EP3737862A1 - Hydromaschine, hydraulisches aggregat mit der hydromaschine, und hydraulische achse mit der hydromaschine - Google Patents

Hydromaschine, hydraulisches aggregat mit der hydromaschine, und hydraulische achse mit der hydromaschine

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EP3737862A1
EP3737862A1 EP19700638.0A EP19700638A EP3737862A1 EP 3737862 A1 EP3737862 A1 EP 3737862A1 EP 19700638 A EP19700638 A EP 19700638A EP 3737862 A1 EP3737862 A1 EP 3737862A1
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EP
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hydraulic
hydraulic machine
heat exchange
axis
rotation
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EP19700638.0A
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Andreas Guender
Jan Lukas Bierod
Johannes Schwacke
Saskia Ryznar
Oleg Stefanjuk
Marco Scholz
Emil Hanauer
Rene HUETTL
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • Hydromachine hydraulic aggregate with hydromachine, and hydraulic axis with hydromachine
  • the invention relates to a hydraulic machine according to the preamble of patent claim 1, a hydraulic unit with the hydraulic machine according to claim 11, as well as a hydraulic axis with the hydraulic machine according to claim 12.
  • the heart of a hydraulic circuit is a hydraulic machine, in particular a hydraulic pump. It converts mechanical into hydraulic, in particular hydrostatic, energy of a pressure medium conveyed by it. In the case of operation as a hydraulic motor, the conversion takes place in the reverse direction. In energy conversion occur losses that lead in the case of the hydraulic circuit in particular to the heating of the pressure medium. In this case, the loss occurring in the hydraulic machine (s) is responsible for the majority of the heating of the pressure medium, a much smaller part is caused by flow losses in lines. The heating of the pressure medium in the hydraulic pump is particularly great.
  • the heat loss incurred in the hydraulic pump due to loss of thermal energy is carried off by the pumped pressure medium into the hydraulic circuit until it is removed by means of an external heat exchanger as heat to a coolant.
  • the thermal energy is distributed to a large volume of oil, whereby a large amount of pressure medium is to circulate to dissipate the heat. Due to the large amount of pressure medium but also a DT to the recooling coolant is relatively small, so that the efficiency of the external heat exchanger is small and its heat exchange surface must be large, which keeps investment and operating costs high.
  • Coolant is, for example, water.
  • Heat exchangers are at risk of water entering the hydraulic oil as the oil and cooling water sides are only separated by a gasket in the case of the shell and tube heat exchanger, and only a thin solder layer in the case of the plate heat exchanger. Both seals can fail due to operational wear and so the
  • discharged pressure medium is recooled in a separate heat exchanger with water. Again, the circulating pressure medium amount is large. In addition, the flushed out amount must be permanently refilled, which brings device complexity with it.
  • the document CN 106 224 228 shows a hydraulic pump whose housing is wrapped by a heat pipe. The final dissipation of the heat takes place by recooling the medium of the heat pipe via a water bath.
  • a disadvantage of this solution for example, that the heat pipe through its external exposure to the
  • Hydraulic pump is exposed to damage due to impact.
  • Cooling jacket construction can take up comparatively much space.
  • the object of the invention is to provide a hydraulic machine with more efficient cooling, a hydraulic unit with the hydraulic machine and a hydraulic axis with the hydraulic machine.
  • the first object is achieved by a hydraulic machine with the features of
  • Patent claim 1 the second by a hydraulic unit with the features of
  • a hydraulic machine has a housing interior and a group of hydrostatic working spaces mounted rotatably about a rotation axis. These are connected in rotation of the group alternately with a high pressure and a low pressure of the hydraulic pump, in particular a corresponding port. During operation of the hydraulic machine, the pressure medium heats up. The work spaces have a leakage volume flow into the interior of the housing. According to the invention for cooling in
  • Housing interior accommodated a heat exchange device. In particular, this comes in contact with the leakage volume or volume flow.
  • the arrangement of the heat exchange device so close to the place of warming of the pressure medium, the DT is particularly high. Also, a turbulent turbulence of existing due to the leakage in the housing interior pressure medium due to the rotating work spaces is high. Already one of the two factors mentioned leads to an improved heat transfer, both together make the heat transfer particularly efficient. Therefore, a small and simply constructed heat exchange surface in the housing interior is sufficient.
  • Housing interior is realized a particularly efficient arrangement of the required cooling component.
