3 oder K4. Hierdurch wird Kraft auf die Kolbenstange 112 ausgeübt und diese bewegt sich in der angezeigten Richtung 116.
Die Kühleinrichtung 108 umfasst einen Kühlkreislauf 118 mit einer Kühlleitung 120 für ein Kühlmedium und eine Fördereinrichtung 122 zum Fördern des Kühlmediums in der Kühlleitung 120. Die Kühlleitung 120 schafft eine Führung für das Kühlmedium. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Fördereinrichtung 122 eine Förderpumpe 122 verwendet, die in dem Kühlkreislauf 118 angeordnet ist.
Die Kühleinrichtung 108 ist je nach Ausführungsbeispiel ausgebildet, als Kühlmedium ein Kühlmittel, ein Kältemittel oder ein Hydraulikmedium zu führen. In einem einfachen Ausführungsbeispiel wie beispielsweise in 1 gezeigt, wird ein Kühlmittel als Kühlmedium verwendet.
Die größten Wärmeverluste entstehen im Motor 106 und in der Pumpe 104. Diese Wärmeverluste müssten ohne den dargestellten Kühlkreislauf 118 erst durch die zwei Wandungen des Hauptkörpers 110 sowie durch das Betriebsmedium der Hydraulikzylindereinheit 100 an die Oberfläche gelangen. Durch die Kühleinrichtung 108, die eine zusätzliche Wärmeabfuhr schafft, kann ein großer Wärmewiderstand des Systems und somit ein Überhitzen vermieden werden. So kann ein Betrieb mit reduzierter Leistung vermieden werden.
Mithilfe eines Kühlmediums, das von der Förderpumpe 122 gefördert wird, kann die Wärme des Motors 106, der Pumpe 104 und sonstiger Komponenten innerhalb der Hydraulikzylindereinheit 100 nach außen transportiert werden.
Bei einer auch beispielsweise als hydraulische Lineareinheit, Hydraulikzylinder oder Motor-Pumpe-Hydraulikzylinder bezeichneten Hydraulikzylindereinheit 100 befinden sich die Pumpe 104 und/oder der Motor 106 der Aktoreinrichtung 102 innerhalb der Hydraulikzylindereinheit 100. Ein Kühlmedium befördert Abwärme der Pumpe 104 und/oder des Motors 106 und/oder von sonstigen Hotspots innerhalb des Systems (beispielsweise Ventile) weg zu einer Kühleinrichtung. Dabei weist die Kühleinrichtung 108 eine Einrichtung 122 zum Fördern des Kühlmediums auf.
Pfeile Q zeigen den von der Pumpe 104 und dem Motor 106 in die Kühleinrichtung 108 eingebrachten Energieeintrag und den von der Kühleinrichtung 108 an die Umgebung abgegebenem Energieeintrag. Der Energieeintrag wird in Form von Wärmeenergie eingebracht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Hydraulikzylindereinheit 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Hydraulikzylindereinheit 100 handeln. Die Darstellung in 2 entspricht der Darstellung in 1 mit dem Unterschied, dass die Kühleinrichtung 108 ausgebildet ist, das Kühlmedium auf eine Außenoberfläche 224 der Hydraulikzylindereinheit 100 zu leiten, um eine aufgenommene Wärmeenergie über Konvektion und/oder Wärmestrahlung abzugeben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Kältemittel auf die große Oberfläche 224 des Hydraulikzylinders 100 gefördert. Hier kann die im Inneren aufgenommen Wärmeenergie über natürliche Konvektion und Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben werden. Beispielhaft kann das Kältemittel, wie gezeigt, spiralförmig über die zylindrische Oberfläche 224 geführt werden. Der Effekt kann durch zusätzliche Kühlrippen noch weiter verstärkt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Hydraulikzylindereinheit 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Hydraulikzylindereinheit 100 handeln. Die Darstellung in 3 entspricht der Darstellung in 2 mit dem Unterschied, dass ein Lüfter 326 zum Erzeugen eines Luftstroms auf eine Oberfläche der Kühleinrichtung 108 an der Außenoberfläche 224 angeordnet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärmeenergie wie im Ausführungsbeispiel in 2 an die Oberfläche des Hydraulikzylinders 100 abgegeben. Hier wird die Konvektion durch einen erzwungenen Luftstrom, beispielsweise durch einen Lüfter 326 erhöht – beispielhaft radial oder axial wirkend.
Das Ausführungsbeispiel weist eine verbesserte Wärmeabgabefähigkeit bei gleicher Oberfläche auf. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad an Komponenten wie dem Motor 106 durch eine niedrigere Temperatur an den Hotspots.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 4 entspricht der Darstellung in 1 mit dem Unterschied, dass die Kühleinrichtung 108 mit einem Wärmetauscher 428 gekoppelt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärmeenergie über einen Wärmetauscher 428 an einen anderen Kühlkreislauf 430 abgegeben. Dieses Ausführungsbeispiel hat im Vergleich zu den in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen die größte Wärmeabgabefähigkeit und es kann eine sehr hohe Leistungsdichte erreicht werden. Hierbei kann die Abwärme des Systems weiter verwendet werden.
