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Die Erfindung betrifft ein Hydraulikgerät wie im
Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Ein solches Gerät ist u.
a. aus WO 9731165 oder aus NL 1008256 – wobei es sich um keine ältere Anmeldung handelt – desselben
Anmelders bekannt, die beide einen Hydraulikdruckumformer betreffen.
Der Nachteil des bekannten Geräts
ist, dass aufgrund der hohen Flusdgeschwindigkeiten bei dem bekannten
Gerät ein
Energieverlust auftritt, mit dem Ergebnis, dass die Effizienz des
Geräts
gering ist. Es wurde herausgefunden, dass ein erheblicher Teil des
Verlusts während
des Schließens
des Einlasses zur oder des Auslasses aus der Fluidkammer auftritt.
Bei dem Hydraulikgerät
wird der Einlass zur oder der Auslass aus der Fluidkammer graduell
geöffnet
oder geschlossen, während
sich das Volumen der Fluidkammer ändert. Infolgedessen können während des Öffnens oder Schließens der
Fluidkammer hohe Flussgeschwindigkeiten durch den kleinen Oberflächenbereich
der Schließ- oder Öffnungsöffnung zwischen
der Rotordurchlassöffnung
und der Planscheibendurchlassöffnung
auftreten. Diese örtlich
hohen Flussgeschwindigkeiten bewirken erhebliche Verluste, und es
ist wichtig, die Dauer ihres Auftretens so kurz wie möglich zu
halten. Im Falle des bekannten Geräts mit den runden Rotordurchlassöffnungen
und den abgerundeten Planscheibendurchlassöffnungen ist während beispielsweise
des Abschließens
der Rotordurchlassöffnung
mit der Wand eine abnehmende linsenförmige Öffnung gebildet, durch welche
als ein Ergebnis der Volumenänderung
der Fluidkammer während des Öffnens oder
Schließens
Flüssigkeit
mit zunehmender Geschwindigkeit fließt. Diese hohen Flussgeschwindigkeiten
bewirken den Energieverlust.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
den oben angeführten
Nachteil zu vermeiden, und zu diesem Zweck ist das bekannte Gerät wie im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gestaltet. Auf diese Weise tritt
die hohe Flussgeschwindigkeit nur während einer geringen Rotorrotation
auf, mit dem Ergebnis, dass die Verluste begrenzt sind.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein
Hydraulikgerät,
das wie in Anspruch 2 beansprucht gestaltet ist. Durch diese Maßnahme sind
die Kanten der Rotordurchlassöffnung
und der Planscheibendurchlassöffnung
durch die Schnittlinie einer geraden Fläche und der Grenzfläche gebildet.
Eine solche Kante kann einfach in der Gestaltung und scharf sein,
so dass kleine Brüche
vermieden werden. Dies gewährleistet,
dass weniger Verluste auftreten.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung
ist das Gerät
wie in Anspruch 3 beansprucht gestaltet. Durch diese Maßnahme wird,
während
der Oberflächenbereich
der Öffnung
zur Fluidkammer derselbe bleibt, die Dauer der auftretenden hohen
Flussgeschwindigkeit weiter verkürzt,
mit dem Ergebnis, dass weniger Verluste auftreten.
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Gemäß einer weiter verbesserten
Ausführungsform
ist das Gerät
wie in Anspruch 4 beansprucht gestaltet. Durch diese Maßnahme ist
ein Druckaufbau in den Fluidkammern auf ein fache Weise verhindert,
insbesondere bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors.