  • the hydrostatic working spaces are each bounded by a hydrostatic cylinder-piston unit of the hydraulic machine.
  • the hydraulic machine is an axial piston machine and the cylinders are formed by cylinder bores formed in a rotatable cylinder drum.
  • the pistons are arranged axially displaceable.
  • the axial piston machine is formed in a swash plate design, wherein the piston mounted on a housing fixed or pivotally mounted
  • Page 3 of 15 Sliding disc are slidably supported.
  • a Schrägachsenbauweise is possible, wherein the piston heads are rotatably connected to an employee employed to the axis of rotation drive shaft.
  • the heat exchange device takes at least partially an annular space, which extends radially and axially between a Gescouseinnenwandung and the group.
  • the annulus offers itself particularly because it is present anyway and does not need to be extended or only slightly to arrange the heat exchange device. So the hydraulic machine builds despite the arranged inside the housing
  • the annular space extends in the direction of the axis of rotation and at least partially cylindrical. He may alternatively or additionally have a conical or oval section, for example, to promote a turbulent turbulence of the leakage volume or leakage volume flow and so the
  • the axis of rotation of the heat exchange device is annular, in particular annular, or polygonal, in particular four- or six- or octagonal, embraced.
  • Said forms relate to a projection of a contour, in particular an outer and / or inner contour of the heat exchange device, in a plane whose normal is the axis of rotation.
  • a wall of the heat exchange device is formed by a tube.
  • a wall of the heat exchange device is formed by a tube.
  • Wall thickness and / or material designed at least depending on the intended purpose to be transferred heat and / or the intended temperature of the pressure medium.
  • a fluid is arranged in a single-phase or two-phase, in particular arranged in a flowing manner.
  • the heat exchange device extends at least in sections in an undulating manner around the axis of rotation and in the direction of the axis of rotation. In this case, sections which extend predominantly parallel to or in the direction of the axis of rotation alternate with sections which extend predominantly circumferentially around the axis of rotation.
  • the heat exchange device extends in the direction radially to the axis of rotation with at least two windings or layers.
  • a first winding or layer extends radially inward in a direction of the axis of rotation up to a vertex of the first winding or layer, where it is at least one pipe diameter by an amount
  • Heat exchange device guided radially outward and extends with a second winding or layer from the apex back in the opposite direction.
  • the heat exchange device may extend partially or fully around the axis of rotation, so that a space in the housing interior, in particular in the annulus claimed space of a component of the hydraulic machine is bypassed by the heat exchange device.
  • the housing interior is delimited by a housing which is penetrated on the same side by a drive shaft which is rotatable about the rotation axis and to which the cylinder-piston units are connected in a rotationally fixed manner, and by an inlet and / or a return of the heat exchange device.
  • the housing interior is delimited by a housing which has ports of high pressure and low pressure on the same side and is penetrated by an inlet and / or a return of the heat exchanger device.
  • the inlet and / or the return is sealed on the outside of the housing against this. This makes the sealing point easily accessible, controllable and maintainable.
  • Page 5 of 15 A hydraulic unit has a hydraulic machine formed according to at least one aspect of the foregoing description.
  • the hydraulic machine in particular with its housing, connected at least: a drive machine, in particular an electric machine, via which a torque to the hydraulic machine is transferable, and a pressure medium container, which is connectable to the low pressure and / or high pressure of the hydraulic machine.
  • the pressure medium container can be designed as an open tank (open circuit) or pressure equalization tank (closed circuit).
  • Such an aggregate is provided, for example, for supplying pressure medium to a hydraulic cylinder.
  • a hydraulic axle accordingly has a hydraulic machine, which according to at least one aspect of the preceding description. It is firmly connected to the hydraulic machine, in particular with its housing, at least: a prime mover, in particular electric machine, via which a torque to the hydraulic machine is transferable, one of the hydraulic machine with pressure medium supplyable hydraulic cylinder and a
  • Control block in particular valve control block, for controlling the pressure medium supply.
  • a tank or a pressure medium container which can be connected to the low pressure and / or high pressure of the hydraulic machine can be provided.