5 bis 8 zeigen jeweils eine vereinfachte Diagrammdarstellung eines Temperaturverlaufs 532, 634, 736, 838 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Ordinate eine Temperatur und auf der Abszisse eine Rohrlänge oder ein Ort der Kühlleitung 120 dargestellt. Gestrichelte Linien zeigen die (konstante) Innentemperatur T_Innen beziehungsweise T_I und die (konstante) Außentemperatur T_Außen beziehungsweise T_A. Dabei kommt bei dem zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel des in 5 und 7 gezeigten Kurvenverlaufs 532, 634 ein Kühlmittel und bei dem zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel des in 6 und 8 gezeigten Kurvenverlaufs 736, 838 ein Kältemittel zum Einsatz. 5 und 6 zeigen einen Temperaturverlauf 532, 634 des Kühlmediums an der Innenseite der Hydraulikzylindereinheit, 7 und 8 zeigen einen Temperaturverlauf 736, 838 des Kühlmediums an der Außenseite der Hydraulikzylindereinheit. Bei der Hydraulikzylindereinheit kann es sich um eine Variante eines der in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele einer Hydraulikzylindereinheit 100 handeln. Der in 5 dargestellte Kurvenverlauf 532 verläuft als Gerade von der niedrigen Außentemperatur T_A über den dargestellten Rohrabschnitt auf die Innentemperatur T_I. Eingetragen ist eine mittlere Temperaturdifferenz ΔT. Der Kurvenverlauf 634 in 6 zeigt eine konstante Siedetemperatur T_Sieden beziehungsweise T_S mit einer konstanten Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Innentemperatur T_I und der Siedetemperatur T_S. Der in 7 dargestellte Kurvenverlauf 736 verläuft als Gerade von der Innentemperatur T_I über den dargestellten Rohrabschnitt auf die niedrigen Außentemperatur T_A. Eingetragen ist eine mittlere Temperaturdifferenz ΔT. Der Kurvenverlauf 838 in 8 zeigt eine konstante Siedetemperatur T_Sieden beziehungsweise T_S mit einer konstanten Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Außentemperatur T_A und der Siedetemperatur T_S.
Durch eine gezielte Temperaturerhöhung des Kältemittels an der kühlenden Einrichtung wird eine höhere Wärmeabgabefähigkeit erzielt. Durch eine gezielte Temperaturreduktion des Kältemittels an den Hotspots wird ein besserer Wirkungsgrad beispielsweise am Motor erzielt (Kupferverluste bestimmen hauptsächlich den Wirkungsgrad des Motors und diese sinken linear mit zunehmender Temperatur).
Die Vorteile der vorgestellten erfinderischen Idee werden im Folgenden an einem konkreten Beispiel dargestellt. Dabei steht 5/7 stellvertretend für den Einsatz von Kühlmittel und 6/8 stellvertretend für den Einsatz von Kältemittel:
Mantelfläche Motor-Pumpen-Gruppe (d = 100mm, I = 212mm): A_Innen = 0,067 m²
Wärmeabgabefähigkeit durchströmtes Rohr: α_innen = 1500 W/(m² × K)
Temperatur beispielsweise Motor-Pumpen-Gruppe: T_Innen = 80°C
Temperatur Umgebung: T_Außen = 20°C
Siedetemperatur Kältemittel: 70°C
Mittlere Temperaturdifferenz ΔT über Länge des Rohres/Rohrabschnitts:
5: ΔT = (80°C – 20°C)/2 = 30°C
6: ΔT = 80°C – 70°C = 10°C
Daraus folgt in 5 ein Wärmestrom beispielsweise von Motor-Pumpen-Gruppe an Kühlmedium: P_Zu = A × α × ΔT = 3015 W
Daraus folgt in 6 ein Wärmestrom beispielsweise von Motor-Pumpen-Gruppe an Kühlmedium: P_Zu = A × α × ΔT = 1000 W
Oberfläche beispielsweise Radiator: A_Außen = 1 m²
Wärmeabgabefähigkeit Radiator: α_Außen = 20 W/(m2 × K)
Mittlere Temperaturdifferenz ΔT über Länge des Radiators:
5: ΔT = (80°C – 20°C)/2 = 30°C
6: ΔT = 70°C – 20°C = 50°C
Daraus folgt in 7 ein Wärmestrom beispielsweise von Kühlmedium an Umgebung: P_Ab = A × α × ΔT = 600 W
Daraus folgt in 8 ein Wärmestrom beispielsweise von Kühlmedium an Umgebung: P_Ab = A × α × ΔT = 1000 W
Beim Kühlmittel ist der Wärmestrom vom Radiator zur Umgebung durch die abnehmende Temperaturdifferenz ΔT immer kleiner als beim Kältemittel. Hier wirkt sich die im Radiator abgegebene Wärmeenergie als Temperaturreduktion aus. Beim Kältemittel wirkt sich die im Radiator abgegebene Wärmeenergie als Aggregatszustandsänderung von gasförmig beziehungsweise dampfförmig zu flüssig aus. Hierbei bleibt die Temperatur während der gesamten Aggregatszustandsänderung konstant.
Da der Wärmeübergangskoeffizient α an der Innenseite aufgrund der Rohrströmung wesentlich höher ist als an der Außenseite (Radiator mit natürlicher oder erzwungener Konvektion), ist der maximal abzugebende Wärmestrom von Innenseite zur Außenseite wesentlich vom Wärmeübergang an der Außenseite abhängig. Bei konstantem A und α kann der Wärmeübergang an der Außenseite nur durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz ΔT verbessert werden.
