DE68902545T2

DE68902545T2 - Verfahren zur minderung des druckabfalles waehrend des durchgangs eines fluids, sowie hydraulischer systembehaelter zur umwaelzung eines fluids.

Info

Publication number: DE68902545T2
Application number: DE8989903837T
Authority: DE
Inventors: Karl-Erik Mattsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2009-03-04
Also published as: EP0432156B1; DE68902545D1; FI90908C; JPH03503261A; WO1989008783A1; EP0432156A1; KR900700763A; FI90908B; SE460985B; SE8800819D0; FI904433A0; US5051116A; ATE79663T1; SE8800819L

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung des Druckabfalls über einem feinmaschigen Netz während des Durchganges eines Fluides durch das Netz zum Abscheiden von Luft oder Gas aus dem Fluid, z. B. bei der Inbetriebnahme mobiler Hydraulikanlagen, vorzugsweise bei wiederholtem Durchgang des Fluides durch das Netz.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Speicher zur Verwendung in Hydraulikanlagen mit Fluidumlauf und einem Luftabscheider, der im Oberbegriff des Anspruches 6 beschriebenen Art.
Mit der wirkungsvollen Abscheidung von Luft aus dem Arbeitsfluid einer Hydraulikanlage kann die Antriebsleistung für das System verbessert werden und zudem läßt sich die Genauigkeit, mit dem das System arbeitet, verbessern.
Zur wirksamen Abscheidung von Luft und anderen Gasen ist es normalerweise notwendig, sicherzustellen daß die Durchflußrate durch den Speicher gering genug ist, damit die Luft- oder Gasblasen genügend Zeit haben um an die Fluidoberfläche des Speichers zu gelangen, was die Verwendung großer Speicher bedingt. Der verfügbare Platz für solche Speicher ist indessen oft beschränkt und demzufolge ist es notwendig, das Problem der Luftabscheidung auf andere Weise zu lösen. Das Problem wird noch vergrößert, wenn das Speichervolumen vermindert und die Durchflußrate vergrößert wird.

Stand der Technik

Zur wirksame Abscheidung von Luft aus einem Fluidstrom welcher einen Speicher durchströmt, wurde bereits vorgegeschlagen, ein feinmaschiges Netz zwischen sich gegenüberliegenden Ecken des Speichers anzuordnen, wobei das Netz eine geneigte Lage annimmt.
Durchgeführte Versuche mit einem derartigen Netz haben gezeigt, daß zusätzlich zur Durchflußrate, die Fähigkeit der Luftabscheidung aus einem hydraulischen Fluid, abhängig ist von der Viskosität des jeweiligen Fluides, dem Anstellwinkel des Netzes und der Lochgröße des Netzes.
Da bei einem geschlossenen System, das Öl oder ein hydraulisches Fluid, mehrere Male durch das Netz fließt, nähert sich die Luftabscheidung einem asymtatischen Wert. Der Endwert wird um so höher sein, je feinmaschiger das Netz ist, da die Luftblasen in Abhängigkeit ihrer Größe aufgeteilt werden.
Wenn demzufolge eine wirksame Luftabscheidung vorgenommen werden soll, ist es notwendig, ein sehr feinmaschiges Netz zu verwenden. Dadurch entsteht indessen ein Druckabfall, der bei einem feinmaschigen Netz erhöht ist, namentlich beim Kaltstart von mobilen Hydrauliksystemen, bei welchen aus verschiedenen Gründen ein kleiner Speicher erwünscht ist.
Der erhöhte Druckabfall am Netz während des Durchflusses von Fluiden mit hoher Viskosität ist völlig normal. Beim Kaltstart von Hydrauliksystemen entstehen indessen derart schwerwiegende Probleme, daß eine andere Lösung gesucht werden muß.
Die bisherigen Lösungsvorschläge waren indessen teuer und kompliziert und konnten nicht zum Tragen kommen und feinmaschige Netze eigneten sich nicht zur Luftabscheidung in einem kontinuierlich arbeitendem Hydrauliksystem zur Lösung des Kaltstartproblems.
Weitere vorgeschlagene Lösungen empfehlen die Verwendung unterschiedlicher Arten von Druckbegrenzungen mit beweglichen Teilen, welche aber Kavitationsprobleme verursachten und die Gastrennung unbefriedigend war.