  • FIG. 1 shows a hydrostatic axial piston pump in swash plate construction according to a first embodiment, in a longitudinal section,
  • FIG. 2 shows a hydrostatic axial piston pump in swash plate construction according to a second embodiment, in a longitudinal section
  • Figure 3 shows a second embodiment of a heat exchange device of
  • FIG. 4 shows the heat exchanger device according to FIG. 3 in a side view
  • FIG. 5 shows the heat exchanger device according to FIGS. 3 and 4 in a view in the direction of the longitudinal axis
  • Figure 6 shows a third embodiment of a heat exchange device in one
  • FIG. 7 shows a hydrostatic axial piston pump according to a third exemplary embodiment with the heat exchange device according to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a hydrostatic axial piston pump according to a fourth exemplary embodiment in a longitudinal section
  • Figure 9 shows a heat exchange device according to a fifth embodiment in a side view and a plan view
  • FIG. 10 shows a heat exchange device according to a sixth embodiment in a side view and in a plan view.
  • a first exemplary embodiment of a hydrostatic axial piston pump 1 has a housing 2 with an annular housing jacket 4, which is closed on the end, on the one hand, by a drive-through cover 6 and, on the other hand, by a connection cover 8.
  • a drive shaft 14 is rotatably supported via roller bearings 10, 12.
  • a cylinder drum 16 Rotatably connected to the drive shaft 14 is a cylinder drum 16, in which along a concentric with the axis of rotation 18 arranged pitch circle a plurality of cylinder bores is parallel to the axis of rotation 18 is introduced.
  • a hydrostatic working piston 20 is axially displaceably guided and slidably supported by the housing cover 6 on a swash plate 22 fixedly arranged in the housing 2.
  • a control disk 24 which is penetrated by passage openings (not shown), is arranged between the cylinder drum 16 and the connection cover 8.
  • the through-hole pressure kidney are in pressure medium connection with a high pressure port 26 and a low pressure port 28 of the
  • the hydrostatic working chambers Upon rotation of the drive shaft 14, and thus the cylinder drum 16, the hydrostatic working chambers are connected via their to the terminals 26, 28 facing outlets alternately with high and low pressure.
  • a housing interior 30 is formed. Radial between the
  • Page 7 of 15 this and about the axis of rotation 18 extends a helical
  • Heat exchange device 36 for removing thermal energy from the housing 2.
  • the thermal energy is exactly at this point to one in the coil flowing coolant, such as water, transferred.
  • a DT at this point is very high and the heat transfer coefficient a also. This can be transferred to a small heat exchange surface, a large amount of heat.
  • a significantly larger heat exchanger which would have to be made available externally, is eliminated. In this way, both the investment costs and the operating costs savings can be achieved.
  • direct temperature-related wear on the hydrostatic axial piston pump can be minimized since it can always be operated in the optimum temperature range.
  • a secondary hot water supply can be supplied with heat.
  • This can be implemented, for example, by a 3-way circuit in which the cooling water in the
  • Heat exchange device 36 circulates until a sufficient DT is reached.
  • FIG. 2 shows a hydrostatic axial piston pump 101 according to a second embodiment
  • Embodiment A difference from the first embodiment according to FIG. 1 is
  • Page 8 of 15 in that the heat exchange device 136 differs from that according to FIG. Although it is also designed as a helix, but are the individual turns of the helix in the axial direction to each other.
  • an inlet 38 and a return 40 of the heat exchanger device 136 are shown in FIG. Both 38, 40 pass through the housing cover 6 and are sealed on the outside (not shown) against the housing 2. Through the inlet 38 flows in the helix of the
  • Heat exchange device 136 cooling water and takes on its way through the coil to the return 40 of the turbulence in the housing interior 134 turbulent
  • the turbulence generated by the cylinder drum 16 in the oil bath of the housing interior 30 proves to be advantageous for the
  • Heat transfer coefficient of the heat exchange device 136 Due to the closer arrangement of the helices of the heat exchange device 136 is a heat flux density, compared with the first embodiment of Figure 1, increased.
  • FIGS. 3 to 5 show the heat exchanger device 136 according to FIG. 2 in a perspective view, a side view and a plan view.
  • the comparatively short inlet 38 extends parallel to the axis of rotation 18 and is at right angles, with respect to the
  • Rotary axis 18 in the circumferential direction angled.
  • the helix extends with mutually adjacent turns in the direction of the axis of rotation 18 and circumferentially around it, until at apex of the heat exchange device 136, the helix tube tangentially expires and again at right angles, parallel to the axis of rotation 18 and is returned as return 40.
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a heat exchange device 236 which is based on the helical heat exchange device 36 according to FIG. In contrast to this, the heat exchange device 236 in the radial direction two layers or
  • Windings rather than just one, up.