7 zeigt, je höher die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels ist, desto größer wird die Temperaturdifferenz ΔT an der Außenseite und desto geringer wird die Temperaturdifferenz ΔT an der Innenseite. Einpendeln wird sich das System bei einer Kühlmitteltemperatur von 70°C. Hier ist P_Zu = P_Ab! Da die Fließgeschwindigkeit die turbulenten Rohrreibungsverluste quadratisch ansteigen lässt, erhöht sich die ins System eingebrachte Wärme.
8 zeigt, dass die Siedetemperatur T_Sieden des Kältemittels vom Druck abhängig ist. Bei einem Systemdruck von konstant 4 bar hat beispielsweise das Kältemittel Solkane R123 eine Siedetemperatur von 70°C. Da die Temperatur an der Innenseite 80°C ist, ändert sich der Aggregatszustand des Kältemittels von flüssig zu gasig und nimmt bei konstanter Temperatur von 70°C Wärmeenergie auf. An der Außenseite läuft der Prozess umgekehrt ab.
Mit Kältemittel als Kühlmedium kann die Wärmeabgabefähigkeit auch bei geringer Fließgeschwindigkeit optimiert werden. Dadurch bleiben die Rohrreibungsverluste und damit die zusätzlich eingebrachte Wärmeenergie gering.
Vorteilhaft schafft der Einsatz eines Kältemittels eine Verbesserung des Wärmehaushalts von kompakten Hydraulikanlagen / Hydrauliksystemen und somit eine Erhöhung der Leistungsdichte des Systems. Dabei werden vorteilhaft Wärmeverluste des Systems gesammelt und können bei Bedarf weiter verwendet werden. Eine konstante Temperatur (Siedetemperatur des Kältemittels) über die komplette Oberfläche erhöht dabei die Wärmeabgabefähigkeit.
Gezeigt wird eine Verwendung des thermodynamischen Prinzips der Kältemaschine jedoch ohne Druckveränderung des Kältemittels. Da bei kompakten hydraulischen Achsen die Wärme von einem höheren Temperaturniveau (beispielsweise 80°C Pumpe) auf ein niedrigeres Temperaturniveau (beispielsweise 20°C Umgebung) übertragen wird, kann eine Veränderung des Siedepunkts des Kältemittels wie bei einer Kältemaschine durch Druckänderung vermieden werden.
So wird das thermodynamische Prinzip der Kältemaschine verwendet, um die Oberflächentemperatur über der kompletten Oberfläche gleich zu halten und dadurch die Wärmeabgabefähigkeit bei gleicher Oberfläche zu verbessern.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 9 entspricht der Darstellung in 1 mit dem Unterschied, dass die Kühleinrichtung 108 eine Einrichtung 940 zur Veränderung eines Systemdrucks der Kühleinrichtung 108 aufweist. Insbesondere ist die Einrichtung 940 zur Veränderung eines Systemdrucks ausgebildet, den Systemdruck des Kühlmediums in der Kühlleitung anzupassen.
Durch eine Einrichtung 940 zur Veränderung des Systemdrucks kann der Siedepunkt und somit das ΔT_Innen und ΔT_Außen an die Betriebs- und Umgebungsbedingungen angepasst werden. Die Betriebspunkte werden somit nach oben oder unten verschoben.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 10 entspricht der Darstellung in 1 mit dem Unterschied, dass eine Drossel 1042 und ein Verdichter 1044 im Kühlkreislauf 118 angeordnet sind. Durch die Drossel 1042 und den Verdichter 1044 ist die Kühleinrichtung 108 ausgebildet, einen Druck des Kühlmediums im Kühlkreislauf zu variieren, insbesondere abschnittsweise zu variieren. So wird der Kühlkreislauf durch die Drossel 1042 und den Verdichter 1044 in zumindest zwei Abschnitte beziehungsweise Rohrabschnitte aufgeteilt.
Mithilfe eines Kältemittels, das vom Verdichter 1044 gefördert und komprimiert wird, kann die Wärme des Motors 106, der Pumpe 104 und sonstigen Komponenten innerhalb des Hydraulikzylinders 100 nach außen transportiert werden. Aufgrund der Druckerhöhung steigt die Siedetemperatur an und es ist möglich, Wärme über eine höhere Temperaturdifferenz ΔT an die Umgebung abzugeben. Der Druck des erkalteten Kältemittels wird über eine Drossel 1042 gemindert und dadurch mit niedrigerer (angepasster) Siedetemperatur T_Sieden an die Hotspots geleitet. Dort findet eine erhöhte Temperaturaufnahme statt.
Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Kältemittel eingesetzt, das Abwärme der Pumpe 104 und/oder des Motors 106 und/oder von sonstigen Hotspots des Systems (beispielsweise Ventile) weg zu einer Kühleinrichtung transportiert. Ein Kompressor 1044 zur Druckveränderung des Kältemittels und eine Drossel 1042 zur Druckveränderung des Kältemittels sind im Kühlkreislauf 118 integriert.
In einem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Kühlmedium ein Kältemittel eingesetzt, dessen Siedepunkt zwischen Komponententemperatur oder Tanktemperatur und Umgebungstemperatur liegt und das Abwärme vom Tank und/oder der Pumpe 104 und/oder dem Motor 106 und/oder von sonstigen Hotspots des Systems (beispielsweise Ventile) weg zu einer Kühleinrichtung transportiert. Dabei wird eine Fördereinrichtung 122 des Kältemittels eingesetzt.