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Die Erfindung ist im folgenden unter
Bezugnahme auf eine Anzahl beispielhafter Ausführungsformen mithilfe einer
Zeichnung beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen
diagrammatischen Querschnitt eines Hydraulikdruckumformers;
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2a die
Ansicht einer Planscheibe eines Druckumformers aus 1 gemäß dem Stand
der Technik;
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2b die
Ansicht eines Rotors eines Druckumformers aus 1 gemäß dem Stand
der Technik;
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3a die
Ansicht der Planscheibe eines Druckumformers aus 1 und 2 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3b die
Ansicht des Rotors eines Druckumformers aus 1 und 2 gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 auf
diagrammatische Weise, wie die Planscheibendurchlassöffnungen
und die Rotordurchlassöffnungen
aus 3a und 3b zusammenwirken;
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5a die
Ansicht der Planscheibe eines Druckumformers aus 1 und 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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5b die
Ansicht des Rotors eines Druckumformers aus 1 und 2 gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 auf
diagrammatische Weise, wie die Planscheibendurchlassöffnungen
und die Rotordurchlassöffnungen
einer dritten Ausführungsform zusammenwirken;
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7 auf
diagrammatische Weise, wie die Planscheibendurchlassöffnungen
und die Rotordurchlassöffnungen
einer vierten Ausführungsform zusammenwirken;
und
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8 die
Effizienz des Hydraulikdruckumformers als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des
Rotors;
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9 eine
Ausführungsform,
die der ersten Ausführungsform
entspricht und bei der die Wand schmaler als die Rotordurchlassöffnung ist;
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10 eine
beispielhafte Ausführungsform, die
der dritten Ausführungsform
entspricht und bei der die Wand schmaler als die Rotordurchlassöffnung ist;
und
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11 eine
beispielhafte Ausführungsform, die
der dritten Ausführungsform
entspricht und bei der die Wand schmaler als die Rotordurchlassöffnung ist.
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Bei den verschiedenen Figuren sind
entsprechende Teile so weit wie möglich mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 und 2 zeigen einen Hydraulikdruckumformer 1,
dessen Betrieb dem in WO 9731185 beschriebenen entspricht. Der Hydraulikdruckumformer 1 weist
ein Rotorgehäuse 4 auf,
das Lager 2 enthält, in
denen eine Drehwelle 3 rotieren kann. An der Drehwelle 3 sind
Tauchkolben 5 angebracht, die in den Fluidkammern 7 eines
Rotors 6 gleiten können. Der
Rotor 6 kann in dem Rotorgehäuse 4 frei um seine
Rotationsachse rotieren.
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Ein Planscheibengehäuse 10,
in dem eine Planscheibe 8 rotieren kann, ist auf dem Rotorgehäuse 4 befestigt.
Die Planscheibe kann mithilfe einer Einstellwelle 9 rotiert
werden. Das Planscheibengehäuse 10 ist
mit einem ersten Leitungsanschluss 11, einem zweiten Leitungsanschluss 12 und
einem dritten Leitungsanschluss (nicht gezeigt) versehen. Die Leitungsanschlüsse sind
mit den Fluidkammern 7 mithilfe von Kanälen verbunden, die durch das
Planscheibengehäuse 10,
die Planscheibe 7 und den Rotor 6 laufen. Der
Rotor 6 und die Planscheibe 7 sind in einer Grenzfläche 13 durch
den Öldruck
in den Fluidkammern 7 auf eine abdichtende Weise gegeneinandergepresst.
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Drei Planscheibendurchlassöffnungen 14 mit drei
Wänden 15 zwischen
ihnen sind in der Planscheibe 8 vorgesehen (s. 2a). Jede Planscheibendurchlassöffnung 14 gemäß dem Stand
der Technik weist einen Innenradius 17, einen Außenradius 16 und
eine kreisförmige
Seitenkante 18 auf. Der Rotor 6 ist mit sieben
Rotordurchlassöffnungen 17 versehen,
die jede mit einer Fluidkammer 7 in Verbindung stehen.
Während
der Rotation kommt die Fluidkammer 7 mit einer Planscheibendurchlassöffnung 14 in
Verbindung, wird durch eine Wand 15 abgedichtet und kommt
anschließend
mit der nächsten
Planscheibendurchlassöffnung 14 in
Verbindung. Das Abschließen
einer Fluidkammer 7 mithilfe einer Wand einer Planscheibe 8 kommt
im Falle der bekannten Hydrauliktauchkolbenpumpen und -tauchkolbenmotoren
gewöhnlich
auf entsprechende Weise zur Anwendung. In diesem Falle gibt es im
allgemeinen eine Planscheibe 8 mit zwei Planscheibendurchlassöffnungen 14,
und die Position der Wände 15 entspricht dem
größten oder
dem kleinsten Volumen der Fluidkammer 7, also Positionen,
in denen die Änderungsgeschwindigkeit
des Volumens der Fluidkammer 7 minimal ist. In diesen Situationen
ist es üblich,
die Fluidkammer 7 graduell zu schließen, wobei keine Druckspitzen
in der Fluidkammer 7 auftreten, da sich ihr Volumen kaum ändert.