  • the individual turns in the direction of the axis of rotation 18 at a distance from each other.
  • the turbulent oil bath in the housing interior 30 can also reach the spaces between the turns.
  • internal turns extend circumferentially and in the direction of the axis 18 with a constant coil diameter up to a vertex of the heat exchanger device 36
  • Page 9 of 15 the diameter of the winding is extended to a larger radius and the turns are circumferentially returned in the reverse direction along the axis of rotation 18 around this. This results in two windings or layers.
  • the outer winding runs as return 40 again on the side of the inlet 38, parallel to this, from.
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a hydrostatic axial piston pump 201, which differs from the second exemplary embodiment according to FIG. 2 essentially by the changed heat exchanger device 236 according to FIG.
  • Axial piston pump 301 is shown in FIG. 8. It differs from the exemplary embodiment according to FIG. 7 because of the modified heat exchange device 336. This is now designed to be undulating instead of helical. In this case, a ring of alternately parallel to the axis of rotation 18 extending and circumferentially angled sections are lined up so that the tube of the heat exchange device 336 alternately in
  • Circumferential direction extends about the axis of rotation 18. In this way, a temperature profile of the temperature difference DT deviating from the exemplary embodiments shown so far can be realized.
  • FIG. 9 A quite similarly constructed embodiment of a heat exchange device 436 is shown in FIG. 9. The embodiment differs from FIG. 8
  • Heat exchange device 436 in that comparatively few undulating
  • a last exemplary embodiment of a heat exchange device 536 is shown in FIG. 10. It extends in a helical stepwise manner and also has a rectangular cross section of the helices. These extend in sections horizontally, that is, in a plane whose normal is the axis of rotation 18, and are connected to each other by sections against the planes respectively. In this way, results in a basically stepped and helically wound heat exchange device.
  • a hydraulic machine with a housing interior, in which an engine is arranged, via the mechanical energy in hydraulic energy, and / or vice versa, leakage-related is changed. It is in the housing interior a
  • Page 10 of 15 Heat exchange device arranged to dissipate a heat flow of the leakage at least in sections.

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Abstract

Hydromaschine (1) mit einem Gehäuseinnenraum (30) und einer darin um eine Drehachse (18) rotierbar gelagerten Gruppe (16) hydrostatischer Arbeitsräume, die bei Rotation der Gruppe alternierend mit einem Hochdruck und einem Niederdruck der Hydromaschine verbindbar sind und eine Leckage in den Gehäuseinnenraum hinein aufweisen, wobei im Gehäuseinnenraum (30) eine Wärmetauscheinrichtung (36) aufgenommen ist. Ein hydraulisches Aggregat und eine hydraulische Achse, jeweils mit einer solchen Hydromaschine, sind weiterhin offenbart.

Description

Hydromaschine, hydraulisches Aggregat mit der Hydromaschine, und hydraulische Achse mit der Hydromaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein hydraulisches Aggregat mit der Hydromaschine gemäß Anspruch 11, sowie eine hydraulische Achse mit der Hydromaschine gemäß Anspruch 12.
Herzstück eines hydraulischen Kreislaufs ist eine Hydromaschine, insbesondere eine Hydropumpe. Über sie wird mechanische in hydraulische, insbesondere in hydrostatische Energie eines von ihr geförderten Druckmittels gewandelt. Im Falle eines Betriebes als Hydromotor erfolgt die Wandlung in umgekehrter Richtung. Bei Energiewandlung treten Verluste auf, die im Falle des hydraulischen Kreislaufs insbesondere zur Erwärmung des Druckmittels führen. Dabei ist der in der oder den Hydromaschinen auftretende Verlust für den Großteil der Erwärmung des Druckmittels verantwortlich, ein weitaus kleinerer Teil ist von Strömungsverlusten in Leitungen verursacht. Besonders groß ist die Erwärmung des Druckmittels in der Hydropumpe.
Bei konventionellen Lösungen wird die in der Hydropumpe verlustbedingt anfallende thermische Energie vom geförderten Druckmittel in den hydraulischen Kreislauf hinein verschleppt bis sie mittels einem externen Wärmetauscher als Wärme an ein Kühlmittel abgeführt wird. Hierbei wird die thermische Energie auf ein großes Ölvolumen verteilt, wodurch eine große Menge an Druckmittel umzuwälzen ist, um die Wärme abzuführen. Aufgrund der großen Druckmittelmenge ist aber auch ein DT zum rückkühlenden Kühlmittel vergleichsweise klein, sodass der Wirkungsgrad am externen Wärmetauscher klein ist und dessen Wärmeaustauschfläche groß sein muss, was Investitions- und Betriebskosten hoch hält.