11 zeigt eine vereinfachte Diagrammdarstellung eines Temperaturverlaufs 1146 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Ordinate eine Temperatur und auf der Abszisse eine Rohrlänge oder ein Ort der Kühlleitung 120 dargestellt. Gestrichelte Linien zeigen die (konstante) Innentemperatur T_Innen beziehungsweise T_I und die (konstante) Außentemperatur T_Außen beziehungsweise T_A. Dabei kommt bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kältemittel zum Einsatz. 11 zeigt einen Temperaturverlauf 1146 des Kältemittels an der Innenseite der Hydraulikzylindereinheit. Bei der Hydraulikzylindereinheit kann es sich um eines in 10 gezeigten Ausführungsbeispiels einer Hydraulikzylindereinheit 100 handeln. Der Kurvenverlauf 1146 in 11 zeigt eine konstante Siedetemperatur T_Sieden beziehungsweise T_S mit einer konstanten Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Innentemperatur T_I und der Siedetemperatur T_S.
Die Vorteile der vorgestellten erfinderischen Idee werden im Folgenden an einem konkreten Beispiel dargestellt. Nicht explizit aufgeführte Größen werden von dem zuvor dargestellten Beispiel übernommen.
Mantelfläche Motor-Pumpen-Gruppe (d = 100mm, I = 212mm): A_Innen = 0,067 m²
Wärmeabgabefähigkeit durchströmtes Rohr: α_innen = 1500 W/(m² × K)
Temperatur beispielsweise Motor-Pumpen-Gruppe: T_Innen = 80°C
Temperatur Umgebung: T_Außen = 20°C
Siedetemperatur Kältemittel: 63,7°C
Mittlere Temperaturdifferenz ΔT über Länge des Rohres/Rohrabschnitts:
11: ΔT = 80°C – 63,7°C = 16,3°C
Daraus folgt in 11 ein Wärmestrom beispielsweise von Motor-Pumpen-Gruppe an Kühlmedium: P_Zu = A × α × ΔT = 1630 W
P_Verdichter = 340 W
Oberfläche beispielsweise Radiator: A_Außen = 1 m²
Wärmeabgabefähigkeit Radiator: α_Außen = 20 W/(m2 × K)
Siedetemperatur: T_Sieden = 120°C
Mittlere Temperaturdifferenz ΔT über Länge des Radiators:
11: ΔT = 120°C – 20°C = 100°C
Daraus folgt in 11 ein Wärmestrom beispielsweise von Kühlmedium an Umgebung: P_Ab = A × α × ΔT = 2000 W
Beim Kältemittel wirkt sich die im Radiator abgegebene Wärmeenergie als Aggregatszustandsänderung von gasförmig beziehungsweise dampfförmig zu flüssig aus. Hierbei bleibt die Temperatur während der gesamten Aggregatszustandsänderung konstant.
Da der Wärmeübergangskoeffizient α an der Innenseite aufgrund der Rohrströmung wesentlich höher ist als an der Außenseite (Radiator mit natürlicher oder erzwungener Konvektion), ist der maximal abzugebende Wärmestrom von Innenseite zur Außenseite wesentlich vom Wärmeübergang an der Außenseite abhängig. Bei konstantem A und α kann der Wärmeübergang an der Außenseite nur durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz ΔT verbessert werden.
Die Siedetemperatur T_Sieden des Kältemittels ist vom Druck abhängig. Durch Erhöhung des Drucks steigt die Siedetemperatur an. Aufgrund dessen ist es möglich, mit zusätzlich eingebrachter Verdichterarbeit erhitztes Kältemittel an der Kühleinrichtung mit höherer konstanter Temperaturdifferenz abzugeben. Hierdurch wird eine Steigerung der Wärmeabgabeleistung ermöglicht. Der Druck wird über die Drossel gemindert und dadurch der Siedepunkt auf eine niedrigere Temperatur gebracht. Dies ermöglicht eine angepasste Temperaturdifferenz ΔT am Verdampfer, was zu einem erhöhten Wärmeaufnahmevermögen führt.
So ist es durch eine Siedetemperaturänderung möglich, die Wärmeabgabefähigkeit sowohl innen als auch außen zu optimieren.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 12 entspricht der Darstellung in 10 mit dem Unterschied, dass die Drossel 1042 und die der Verdichter 1044 steuerbar sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann man den Druck am Verdampfer (Innenseite) und/oder den Druck am Kondensator (Außenseite) variieren und somit die Temperaturen im Kältemittelkreislauf 118 einstellen. Somit kann die Wärmeabgabefähigkeit an die Betriebs- und Umweltbedingungen angepasst werden.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 13 entspricht eine Kombination des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels mit dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Kühleinrichtung 108 ist ausgebildet, das Kühlmedium auf eine Außenoberfläche 224 der Hydraulikzylindereinheit 100 zu leiten, um eine aufgenommene Wärmeenergie über Konvektion und/oder Wärmestrahlung abzugeben. An der Hydraulikzylindereinheit 100 ist ein Lüfter 326 zum Erzeugen eines Luftstroms auf eine Oberfläche der Kühleinrichtung 108 an der Außenoberfläche 224 angeordnet. Zwischen der Außenoberfläche 224 und der Kühleinrichtung 108 an der Außenoberfläche 224 ist eine Isolation 1346 angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Kältemittel auf die große Oberfläche des Hydraulikzylinders 100 gefördert. Hier kann die im Inneren aufgenommen Wärmeenergie über natürliche oder erzwungene Konvektion und Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben werden. Beispielhaft kann das Kältemittel, wie gezeigt, spiralförmig über die zylindrische Oberfläche geführt werden.