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In den Situationen, in denen das
Hubvolumen der Pumpe oder des Motors oder die Einstellung des Hydraulikdruckumformers
durch die Rotation der Planscheibe geändert ist, wird die Fluidkammer 7 abgeschlossen,
wenn die Änderungsgeschwindigkeit des
Fluidkammervolumens groß ist.
Um hohe Flussgeschwindigkeiten während
des Abschließens
der Fluid kammer 7 zu vermeiden, muss die Kammer gemäß der Erfindung
schnell geschlossen werden.
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In der ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
die in 3a und 3b gezeigt ist, sind die Seitenkanten
der Planscheibe 6 und des Rotors 8 angepasst. 4 zeigt, wie in dieser Ausführungsform die
Planscheibe 6 und der Rotor 8 relativ zueinander in
der Position angeordnet sind, in der eine Rotordurchlassöffnung 19 gerade
noch nicht vollständig durch
die Wand 15 abgedeckt ist. Eine Seitenkante 21 der
Rotordurchlassöffnung 19 auf
der linken Seite stimmt mit einer Seitenkante 20 der Planscheibendurchlassöffnung 14 überein.
Dies bewirkt, dass sich die Rotordurchlassöffnung 19 über eine
gemeinsame Breite „b" öffnet oder schließt, welche
die Breite des Teils der Grenzfläche 13 ist,
der in der radialen Richtung gesehen eine Rotordurchlassöffnung 19 gemeinsam
mit den Planscheibendurchlassöffnungen 14 aufweist.
Die Wand 15 ist um eine Distanz „a" breiter als die Rotordurchlassöffnung 19,
so dass kein Kurzschließen
zwischen dem Druck in der einen Planscheibendurchlassöffnung 14 und
der anderen auftreten kann. Die Distanz „a" ist in den Rotationsrichtungen des
Rotors gesehen über
die gesamte Breite mehr oder weniger konstant, so dass, wenn die
Rotordurchlassöffnung 19 nach
rechts rotiert, die rechte, angepasste Seitenkante 21 über die
gesamte gemeinsame Breite „b" gleichzeitig die
linke Seitenkante der Rotordurchlassöffnung 14 passiert,
mit dem Ergebnis, dass die Öffnung
gleichzeitig über
die gesamte gemeinsame Breite „b" geöffnet wird.
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Die Seitenkante 20 der Planscheibendurchlassöffnung 14 und
die Seitenkante 21 der Rotordurchlassöffnung 19 liegen in
einer Ebene parallel zur Rotationsachse des Rotors. Dies bedeutet,
dass die Löcher
auf der Innenseite unter Verwendung eines einfachen Mittels präzise bearbeitet
sein können, während die
Grenzfläche 13 ebenfalls
auf die bekannte Weise präzise
bearbeitet sein kann. Auf diese Weise kann eine scharfe Kante der
Durchlassöffnungen
erzielt sein, die die Genauigkeit des gleichzeitigen Schließens über die
gesamte Breite erhöht,
wodurch eine Verlustverringerung ermöglicht ist.
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Eine zweite Ausführungsform ist in 5a und 5b gezeigt. In diesem Fall weist der
Rotor zwölf Fluidkammern 7 und
Rotordurchlassöffnungen 19 auf.
Die gemeinsame Breite „b" ist dieselbe geblieben,
und aufgrund der Tatsache, dass die Rotordurchlassöffnungen 19 schmaler
geworden sind, ist die gemeinsame Breite „b" größer als
die Breite der Rotordurchlassöffnung
in der Rotationsrichtung geworden. Die Flussgeschwindigkeit während des Schließens ist
dadurch verringert, weil die gemeinsame Breite „b" dieselbe geblieben ist und das Volumen der
Fluidkammer 7 verringert wurde, da es nun mehr Fluidkammern 7 gibt.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform,
in der die Form der Planscheibendurchlassöffnungen 14 auf die
runde Form der Rotordurchlassöffnungen 19 angepasst
wurde. Für
ein Teil wie den Rotor 6 sind runde Rotordurchlassöffnungen 19 leicht
herzustellen (z. B. durch Bohren und/oder Honen), während die
Planscheibendurchlassöffnungen 14 stets
von besonderer Form sind, die auf eine besondere Weise hergestellt
sein kann (z. B. durch Funkenerosion).