Seite 1 von 15 Die Kühlung kann beispielsweise durch einen externen Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher erfolgen. Kühlmittel ist beispielsweise Wasser. Bei beiden
Wärmetauschern besteht das Risiko eines Wassereintritts in das Hydrauliköl, da die Öl- und Kühlwasserseite im Falle des Rohrbündelwärmetauschers nur über eine Dichtung und im Falle des Plattenwärmetauschers nur über eine dünne Lötschicht getrennt sind. Beide Dichtungen können durch betriebsbedingten Verschleiß versagen und so die
Betriebssicherheit der Hydromaschine und der von ihr versorgten Komponenten und Prozesse durch Wassereintritt in das Hydrauliköl gefährden.
Die Druckschriften DE 94 11 163 Ul, JPH 08 22 64 12 und DE 27 03 686 zeigen jeweils eine Lösung, bei der eine Kühlung mittels einer Spülung eines Gehäuseinnenraums der
Hydropumpe mit Druckmittel erfolgt. Das auf diese Weise aus der Hydropumpe
ausgetragene Druckmittel wird in einem gesondert angeordneten Wärmetauscher mit Wasser rückgekühlt wird. Auch hier ist die umzuwälzende Druckmittelmenge groß. Zudem muss die ausgespülte Menge permanent nachgespeist werden, was vorrichtungstechnischen Aufwand mit sich bringt.
Die Druckschrift CN 106 224 228 zeigt eine Hydraulikpumpe deren Gehäuse von einem Wärmerohr umwickelt ist. Die endgültige Abfuhr der Wärme erfolgt durch Rückkühlung des Mediums des Wärmerohres über ein Wasserbad. Nachteilig an dieser Lösung ist beispielsweise, dass das Wärmerohr durch seine außenseitige Exposition an der
Hydropumpe der Beschädigung durch Stoß ausgesetzt ist.
Eine verwandte Lösung zeigt die Druckschrift DE 10 2012 000 986 B3, in der ein Kühlmantel für eine Hydropumpe vorgeschlagen wird. Nachteilig hierbei ist, dass eine derartige
Kühlmantelkonstruktion vergleichsweise viel Bauraum beanspruchen kann.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zur Grunde, eine Hydromaschine mit effizienterer Kühlung, ein hydraulisches Aggregat mit der Hydromaschine und eine hydraulische Achse mit der Hydromaschine zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Hydromaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1, die zweite durch ein hydraulisches Aggregat mit den Merkmalen des
Seite 2 von 15 Anspruchs 11 und die letzte durch eine hydraulische Achse mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Hydromaschine hat einen Gehäuseinnenraum und eine darin um eine Drehachse rotierbar gelagerte Gruppe hydrostatischer Arbeitsräume. Diese sind bei Rotation der Gruppe alternierend mit einem Hochdruck und einem Niederdruck der Hydropumpe, insbesondere einem entsprechenden Anschluss, verbindbar. Im Betrieb der Hydromaschine erwärmt sich das Druckmittel. Die Arbeitsräume weisen dabei einen Leckagevolumenstrom in den Gehäuseinnenraum hinein auf. Erfindungsgemäß ist zur Kühlung im
Gehäuseinnenraum eine Wärmetauscheinrichtung aufgenommen. Insbesondere kommt diese in Kontakt mit dem Leckagevolumen oder -volumenstrom.
Durch die Anordnung der Wärmetauscheinrichtung derart nah am Ort der Erwärmung des Druckmittels, ist das DT besonders hoch. Auch ist eine turbulente Verwirbelung einer durch die Leckage im Gehäuseinnenraum vorhandenen Druckmittelmenge aufgrund der rotierenden Arbeitsräume hoch. Bereits einer der beiden genannten Faktoren führt zu einem verbesserten Wärmeübergang, beide zusammen machen den Wärmeübergang besonders effizient. Es reicht daher eine kleine und einfach aufgebaute Wärmeaustauschfläche im Gehäuseinnenraum aus. Durch die Aufnahme der Wärmetauscheinrichtung im
Gehäuseinnenraum ist eine besonders effiziente Anordnung der zur Kühlung benötigten Komponente realisiert.