14 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 14 entspricht der Darstellung in 10 mit dem Unterschied, dass im Kühlkreislauf 118 ein separater Kondensator 1448 mit Lüfter 326 angeordnet ist.
15 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 15 entspricht der Darstellung in 10 mit dem Unterschied, dass im Kühlkreislauf 118 ein Wärmetauscher 428 angeordnet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wärmeenergie über einen Wärmetauscher 428 an einen anderen Kühlkreislauf 430 abgegeben. Dieses Ausführungsbeispiel hat im Vergleich der in 12 bis 15 gezeigten Ausführungsbeispiele die größte Wärmeabgabefähigkeit und es kann eine sehr hohe Leistungsdichte erreicht werden. Hierbei kann die Abwärme des Systems weiter verwendet werden.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 16 entspricht der Darstellung in 1 mit dem Unterschied, dass im Kühlkreislauf 118 eine Drossel 1042 sowie zwei Rückschlagventile 1650, 1652 angeordnet sind und der Kühlkreislauf 118 über die Kammer K1 geleitet wird. Hier wird die Kammer K1 als Verdichter verwendet.
Ein Aspekt des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Einsatz eines Kühlmediums, das Abwärme der Pumpe 104 und/oder des Motors 106 und/oder von sonstigen Hotspots des Systems (beispielsweise Ventile) weg zu einer Kühleinrichtung transportiert. Die Förderung des Kühlmediums erfolgt durch Hubbewegung der Lineareinheit, das heißt der Kolbenstange 112. Die Kammer K1 ist ein Teil der Fördereinrichtung 122.
Bewegt sich die Kolbenstange 112 in der Darstellung nach rechts, wird das Kühlmedium angesaugt. Bewegt sich die Kolbenstange 112 in der Darstellung nach links, wird das Kühlmedium verdichtet und Richtung Kühleinrichtung gefördert. Voraussetzung hierfür ist ein kompressibles Kühlmedium. Die folgenden zwei Ausführungsbeispiele beschreiben weitere Ausführungsmöglichkeiten.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt einen Kühlkreislauf 118 an Hydraulikzylinder 100 mit integrierter Pumpe 104 und/oder Motor 106. Dabei erfolgt eine passive Förderung des Kühlmediums durch eine Zylinderbewegung.
Vorteilhaft wird das Temperaturverhältnis innerhalb des Systems homogenisiert. Dabei ist keine zusätzliche Fördereinrichtung notwendig.
Im Gleichgangzylinder in Differenzialbauart sind die Kammern K2 und K3 flächengleich zu K4, weshalb Kammer K1 nicht verwendet wird. Diese Kammer K1 wird nun zum Fördern des Kühlmediums verwendet. Die beiden Rückschlagventile 1650, 1652 legen die Strömungsrichtung fest.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 17 entspricht der Darstellung in 16 mit dem Unterschied, dass die Kühleinrichtung einen mit dem Kühlkreislauf gekoppelten Volumenausgleichspeicher 1754 zum Ausgleichen eines Volumens des Kühlmittels im Kühlkreislauf 118 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich ein Speicher 1754 zum Volumenausgleich in der Leitung 120 des Kühlmediums. Somit kann hier auch ein nicht kompressibles Kühlmedium, wie die Druckflüssigkeit (beispielsweise Hydrauliköl, Lecköl), verwendet werden.
18 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein einfacher Differenzialzylinder 1856 zum Realisieren der Hubbewegung verwendet. Die Motor-Pumpen-Gruppe 102 befindet sich entweder außerhalb oder innerhalb des Zylinders 1856. Da hier die beiden Kammern K5 und K6 für die Hubbewegung verwendet werden, wird parallel ein separater Förderzylinder 1858 montiert, dessen Kolbenstange 1860 mit der Kolbenstange 112 des Hydraulikzylinders 100 gekoppelt ist. Somit wird bei einer Bewegung der Kolbenstange 112 auch das Volumen des Förderzylinders 1858 verändert und das Kühlmedium fließt durch die Rückschlagventile 1650, 1652 in oder aus der Förderkammer K7, die auch als Zylinderkammer K7 bezeichnet wird.
Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen einen Teil einer Hydraulikanlage, die beispielsweise einen Tank, ein Aggregat und eine hydraulische Lineareinheit umfasst. Dabei wird das Lecköl einer Pumpe zum Kühlen von Komponenten, beispielsweise einem Elektromotor, verwendet. Vorteilhaft wird ein homogeneres Temperaturverhältnis innerhalb des Systems erzielt. Vorteilhaft ist, dass keine zusätzliche Fördereinrichtung notwendig ist. Dabei ist keine separate Fördereinrichtung für das Kühlmedium notwendig, da das Lecköl unter Druck steht.