Erfindungsobjekte

Die vorliegende Erfindung ist dazu bestimmt, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und basiert darauf, daß das Fluid, welches im System zirkuliert, nicht notwendigerweise zur gleichen Zeit von aller Luft befreit werden muß, also eine 100% Abscheidung stattfinden muß, und daß die Luft ebensogut successiv abgeschieden werden kann, sobald die Kaltstart-Phase überwunden ist.
Ein Merkmal des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein feinmaschiges Netz in einem kleinen Speicher verwendet werden kann, unter Vermeidung der beim Kaltstart auftretenden Probleme.
Ein weiteres Merkmal des Verfahrens besteht darin, bewegliche sowie komplizierte Konstruktionselemente weitgehend zu vermeiden.

Erfindungsmerkmale

Das erfindungsgemäße Verfahren, mit welchem die vorerwähnten Probleme gelöst werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß im weitesten Aspekt ein Teil des Fluidstromes durch einen verengten, in oder neben dem Netz angeordneten Durchgang geleitet wird, um so eine viskoseabhängige Verzweigung des Fluides zu bewirken.
Mit der Erfindung ist eine viskositätsabhängige Verzweigung des Fluides möglich unter Benutzung der Dichte-Unterschiede des Fluides und Fluß-Parallelführung.
Eine theoretische Erklärung der Vorteile der Erfindung läßt sich mit Hilfe der nachfolgenden mathematischen Formel vornehmen.
Der Druckabfall beim Netz hat eine viskose Charakteristik und läßt sich wie folgt ausdrücken:
ΔP = K · Q · u, (1)
u = θ φ (2)
Es bedeuten:
ΔP = Druckabfall
K = eine Konstante welche von der Fläche und der Geometrie des Netzes abhängig ist
Q = der Durchfluß durch das Netz
u = die dynamische Viskosität
φ = die Dichte
θ = die kinetische Viskosität
Die Abtrennung auf Grund der Dichte-Unterschiede kann mit Hilfe eines scharfkantigen Loches, insbesondere im Eckbereich des Netzes vorgenommen werden.
Der Druckabfall bei einer Passage oder Düse in Form eines scharfkantigen Loches kann durch folgende Formel ausgedrückt werden:
ΔP = Q·φ/A²·α²·2 (3)
α = f (Re) (4)
es bedeuten
ΔP = Druckabfall
Q = Durchfluß durch die verengte Stelle
A = Verengungsfläche
α = Durchflußindex
Re = Reynoldsche Zahl
φ = Dichte
Daraus folgt im Falle der Dichte-abhängigen Drosselung:
und bei viskoseabhängiger Drosselung
Wenn die Netzstruktur und die Drosselung sich auf Mittel gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen, die parallel verbunden sind, ist der Druckabfall am Netz gleich. Demzufolge variiert der Durchfluß durch das Netz und die verengte Passage in starkem Masse je nach der kinematischen Viskosität. Beim Kaltstart eines hydraulischen Systems im Freien, wenn also das Öl eine hohe kinematische Zähflüssigkeit hat, wird der Hauptteil des Flusses vorerst durch die Verengung strömen und sodann successive durch das Netz fließen, wenn das hydraulische Fluid erwärmt wird und die kinematische Zähflüssigkeit abnimmt.
Konsequenterweise wird der Druckabfall während der Startphase geringer, da der Hauptteil der Strömung durch die Verengung statt durch das Netz fließt. Wenn sich das Fluid im Verlaufe des Betriebes erwärmt, fließt der Hauptteil des Fluides durch das Netz. Da das Fluid wiederholt durch den Speicher strömt, ergibt sich ein asymptomatischer Luftabscheidungswert, der vergleichbar ist mit dem Wert wenn der ganze Fluidstrom durch das Netz geleitet würde, statt vorerst teilweise durch die Verengung.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß derjenige Teil des Fluides durch das scharfkantige Loch im Netz strömen kann, welches die erwähnte Verengung bildet. Als Alternative kann das Fluid durch die Verengung im Eckbereich des Netzes strömen.
Wenn das hydraulische System mehrere Speicher aufweist, was gemäß der Erfindung erwünscht ist, mit entsprechend Wenn das hydraulische System mehrere Speicher aufweist, was gemäß der Erfindung erwünscht ist, mit entsprechend hoher Fluid-Menge und vergleichbar hoher Fluid-Durchflußrate, dann ist es normalerweise notwendig, im Durchflußweg des Fluides einen Diffusor zu installieren, der vorzugsweise die Form einer perforierten Platte hat, die dem Fluid vor dem Netzdurchgang eine laminare Strömung erteilt.
Der Bereich des verengten Durchganges, welcher im System verwendet wird, ist wesentlich größer als der Totalbereich der Perforierungen im Diffusor und zur Erzielung einer maximal möglichen Durchflußrate sollte der verengte Durchgang so positioniert werden, daß die Fließstrecke zwischen dem Diffusor und dem verengten Durchgang die kürzest mögliche Strecke ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, den verengten Durchgang im Diffusor oder nahe bei diesem anzuordnen, wodurch die Forderung erfüllt würde, daß die erwähnte Anordnung des verengten Durchganges "in Verbindung mit dem Netz" ist.
Es ist ferner im Rahmen der Erfindung den verengten Durchgang an einem Randbereich des Diffusors und/oder den verengten Durchgang im Netz oder im Randbereich desselben anzuordnen.
Der Diffusor und das Netz können auch dadurch nahe beieinander angeordnet werden, derart daß ein gemeinsamer Kantenbereich gebildet wird, welcher den verengten Durchgang ergibt.