Vorzugsweise sind die hydrostatischen Arbeitsräume jeweils von einer hydrostatischen Zylinder-Kolbeneinheit der Hydromaschine begrenzt.
Vorzugsweise ist die Hydromaschine eine Axialkolbenmaschine und die Zylinder sind von in einer rotierbaren Zylindertrommel ausgebildeten Zylinderbohrungen gebildet. In denen sind die Kolben axial verschieblich angeordnet.
Vorzugsweise ist die Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgebildet, wobei die Kolben an einer gehäusefest angeordneten oder verschwenkbar gelagerten
Seite 3 von 15 Schrägscheibe gleitend abgestützt sind. Alternativ ist eine Schrägachsenbauweise möglich, wobei die Kolbenköpfe drehfest mit einer zur Drehachse angestellten Triebwelle verbunden sind.
In einer Weiterbildung nimmt die Wärmetauscheinrichtung zumindest abschnittsweise einen Ringraum ein, der sich radial und axial zwischen einer Gehäuseinnenwandung und der Gruppe erstreckt. Der Ringraum bietet sich besonders an, da er ohnehin vorhanden ist und zur Anordnung der Wärmetauscheinrichtung nicht oder nur geringfügig erweitert werden muss. So baut die Hydromaschine trotz der im Gehäuseinnenraum angeordneten
Wärmetauscheinrichtung dennoch klein.
In einer Weiterbildung erstreckt sich der Ringraum in Richtung der Drehachse und um diese zumindest abschnittsweise zylindrisch. Dabei kann er alternativ oder ergänzend einen konischen oder ovalen Abschnitt aufweisen, um beispielsweise eine turbulente Verwirbelung des Leckagevolumens oder Leckagevolumenstromes zu begünstigen und so den
Wärmeübergang noch effizienter zu gestalten.
In einer Weiterbildung ist die Drehachse von der Wärmetauscheinrichtung ringförmig, insbesondere kreisringförmig, oder vieleckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, umgriffen. Die genannten Formen beziehen sich auf eine Projektion einer Kontur, insbesondere einer Außen- und / oder Innenkontur der Wärmetauscheinrichtung, in eine Ebene, deren Normale die Drehachse ist.
Vorzugsweise ist eine Wandung der Wärmetauscheinrichtung von einem Rohr gebildet. Insbesondere ist zumindest dessen Verlauf im Gehäuseinnenraum, Querschnitt,
Wandungsdicke und / oder Material zumindest in Abhängigkeit der bestimmungsgemäß zu übertragenden Wärme und / oder der bestimmungsgemäßen Temperatur des Druckmittels ausgelegt.
Vorzugsweise ist in der Wärmetauscheinrichtung ein Fluid einphasig oder zweiphasig angeordnet, insbesondere strömend angeordnet.
Eine einfache und kostengünstig zu fertigende Bauform der Wärmetauscheinrichtung ist gegeben, wenn diese sich in einer Weiterbildung zumindest abschnittsweise helix- oder wendelförmig um die Drehachse erstreckt. Dabei stellt sich ein der Bauform entsprechendes,
Seite 4 von 15 spezifisches Temperaturprofil entlang der Wendel auf der Seite des Kühlmittels und / oder auf der Seite des Gehäuseinnenraums ein.
Um ein anderes spezifisches Temperaturprofil entlang der Wendel auf der Seite des Kühlmittels und / oder auf der Seite des Gehäuseinnenraums einzustellen, erstreckt sich in einer alternativen Weiterbildung die Wärmetauscheinrichtung zumindest abschnittsweise ondulierend um die Drehachse und in Richtung der Drehachse. Dabei wechseln sich Abschnitte, die sich überwiegend parallel zur oder in Richtung der Drehachse erstrecken, mit Abschnitten, die sich überwiegend umfänglich um die Drehachse erstrecken, ab.
Um insbesondere eine größere Wärmetauschfläche bereitzustellen, erstreckt sich in einer Weiterbildung die Wärmetauscheinrichtung in Richtung radial zur Drehachse mit wenigstens zwei Wicklungen oder Lagen.