19 zeigt eine schematische Darstellung einer Aktoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Aktoreinrichtung 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in den vorangegangenen Figuren gezeigten Aktoreinrichtung 102 handeln. Die Aktoreinrichtung umfasst eine Pumpe 104 und einen mit der Pumpe 104 gekoppelten Motor 106. Die Pumpe 104 ist über eine Saugleitung 1962 mit einem Tank 1964 verbunden. Von der Pumpe 104 führt eine Druckleitung 1966 weg zum Betreiben einer Hydraulikeinrichtung, wie beispielsweise eine in den vorangegangenen Figuren beschriebene Hydraulikzylindereinheit 100. Die Pumpe weist einen Leckölanschluss 1967 auf, von dem eine Leckölleitung 1968 wegführt, die zirkulär um den Motor 106 geführt ist. Die Leckölleitung 1968 ist ausgebildet, mittels des in der Leckölleitung 1968 geführten Hydraulikmediums, welches als Kühlmedium genutzt wird, Wärme von dem Motor aufzunehmen und das erwärmte Hydraulikmedium zurück in den Tank 1964 zu leiten.
Ein hydraulisches Aggregat 100, bestehend aus einem Tank, einer Pumpe 104 und einem Motor 106, wandelt elektrische Leistung in hydraulische Leistung. Das im Tank 1964 befindliche Öl wird über die Saugleitung 1962 zur Pumpe 104 gesaugt und bei einem höheren Druck an der Druckleitung 1966 abgegeben. Die meisten Pumpen 104 haben aufgrund von Spalten innerhalb des Triebwerkes oder der Zahnräder einen Leckölanschluss 1967. Das Lecköl hat dort noch einen Restdruck von 1–4 bar und wird zur Kühlung des Motors 106 verwendet. Somit gelangt die Wärmeleistung des Motors 106 über das Lecköl in den Tank 1964 und kann über dessen Oberfläche abgegeben werden.
20 zeigt eine schematische Darstellung einer Aktoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 20 entspricht der Darstellung in 19, mit dem Unterschied, dass in der Leckölleitung 1968 zwischen dem Motor 106 und dem Tank 1964 ein Radiator 1448 mit einem Lüfter 326 angeordnet ist.
Das in 20 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem in 19 gezeigten Ausführungsbeispiel mit zusätzlicher Kühleinrichtung (Radiator 1448 mit Lüfter 326) des Lecköls. Die Wärmeleistung der Pumpe 104 und des Motors 106 wird hier an die Umgebungsluft abgegeben und gelangt nicht in den Tank 1964.
21 zeigt eine schematische Darstellung einer Aktoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 21 entspricht der Darstellung in 19, mit dem Unterschied, dass in der Leckölleitung 1968 zwischen dem Motor 106 und dem Tank 1964 ein Wärmetauscher 428 angeordnet ist.
Das in 21 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem in 20 gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch mit Wärmetauscher 428 als Kühleinrichtung. Die Wärmeleistung der Pumpe 104 und des Motors 106 wird hier über einen Wärmetauscher 428 an einen zweiten Kühlkreislauf abgegeben. Somit kann die Wärmeleistung weiter verwendet werden.
22 zeigt eine schematische Darstellung einer Aktoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 22 entspricht der Darstellung in 19, mit dem Unterschied, dass die Leckölleitung 1968 von der Druckleitung 1966 abgezweigt wird und zwischen der Druckleitung 1966 und dem zirkulär um den Motor 106 geführten Abschnitt der Leckölleitung 1968 eine Drossel 1042 angeordnet ist.
Das in 22 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem in 19 gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch mit Drossel 1042 in der Druckleitung. Da nicht jede Pumpe einen Leckölanschluss besitzt, kann der Volumenstrom über eine Drossel 1042 in der Druckleitung erzeugt werden.
23 zeigt eine schematische Darstellung einer Hydraulikzylindereinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 23 entspricht der Darstellung in 1, mit dem Unterschied, dass der Kühlkreislauf 118 durch die Pumpe 104 geführt ist. Somit ist der in den 17 bis 22 gezeigte Aspekt der vorgestellten Erfindung in der Hydraulikzylindereinheit 100 realisiert.
Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Gleichgangzylinder in Differenzialbauart. Die Pumpe und der Motor befinden sich in dessen Innenraum und fördern das Betriebsmedium (Hydrauliköl) in die jeweiligen Kammern K1, K2, K3 oder K4. Hierdurch wird Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt und diese bewegt sich in der angezeigten Richtung.
Die größten Wärmeverluste entstehen im Motor und in der Pumpe. Diese Wärmeverluste müssten ohne den rot dargestellten Kühlkreislauf erst durch die zwei Wandungen sowie durch das Betriebsmedium des Hydraulikzylinders an die Oberfläche gelangen. Durch den großen Wärmewiderstand kann das System ohne zusätzliche Wärmeabfuhr überhitzen und muss deshalb mit reduzierter Leistung betrieben werden. Da das Lecköl der Pumpe noch einen Restdruck von 1–4 bar hat, wird dieses zur Kühlung des Motors verwendet. Somit gelangt die Wärmeleistung der Pumpe und des Motors über das Lecköl zur Kühleinrichtung.
24 zeigt eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems 2470 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Hydrauliksystem 2470 weist drei Hydraulikzylindereinheiten 100 auf. Bei den Hydraulikzylindereinheiten 100 kann es sich jeweils um Varianten der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Hydraulikzylindereinheiten 100 handeln. Die Kühlleitung 120 der Kühleinrichtung 108 weist einen Radiator 1448 und einen Lüfter 326 auf. Dabei ist die Kühlleitung 120 derart ausgeformt, dass die Hydraulikzylindereinheiten 100 parallel durchflossen werden. So weisen die drei Hydraulikzylindereinheiten 100 eine gemeinsame Kühleinrichtung 108 auf.