Es ist in diesem Zusammenhang wesentlich, daß derjenige Teil des Fluides, welcher bestimmt ist bei Kaltstart-Konditionen durch den verengten Durchgang zu strömen, in Richtung zu diesem gelenkt wird und daß der Diffusor diesem Zweck dient.
Der Umstand, daß in der Fließstrecke gerade an dieser Stelle Turbulenz entstehen kann hat keinen Einfluß auf die vorgesehene Entlüftung des Systems, da diese Entlüftung während des kontinuierlichen Prozesses stattfindet. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen hydraulischen Speicher für Hydraulikanlagen mit Fluidumlauf. Die charakteristischen Merkmale des Speichers ergeben sich aus den Vorrichtungsansprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch eine mobile Hydraulikanlage mit den wesentlichen Komponenten
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit einem Speicher für die Hydraulikanlage gemäß Fig. 1, die Figur zeigt ebenfalls den Fluidfluß bei einem Kaltstart, d. h. wenn das Fluid kalt ist.
Fig. 3 entspricht Fig. 2 und zeigt den Fluidfluß wenn das Fluid warm ist
Fig. 4 zeigt einen alternativen Speicher der einen Diffusor enthält
Fig. 5-7 sind perspektivische Ansichten verschiedener alternativer Ausbildungen für den Durchfluß in einem erfindungsgemäßen Speicher.
Die Hydraulikanlage gemäß Fig. 1 ist für mobile Anlagen im Freien bestimmt, bei denen sich beim Kaltstart Probleme ergeben. Die Anlage enthält eine durch einen Motor 1 angetriebene Pumpe, welche Fluid, insbesondere Öl unter Druck über eine Leitung zu einem nicht im Detail dargestellten Apparat 4 fördert. Ein Rücklauf-Rohr 5 oder Leitung ist mit einem Speicher verbunden, in welchem sich ein feinmaschiges Netz 7 befindet zur Abscheidung von Luft aus dem Fluid, sowie ein Diffusor 8. Das Netz 7 und der Diffusor 8 sind unterhalb der Oberfläche 9a des Öles 9 im Speicher angeordnet.
Fig. 2 zeigt ein größeres Detail einer ersten Ausführungsform des Speichers 6 in welchem kein Diffusor vorhanden ist. Der Speicher weist einen Einlauf 5a und einen Auslaß 10a auf. Zwischen denen sich das luftabscheidende feinmaschige Netz 7 befindet.
Wenn die Anlage unter kalten Umständen startet und das Öl 9 eine hohe Viskosität hat, dann ist der Druckabfall beim Netz excessiv hoch. Um den Nachteil eines solchen hohen Druckabfalles zu vermeiden, ist ein scharfkantiges Loch im Netz 7 vorhanden. Dieses Loch ermöglicht einen beschränkten Durchgang und bewirkt eine viskositätsabhängige Verzweigung des Fluides. Beim Start der Anlage fließt der Hauptfluß durch das Loch 11, wodurch der Druckabfall beim Netz 7 vermindert wird.
Fig. 3 zeigt den Fluidfluß nachdem die Anlage einige Zeit in Betrieb ist und das Fluid, Öl, sich erwärmt hat und dessen Viskosität gesunken ist. Der Fluidfluß wird nun gleichmäßiger zwischen dem Loch 11 und dem Netz aufgeteilt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform bei welcher sich oberhalb es Einlasses 5a ein Diffusor 13 zur Sicherstellung eines laminaren Flusses im Speicher 6 befindet.
Der Diffusor 13 weist Perforierungen 14 auf und enthält eine geneigte Fläche 13a unmittelbar oberhalb des Loches 11 im Netz. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel fließt hier der Hauptstrom durch das Loch 11 im Netz bei Kaltstart-Konditionen.
Um den Durchfluß zu erleichtern kann auch der Diffusor 13 mit einem Loch versehen werden, das dem Loch 11 entspricht und als verengter Strömungsdurchgang wirkt. In diesem Fall sind die beiden Löcher 11 so angeordnet, daß sich die kürzestmögliche Fließstrecke ergibt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform bei welcher ein verengter Durchgang statt eines scharfkantigen Loches durch eine Kante 11' des Netzes 7 bzw. 11' des Netzes 7 bzw. des Diffusors 13 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 5 wird der verengte Durchgang 11' je durch die untere Kante des Diffusors 13 und des Netzes 7 gebildet, die nur eine geringe Distanz voneinander haben.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Netz und der Diffusor zusammen eine scharfe untere Kante bilden, welche zusammen mit dem Boden des Speichers einen sich über dessen ganze Breite ersteckenden verengten durchlaß bildet.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, welche im wesentlichen der Ausführung nach Fig. 6 entspricht, bei welcher aber sowohl der Diffusor 13 als auch das Netz 7 abgeschnittene Ecken 13b, 7b enthält, welche zusätzliche verengte Strömungsdurchgänge für die viskositätsabhängige Strömungsaufteilung des Fluids bei Kaltstart-Bedingungen ergibt.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß es im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzeptes viele unterschiedliche Ausführungsformen gibt. Auch wenn die Wirksamkeit der verschiedenen Ausführungsformen variieren können, erfüllen alle Ausführungsvarianten den angestrebten Zweck.
Andere Ausführungsformen können geeignet sein, in den Bereich des erfindungsgemäßen Basiskonzeptes zu fallen. So können erfindungsgebeispielsweise statt einem mehrere verengte Durchgangsmittel oder Durchgänge nahe beim Netz vorhanden sein.
Außerdem kann der Diffusor eine gegenüber der dargestellten und beschriebenen Form unterschiedlichere Ausgestaltung haben.

