DE202011102288U1 - Gasaustauschsperre für druckmittelbetriebene Verbraucher - Google Patents

Abstract

Gasaustauschsperre für druckmittelbetriebene Verbraucher mit einem konstruktiv ausgebildeten Restzylinderraum in einem Verschlussteil, der über einen Kanal mit einer Luftaustauschbohrung verbunden ist, mindestens aufweisend einen Dichtkörper, eine Druckfeder und ein hochporöses Filterelement, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustauschsperre (5) als ein Modul in Form einer kompletten Baueinheit mit einem Ventilgehäuse (6) ausgebildet ist, wobei im Ventilgehäuse (6) der Dichtkörper (7), die Druckfeder (8) und das hochporöses Filterelement (9) angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung bezeichnet eine Gasaustauschsperre zum Abführen von Ausgasungen eines fluidischen Druckmittels aus einem Arbeitsraum eines druckmittelbetriebenen Verbrauchers.
• Druckmittelbetriebene Verbraucher, wie bekannte Arbeitszylinder, werden mit einer Druckflüssigkeit unter hohem Druck beaufschlagt, um den Arbeitskolben von einer Stellung in die andere zu bewegen.
• Die Druckflüssigkeit befindet sich in einem Hydrauliksystem mit Arbeitszylinder, Druckpumpe und Flüssigkeitsbehälter in bekannter Weise im Umlauf.
• Das Volumen des Flüssigkeitsbehälters wird in Abhängigkeit von der im Hydrauliksystem umlaufenden Flüssigkeitsmenge, der Einsatztemperatur und der kinematischen Viskosität des Druckmittels im Betriebszustand so gewählt, dass ein ausreichendes Gas-/Luftabscheidevermögen erzielt wird.
• In dem geeignet großen Flüssigkeitsbehälter kann die Druckflüssigkeit entgasen, so dass im Arbeitsprozess des Druckstromverbrauchers keine Störungen auftreten.
• In der Druckflüssigkeit vorhandene, absorbierte, gelöste oder entstandene Gase treten dabei aus dieser bei normalem Luftdruck aus.
• Bei einfach wirkenden Arbeitszylindern als Druckstromverbraucher sind zum Abführen von Gasen auch sogenannte Luftaustauschbohrungen bekannt, die mit einem Restzylinderraum in Verbindung stehen, der nicht zum Hubraum des Arbeitszylinders gehört.
• Der Restzylinderraum in den jeweiligen Endlagen kann hierbei konstruktiv bedingt nicht vom Arbeitskolben des Druckstromverbrauchers durchfahren werden.
• Ausgasungen aus dem sich in diesem Raum befindlichen Druckmittel, die insbesondere bei Druckabsenkungen entstehen, werden über die Luftaustauschbohrung abgeführt.
• In der Luftaustauschbohrung ist eine Gasaustauschsperre angeordnet.
• Aus der Druckschrift EP 0 556 588 81 geht eine derartige Gasaustauschsperre hervor, die in einer Luftaustauschbohrung im Restzylinderraum an einem Zylinderende angeordnet ist.
• In dem speziell ausgelegten Restzylinderraum mit einem Volumen von 5 bis 15% des Kolbenzylinderraums ist ein, mit einem Federelement vorgespanntes Sitzventil als Gasaustauschsperre vorgesehen.
• Die Federvorspannung des Sitzventils ist so groß, dass im Restzylinderraum ein Innendruck von maximal 1 Megapascal erhalten bleibt.
• Ist der Innendruck größer als die Vorspannung des Sitzventils, so wird das Gas abgeführt, ansonsten ist das Sitzventil geschlossen.
• Zusätzlich weist die Gasaustauschsperre einen Filterkörper auf, der vom abzuführenden Gas aus dem Restzylinderraum durchströmt wird und der zugleich auch einen Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Partikeln aus der Umgebung bildet.
• Die Bemessungskriterien für die Elemente der Gasaustauschsperre sind für jede Ausführungsform eines Druckstromverbrauchers und dessen jeweils vorgesehenem Einsatzgebiet so auszulegen, dass einerseits der im Restzylinderraum verbleibende Innendruck ausreichend groß ist, um das Gas über den Filterkörper auszupressen, andererseits ist dieser so gering zu halten, dass keine unbeabsichtigte Bewegung des Arbeitskolbens des Druckstromverbrauchers erfolgen kann.
• Zusätzlich müssen die Elemente der Gasaustauschsperre für das jeweilige Einsatzgebiet korrosionsbeständig sein.
• Aus diesen Kriterien ergibt sich eine Vielzahl von erforderlichen Dimensionierungen der einzelnen Elemente der Gasaustauschsperre, die bei der Endmontage des Druckstromverbrauchers in die Luftaustauschbohrung irreversibel eingesetzt werden.
• Eine nachträgliche Änderung der Auslegung der Gasaustauschsperre ist nur schwer sowie unter hohem Aufwand möglich.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gasaustauschsperre für druckmittelbetriebene Verbraucher so weiterzubilden, dass eine Anpassung an die jeweilige Ausführungsform des Druckstromverbrauchers und dessen jeweils vorgesehenem Einsatzgebiet mit geringem Aufwand ermöglicht wird.
• Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Eine erfindungsgemäße Gasaustauschsperre ist als ein Modul in Form einer kompletten Baueinheit, mindestens aufweisend ein Gehäuse, einen Dichtkörper, einen Sitz für den Dichtkörper, ein Federelement zur Vorspannung des Dichtkörpers und ein Filterelement, ausgeführt.
• Günstigerweise ist auf dem Außenmantel des Gehäuses ein Gewinde angeformt, das bei der Montage mit einem Gewindepartner in der Luftaustauschbohrung zusammenwirkt.