In dem in 24 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Hydrauliksystem 2470 mehrere hydraulische Lineareinheiten 100 beispielsweise Hydraulikzylinder 100. Der Kühlkreislauf 118 nimmt Wärme von mehreren Lineareinheiten 100 auf. Optional kann beispielsweise eine Adsorptionskältemaschine nachgeschaltet werden. In diesem Fall wird der Radiator 1448 durch einen Wärmetauscher ersetzt.
Die vorgeschlagene Idee schafft eine Verbesserung des Wärmehaushalts von kompakten Hydrauliksystemen 2470. Dies führt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte des Systems. Wärmeverluste des Systems 2470 werden gesammelt und können bei Bedarf weiter verwendet werden.
Die größte Abwärme einer Kompaktachse 100 entsteht an der Pumpe 104 und am Elektromotor 106. Diese wird über den Kühlkreislauf 118 von den Kompaktachsen 100 zur kühlenden Einrichtung, beispielsweise Radiator 1448 mit Lüfter 326, transportiert.
25 zeigt eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems 2470 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung entspricht der Darstellung
in 24, mit dem Unterschied, dass die Hydraulikzylindereinheiten 100 seriell im Kühlkreislauf 118 angeordnet sind.
So entspricht das Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel in 24, jedoch nicht im parallelen Betrieb, sondern im seriellen Betrieb.
26 zeigt eine schematische Darstellung eines Hydrauliksystems 2470 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung entspricht der Darstellung in 24, mit dem Unterschied, dass anstelle eines Radiators und eines Lüfters der Kühlkreislauf 118 einen Wärmetauscher 428 aufweist. Allgemein formuliert handelt es sich bei dem Wärmetauscher 428 um eine Einrichtung zur Nutzung der Abwärme, beispielsweise zum Erwärmen von Wasser.
27 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Adsorptionskältemaschine 2772 und eines Hydrauliksystems 2470 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Hydrauliksystem 2470 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 24 bis 26 gezeigten Hydrauliksystems 2470 handeln. Die Adsorptionskältemaschine 2772 ist mit einem Kälteverbraucher 2774 wie beispielsweise einem Schaltschrank und einem Rückkühler 2776 gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel ist das Hydrauliksystem 2470 ausgebildet, eine Dampfturbine 2778 anzusteuern.
Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Dampfturbinenregelung sind mehrere Achsen 100 räumlich nah angeordnet. Diese werden mittels eines zentralen Kühlkreislaufes 118 miteinander verbunden. Optional kann hier die gesammelte Wärmeenergie weiterverwendet werden, beispielsweise in einer Sorptionskältemaschine 2772 zur Kühlung von beispielsweise Schaltschränken 2774.
Beispielhaft wird hier die mögliche Nutzung der Abwärme der Kompaktachsen 100 bei der Regelung von Gas- und Dampfturbinen beschrieben. Bei dieser Anwendung befinden sich mehrere Kompaktachsen 100 im Verbund bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 80°C. Die Kompaktachsen 100 können bis zu einer Temperatur von 100°C betrieben werden.
Die Wärmeenergie der einzelnen Kompaktachsen 100 wird zuerst mittels Kühlkreislauf 118 gesammelt und zur Adsorptionskältemaschine 2772 transportiert. Die beschriebenen 20kW Wärmeleistung lassen sich nun in 12kW Kühlleistung wandeln, wobei eine Wärmeabfuhr von 32kW im Rückkühler 2776 nötig ist. Mit diesen 12kW Kühlleistung lassen sich zum Beispiel Schaltschränke 2774 o.ä. ohne zusätzliche Kältemaschine unter Umgebungstemperatur kühlen. Die normalerweise an die Umgebung abgegebenen verlorenen 20kVV Wärmeleistung lassen sich so in 12kW brauchbare Kälteleistung wandeln.