Claims

1. Verfahren zur Verringerung des Druckabfalls über einem feinmaschigen Netz (7) während des Durchganges eines Fluides (9) durch das Netz zum Abscheiden von Luft oder Gas aus dein Fluid, z. B. bei der Inbetriebnahme mobiler Hydraulikanlagen, vorzugsweise bei wiederholtem Durchgang des Fluides durch das Netz (7), dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Fluidstromes durch einen verengten, in oder neben dem Netz (7) angeordneten Durchgang (11, 11') geleitet wird, um so eine viskositätsabhängige Verzweigung des Fluides zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil des Fluidstroms durch ein scharfkantiges Loch (11) im Netz (7) geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil des Fluidstromes durch einen in einem Randbereich des Netzes angeordneten verengten Durchgang (11') geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid auch durch einen Diffusor (13) geleitet wird, der die Form einer perforierten Platte aufweist und dem Fluid vor dem Netzdurchgang (7) eine laminare Strömung erteilt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Verengung (11, 11') eine größere Fläche aufweist als die der Perforation, dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Durchgang (11, 11') so angeordnet wird, daß die kürzestmögliche Fließstrecke zwischen dem Durchgang und dem Diffusor (13) erzielt wird.

6. Speicher (6) zur Verwendung in Hydraulikanlagen mit Fluidumlauf, wobei der Speicher einen Einlaß (5a) und einen Auslaß (10a) für das Fluid sowie eine Luftabscheideeinrichtung aufweist, die ein feinmaschiges Netz (7) umfaßt, das im Fluidstrom angeordnet ist und vorzugsweise zur Oberfläche (9a) des Fluides im Speicher geneigt ist, gekennzeichnet durch einen verengten Strömungsdurchgang (11, 11') der zur viskositätsabhängigen Verzweigung des Fluids (9) in oder neben dem Netz (7) angeordnet ist.

7. Speicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang eine scharfkantige Öffnung (11, 11') umfaßt, die im Netz (7) oder in einem Randbereich davon vorgesehen ist.

8. Speicher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (6) ein Diffusor (13) angeordnet ist, der eine perforierte Platte aufweist, die dem Fluid vor dem Netzdurchgang eine laminare Strömung erteilt.

9. Speicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Durchgang (11, 11') und/oder ein weiterer verengter Durchgang in dem Diffusor oder einem Randbereich davon vorgesehen ist.

10. Speicher nach Anspruch 9 mit einem Durchgang (11, 11') in oder neben dem Diffusor (13) und einem Durchgang (11, 11') in oder neben dem Netz (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgänge (11, 11') so angeordnet sind, daß sie zwischen sich eine kurze, vorzugsweise die kürzestmögliche Fließstrecke bilden.

11. Speicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der größere Teil des Netzes (7) und der Diffusor (13) unterhalb der Oberfläche (9a) des Fluides (9) im Speicher (6) angeordnet sind.