• Alternativ kann das Gehäuse der Gasaustauschsperre mit einem annähernd glatten Außenmantel ausgeführt sein, so dass diese durch Einpressen und/oder Verkleben in der Luftaustauschbohrung eines zuvor beschriebenen Druckmittelverbrauchers montiert werden kann.
• Auf Grund der Ausbildung der Gasaustauschsperre als Modul ergeben sich funktionelle und montagetechnische Vorteile, da unterschiedlichsten Anwendungsfällen bei verschiedenen Drücken entsprochen werden kann, wobei als ein wesentliches Kriterium zu berücksichtigen ist, dass das aus dem Restzylinderraum abzuführende Volumen des in der Druckflüssigkeit gelösten Gases linear mit dem Druck ansteigt (bis ca. 30 Megapascal).
• Die Elemente der Gasaustauschsperre werden vorzugsweise so dimensioniert, dass im Restzylinderraum ein Restdruck von mindestens 0,05 Megapascal erhalten bleibt.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in der Möglichkeit, entsprechend des vorgesehenen Einsatzzwecks und der Ausführungsform des Druckstromverbrauchers die einzelnen Elemente der Gasaustauschsperre mit ihren technisch erforderlichen Parametern, wie die Auswahl des geeigneten Dichtkörpers, des passenden Federelements zur Erzielung der erforderlichen Vorspannung und des geeigneten Filterelements sowie entsprechend den Umweltbedingungen beim Einsatz des Druckstromverbrauchers aus geeigneten Materialien, stets anpassen zu können.
• Die korrekte Funktion der montierten Gasaustauschsperre lässt sich somit bereits außerhalb des Druckstromverbrauchers vor dessen Endmontage prüfen.
• Des Weiteren kann die Gasaustauschsperre bei einem Defekt problemlos ausgetauscht werden.
• Ebenso ist es möglich, die für einen bestimmten Druckbereich ausgelegte Gasaustauschsperre gegen eine solche mit einem anderen Druckbereich auszutauschen, wenn der Druckstromverbraucher mit anderen Parametern betrieben werden soll.
• Das vorhandene, übliche Filterelement verhindert im Zusammenwirken mit dem im Restzylinderraum verbleibenden Restdruck das Eindringen von Fremdkörpern aus der Einsatzumgebung des Druckstromverbrauchers.
• Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel an Hand von
• 1 als Schnittdarstellung eines Druckstromverbrauchers mit eingebauter Gasaustauschsperre im Bereich eines Zylinderendes mit einem Restzylinderraum und
• 2 als Längsschnitt einer Gasaustauschsperre
  näher erläutert.
• Nach 1 ist in einem Bodenverschlussteil 1 eines einfach wirkenden Arbeitszylinders ein Restzylinderraum 2 konstruktiv ausgebildet, der über einen Kanal 3 mit einer Luftaustauschbohrung 4 verbunden ist.
• In der Luftaustauschbohrung 4 ist eine Gasaustauschsperre 5 montiert.
• Die Gasaustauschsperre 5 besteht nach 2 mindestens aus einem Ventilgehäuse 6, in dem ein Dichtkörper 7, eine Druckfeder 8 und ein hochporöses Filterelement 9 angeordnet sind.
• Entsprechend der späteren Einsatzbedingungen des Arbeitszylinders erfolgt die Materialauswahl der einzelnen Elemente der Gasaustauschsperre 5.
• Bei Einsatz in aggressiven Umgebungsbedingungen werden für das Ventilgehäuse 6, den Dichtkörper 7, die Druckfeder 8 und das hochporöse Filterelement 9 korrosionsbeständige Werkstoffe eingesetzt.
• Der Dichtkörper 7 besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material.
• Aus 2 gehen weiterhin die Anordnung eines Dichtrings 10 in einer Ringnut 11 im Ventilgehäuse 6, ein Sitz 12 für den Dichtkörper sowie eine optionale Hülse 13 hervor.
• Das hochporöse Filterelement 9 ist üblicherweise unter radialer Vorspannung in das Ventilgehäuse 6 so tief eingepresst, dass die Vorspannung der Druckfeder 8 so groß ist, dass der vorgegebene Druck im Restzylinderraum 2 gehalten wird.
• Das hochporöse Filterelement 9 kann alternativ zum Einpressen auch mit adäquatem Durchmesser in das Ventilgehäuse 6 eingebracht und mit der optionalen Hülse 13 gegen Verschieben gesichert sein.
• Die Hülse 13 kann eingeschraubt oder auch eingepresst sein. Mittels Änderung der Eindringtiefe der Hülse 13 in das Ventilgehäuse 6 ist über die damit verbundene Änderung der Vorspannung der Druckfeder 8 eine Feinjustage des zu verbleibenden Drucks im Restzylinderraum 2 gegeben.
• Für die Dimensionierung der Gasaustauschsperre 5 ist das Volumen der aus dem Restzylinderraum abzuführenden Gasmenge zu berücksichtigen.
• Mit dem Löslichkeitsgesetz nach Henry-Dalton kann die innerhalb eines Druckbereichs bis 30 Megapascal gelöste Gasmenge in einer Flüssigkeit beschrieben werden.
• Infolge der Differenz zwischen dem Arbeitsdruck des Druckstromverbrauchers und dem im Restzylinderraum 2 verbleibenden Druck, der im Wesentlichen durch die Größe der Vorspannung der Druckfeder 8 bestimmt ist, gast die Druckflüssigkeit aus. Die freiwerdede Gasmenge hängt dabei vom Volumen der Flüssigkeit, einer Konstante für die Flüssigkeit und der Druckdifferenz ab.
• Das aus dem Restzylinderraum 2 abzuführende Gasvolumen kann nach Henry-Dalton gemäß der Formel V_lu = Vfl·K_L· P₂ / P₁ berechnet werden, wobei folgende Bezeichnungen gelten:

V_lu

– gelöstes Luftvolumen

V_fl

– Flüssigkeitsvolumen

K_L

– Löslichkeitskoeffizient von Luft für hydraulische Flüssigkeiten (hier K_L = 0,08 im Bereich der kinematischen Viskosität von 25 bis 120 mm²/s)

P₁

– Druck im Druckstromverbraucher

P₂

– Druck im Restzylinderraum

• Für die Funktion der Gasaustauschsperre 5 ist weiterhin die Dimensionierung des hochporösen Filterelements 9, dessen Durchströmbarkeit, von besonderer Bedeutung, die sich im Wesentlichen durch die folgende Beziehung darstellen und berechnen lässt: ΔP = V·s·η / A·α
• Hierbei bedeuten:

ΔP

– Druckdifferenz am Filterelement

V

– Volumenstrom

s

– Filterdicke

η

– dynamische Viskosität des Druckfluids

A

– Filterfläche

α

– Viskositätskoeffizient

• Auf Basis der mathematischen Beziehungen gemäß der beiden Formeln lassen sich die grundlegenden Parameter für eine Gasaustauschsperre anwendungsspezifisch bestimmen.
• Bezugszeichenliste

1

Bodenverschlussteil

2

Restzylinderraum

3

Kanal

4

Luftaustauschbohrung

5

Gasaustauschsperre

6

Ventilgehäuse

7

Dichtkörper

8

Druckfeder

9

Filterelement

10

Dichtring

11

Ringnut

12

Sitz

13

Hülse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 055658881 [0011]

Claims (9)

1. Gasaustauschsperre für druckmittelbetriebene Verbraucher mit einem konstruktiv ausgebildeten Restzylinderraum in einem Verschlussteil, der über einen Kanal mit einer Luftaustauschbohrung verbunden ist, mindestens aufweisend einen Dichtkörper, eine Druckfeder und ein hochporöses Filterelement, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustauschsperre (5) als ein Modul in Form einer kompletten Baueinheit mit einem Ventilgehäuse (6) ausgebildet ist, wobei im Ventilgehäuse (6) der Dichtkörper (7), die Druckfeder (8) und das hochporöses Filterelement (9) angeordnet sind.
2. Gasaustauschsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Außenmantel des Ventilgehäuses (6) ein Gewinde angeformt ist.
3. Gasaustauschsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (6) mit einem annähernd glatten Außenmantel ausgeführt ist.
4. Gasaustauschsperre nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtring (10) in einer Ringnut (11) am Ventilgehäuse (6) angeordnet ist.
5. Gasaustauschsperre nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hochporöse Filterelement (9) unter radialer Vorspannung in das Ventilgehäuse (6) eingepresst ist und durch dessen Eindringtiefe die Vorspannung der Druckfeder (8) bestimmt ist.
6. Gasaustauschsperre nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hochporöse Filterelement (9) mit adäquatem Durchmesser in das Ventilgehäuse (6) eingebracht und mit einer Hülse (13) gegen Verschieben gesichert ist.
7. Gasaustauschsperre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Eindringtiefe der Hülse (13) in das Ventilgehäuse (6) und der damit verbundenen Änderung der Vorspannung der Druckfeder (8) eine Feinjustage des zu verbleibenden Drucks im Restzylinderraum (2) gegeben ist.
8. Gasaustauschsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (6), der Dichtkörper (7), die Druckfeder (8), der Dichtkörper (7) und das hochporöse Filterelement (9) aus einem korrosionsbeständigem Werkstoff bestehen.
9. Gasaustauschsperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (7) aus einem elastischen Material besteht.

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