Für das dargestellte Beispiel werden folgende Werte beispielhaft genutzt:

Leistung Achse: 15kW

Wirkungsgrad Achse: 0,7

Auslastungsgrad Achse: 50%

Abwärme Achse: 2,25 kW

Anzahl Achsen: 9

Abwärme gesamt: –20 kW
28 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2890 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren 2890 zum Betreiben einer Hydraulikzylindereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Schritt 2892 des Ansteuerns der Aktoreinrichtung sowie einen Schritt 2894 des Kühlens der Aktoreinrichtung unter Verwendung der mit der Aktoreinrichtung gekoppelten Kühleinrichtung.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele nutzen einen Trend zu dezentralen Antrieben, einen Trend zu kompakteren Antrieben, einen Trend zur Nutzung der Abwärme sowie einen Trend zu höherer Leistungsdichte von Systemen.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Hydraulikzylindereinheit
102: Aktoreinrichtung
104: Pumpe
106: Motor
108: Kühleinrichtung
110: Hauptkörper
112: Fördereinrichtung
114: Anflanschung
116: Richtung, Bewegungsrichtung
118: Kühlkreislauf
120: Kühlleitung
122: Fördereinrichtung
K1: Kammer, Zylinderkammer, Förderkammer
K2: Kammer, Zylinderkammer
K3: Kammer, Zylinderkammer
K4: Kammer, Zylinderkammer
224: Außenoberfläche, Oberfläche
326: Lüfter
428: Wärmetauscher
430: Kühlkreislauf
532: Temperaturverlauf
634: Temperaturverlauf
736: Temperaturverlauf
838: Temperaturverlauf
T_Innen: Innentemperatur
T_Außen: Außentemperatur
ΔT: Temperaturdifferenz
940: Einrichtung zur Veränderung eines Systemdrucks der Kühleinrichtung
1042: Drossel
1044: Verdichter
1146: Temperaturverlauf
1448: Radiator, Kondensator
1650: Rückschlagventil
1652: Rückschlagventil
1754: Volumenausgleichspeicher
1856: Zylinder
1858: Förderzylinder
1860: Kolbenstange
K5: Kammer, Zylinderkammer
K6: Kammer, Zylinderkammer
K7: Kammer, Zylinderkammer, Förderkammer
1962: Saugleitung
1964: Tank
1966: Druckleitung
1967: Leckölanschluss
1968: Leckölleitung
2470: Hydrauliksystem
2772: Adsorptionskältemaschine
2774: Kälteverbraucher
2776: Rückkühler
2778: Dampfturbine
2890: Verfahren
2892: Schritt des Ansteuerns
2894: Schritt des Kühlens

Claims

Hydraulikzylindereinheit (100) mit einer Aktoreinrichtung (102) zum Betreiben der Hydraulikzylindereinheit (100), wobei die Aktoreinrichtung (102) eine Pumpe (104) und/oder einen Motor (106) umfasst, gekennzeichnet durch eine thermisch mit der Aktoreinrichtung (102) gekoppelte Kühleinrichtung (108) zum Kühlen der Aktoreinrichtung (102).
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß Anspruch 1, bei der die Kühleinrichtung (108) einen Kühlkreislauf (118) mit einer Kühlleitung (120) für ein Kühlmedium und eine Fördereinrichtung (122) zum Fördern des Kühlmediums in der Kühlleitung (120) umfasst.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß Anspruch 2, bei der die Kühleinrichtung (108) ausgebildet ist, das Kühlmedium auf eine Außenoberfläche (224) der Hydraulikzylindereinheit (100) zu leiten, um eine aufgenommene Wärmeenergie mittels Konvektion und/oder Wärmestrahlung abzugeben.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, bei der das Kühlmedium ein Kühlmittel und/oder ein Kältemittel ist.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Lüfter (326) zum Erzeugen eines Luftstroms auf einer Oberfläche der Kühleinrichtung (108).
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kühleinrichtung (108) eine Einrichtung (940) zur Veränderung eines Systemdrucks der Kühleinrichtung (108) aufweist, insbesondere eine Einrichtung (940) zur Veränderung des Systemdrucks eines Kältemittels als Kühlmedium in der Kühlleitung (120) aufweist.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß Anspruch 6, bei der die Kühleinrichtung (108) eine Drossel (1042) und/oder einen Verdichter (1044) aufweist.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kühleinrichtung (108) mit einem Wärmetauscher (428) gekoppelt ist und/oder die Kühleinrichtung (108) einen Radiator (1445) aufweist, wobei insbesondere ein Lüfter (326) mit dem Radiator zusammenwirkt.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hydraulikzylindereinheit (100) die Aktoreinrichtung (102) zumindest teilweise umhüllt, insbesondere wobei die Aktoreinrichtung (102) im Inneren der Hydraulikzylindereinheit (100) angeordnet ist.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Kühleinrichtung (108) zumindest ein Rückschlagventil (1650, 1652) im Kühlkreislauf (118) aufweist, wobei der Kühlkreislauf (118) durch eine Zylinderkammer (K1; K7) der Hydraulikzylindereinheit (100) führt, insbesondere wobei die Fördereinrichtung (122) das zumindest eine Rückschlagventil (1651, 1652) und die Zylinderkammer (K1; K7) umfasst, um das Kühlmedium zu fördern.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Kühleinrichtung (108) einen mit dem Kühlkreislauf (118) gekoppelten Volumenausgleichspeicher (1754) zum Ausgleichen eines Volumens des Kühlmittels im Kühlkreislauf (118) aufweist.
Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Kühlmedium ein Hydraulikmedium ist, insbesondere wobei ein Leckölanschluss (1967) der Pumpe (104) mit dem Kühlkreislauf (118) gekoppelt ist, um das Hydraulikmedium bereitzustellen.
Hydrauliksystem (2470) mit einer ersten Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche und zumindest einer zweiten Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die eine gemeinsame Kühleinrichtung (108) aufweisen.
Hydrauliksystem (2470) gemäß Anspruch 12, bei dem die erste Hydraulikzylindereinheit (100) und zumindest die zweite Hydraulikzylindereinheit (100) parallel und/oder seriell in dem Kühlkreislauf (118) der Kühleinrichtung (108) angeordnet sind.
Verwenden einer Abwärme einer Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder einer Abwärme eines Hydrauliksystems (2470) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13 für einen weiteren Kühlprozess und/oder Wärmeprozess, insbesondere mittels einer Kältemaschine (2772).
Verfahren (2890) zum Betreiben einer Hydraulikzylindereinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Verfahren (2890) die folgenden Schritte aufweist: Ansteuern (2892) der Aktoreinrichtung (102); und Kühlen (2894) der Aktoreinrichtung (102) unter Verwendung der mit der Aktoreinrichtung (102) gekoppelten Kühleinrichtung (108).