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7 zeigt
eine vierte Ausführungsform,
in der die Rotordurchlassöffnung
solcherart ausgebildet ist, dass die größte Breite, in der Rotationsrichtung gesehen,
in der Nähe
der Rotationsachse liegt. Hier ist der Ölfluss zur Fluidkammer 7 großteils in
Richtung auf den Außendurchmesser
des Rotors 7 geleitet, mit dem Ergebnis, dass eine Hohlraumbildung
mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftritt.
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In 8 zeigt
Kurve I an, wie die Effizienz des Hydraulikdruckumformers, der gemäß den oben angeführten beispielhaften
Ausführungen
gestaltet ist, von der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors abhängt. Es
ist hier ersichtlich, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten die Effizienz
hoch ist, bei hohen Geschwindigkeiten die Effizienz jedoch scharf
abfällt.
Es ist hier offensichtlich, dass die Geschwindigkeiten der Volumenänderungen
in den Fluidkammern 7, wenn sie von der Wand 15 abgeschlossen
werden, erheblich sind. Durch schmaleres Herstellen der Wände, infolgedessen
eine Fluidkammer 7 mit zwei Planscheibendurchlassöffnungen 14 durch
einen kleinen Rotationswinkel des Rotors 6, z. B. zwischen
1 und 3 Grad, in Verbindung steht, ist gewährleistet, dass kein großer Druckaufbau
in der Fluidkammer 7 auftritt. Die Effizienz des Hydraulikdruckumformers
ist folglich bei niedrigen Geschwindigkeiten etwas geringer, bleibt
aber über
den gesamten Geschwindigkeitsbereich mehr oder weniger konstant.
Dies ist durch Kurve II in 8 angezeigt.
Da die Effizienz bei hoher Rotationsgeschwindigkeit nun größer ist,
ist der Gesamtverlust in hohem Maße verringert.
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9 zeigt
die erste beispielhafte Ausführungsform
gemäß 3 und 4, in der die Wand 15 zwischen
den Planscheibendurchlassöffnungen 14 schmaler
hergestellt wurde. In der Rotationsrichtung gesehen ist die Planscheibendurchlassöffnung 19 über die
gesamte gemeinsame Breite „b" um eine Distanz „u" größer als
die Wand 15. Dies bedeutet, dass durch die Überdeckung
der Planscheibendurchlassöffnung 19 über die
Wand 15 eine Fluidkammer 7 mit zumindest einer Öffnung „u" mit einer Planscheibendurchlassöffnung in
Verbindung steht, so dass Volumenänderungen während einer Rotation des Rotors 6 keinen
großen
Druckaufbau in der Fluidkammer 7 bewirken und hohe, verlusterzeugende Flussgeschwindigkeiten
folglich vermieden sind.
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10 zeigt
die angepasste, dritte beispielhafte Ausführungsform gemäß 6 auf eine entsprechende
Weise, und 11 zeigt
die angepasste, vierte beispielhafte Ausführungsform gemäß 7.
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Die beispielhaften Ausführungsformen,
die oben besprochen wurden, stützen
sich auf den bekannten Druckumformer, der mit Tauchkolben 5 und einer
Drehwelle 3 gestaltet ist. Gleichermaßen können im Falle von Hydraulikgeräten, die
anders gestaltet sind, bei denen sich beispielsweise das Volumen der
Fluidkammern 7 durch eine Bewegung entlang einer Nockenscheibe ändert, dieselben
Probleme auftreten, wenn die Fluidkammern 7 abgeschlossen werden,
während
sich das Volumen ändert.
Die oben beschriebenen Lösungen
können
dann auf eine vergleichbare Weise genutzt werden.
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In den beispielhaften Ausführungsformen werden
die Fluidkammern durch Ventile abgeschlossen, die durch eine Planscheibe
mit Durchlassöffnungen
ausgebildet sind. Es sind auch Ausführungsformen möglich, in
denen die Ventile anders gestaltet sind und die Steuerung der Ventile
durch andere mechanische Mittel erfolgt, z. B. durch eine Nockenscheibe.
Es ist außerdem
möglich,
dass das Ventil elektrisch betrieben ist. In dieser Situation kann
die Erfindung auch entsprechend gestaltet werden, in welchem Fall
die Ventile schnellwirksam sein müssen und die Zeitdauer des Öffnens und
Schließens
der Ventile möglicherweise
solcherart ausgewählt
ist, dass die Fluidkammern niemals vollkommen abgeschlossen sind,
sondern über
eine begrenzte Rotation des Rotors mit zwei Leitungsanschlüssen in
Verbindung stehen.