In einer einfach zu fertigenden Weiterbildung erstreckt sich eine erste Wicklung oder Lage radial innen in einer Richtung der Drehachse bis hin zu einem Scheitel der ersten Wicklung oder Lage, ist dort um einen Betrag mindestens eines Rohrdurchmessers der
Wärmetauscheinrichtung nach radial außen geführt und erstreckt sich mit einer zweiten Wicklung oder Lage vom Scheitel zurück in die entgegengesetzte Richtung.
Die Wärmetauscheinrichtung kann sich teil- oder vollumfänglich um die Drehachse erstrecken, sodass ein im Gehäuseinnenraum, insbesondere im Ringraum beanspruchter Bauraum einer Komponente der Hydromaschine von der Wärmetauscheinrichtung umgangen ist.
In einer Variante ist der Gehäuseinnenraum von einem Gehäuse begrenzt, das an einer gleichen Seite von einer um die Drehachse drehbaren Triebwelle, mit der die Zylinder- Kolbeneinheiten drehfest verbunden sind, und von einem Zulauf und oder einem Rücklauf der Wärmetauscheinrichtung durchgriffen ist.
In einer Variante ist der Gehäuseinnenraum von einem Gehäuse begrenzt, das an einer gleichen Seite Anschlüsse des Hochdrucks und des Niederdrucks aufweist und von einem Zulauf und / oder einem Rücklauf der Wärmetauscheinrichtung durchgriffen ist.
Vorzugsweise ist der Zulauf und / oder der Rücklauf außenseitig am Gehäuse gegen dieses abgedichtet. So ist die Dichtstelle einfach zugänglich, kontrollierbar und wartbar.
Seite 5 von 15 Ein hydraulisches Aggregat hat eine Hydromaschine, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist. Dabei sind fest mit der Hydromaschine, insbesondere mit deren Gehäuse, zumindest verbunden: eine Antriebsmaschine, insbesondere eine Elektromaschine, über die ein Drehmoment an die Hydromaschine übertragbar ist, und ein Druckmittelbehälter, der mit dem Niederdruck und / oder Hochdruck der Hydromaschine verbindbar ist. Der Druckmittelbehälter kann je nach Ausgestaltung eines hydraulischen Kreises, in den die Hydromaschine einbindbar ist, als offener Tank (offener Kreislauf) oder Druckausgleichsbehälter (geschlossener Kreislauf) ausgebildet sein.
Ein derartiges Aggregat ist beispielsweise zur Druckmittelversorgung eines Hydrozylinders vorgesehen.
Eine hydraulische Achse hat demgemäß eine Hydromaschine, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung. Dabei sind fest mit der Hydromaschine, insbesondere mit deren Gehäuse, zumindest verbunden: eine Antriebsmaschine, insbesondere Elektromaschine, über die ein Drehmoment an die Hydromaschine übertragbar ist, ein von der Hydromaschine mit Druckmittel versorgbarer Hydrozylinder und ein
Steuerblock, insbesondere Ventilsteuerblock, zur Steuerung der Druckmittelversorgung. Ergänzend kann, wie bereits oben erwähnt, ein Tank oder ein Druckmittelbehälter, der mit dem Niederdruck und / oder Hochdruck der Hydromaschine verbindbar ist, vorgesehen sein.
Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hydromaschine und ihrer
Wärmetauscheinrichtungen sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, in einem Längsschnitt,
Figur 2 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in einem Längsschnitt,
Figur 3 eine zweites Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung der
Axialkolbenpumpe gemäß Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 4 die Wärmetauscheinrichtung gemäß Figur 3 in einer Seitenansicht,
Seite 6 von 15 Figur 5 die Wärmetauscheinrichtung gemäß den Figuren 3 und 4 in einer Ansicht in Richtung der Längsachse,
Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung in einer
perspektivischen Ansicht,
Figur 7 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit der Wärmetauscheinrichtung gemäß Figur 6,
Figur 8 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt,
Figur 9 eine Wärmetauscheinrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht und einer Draufsicht, und
Figur 10 eine Wärmetauscheinrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht.
Gemäß Figur 1 hat ein erstes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Axialkolbenpumpe 1 ein Gehäuse 2 mit einem ringförmigem Gehäusemantel 4, der stirnseitig einerseits von einem Durchtriebdeckel 6 und andererseits von einem Anschlussdeckel 8 verschlossen ist.
Im Gehäuse 2 ist über Wälzlager 10, 12 eine Triebwelle 14 drehbar gelagert. Drehfest mit der Triebwelle 14 verbunden ist eine Zylindertrommel 16, in die entlang einem konzentrisch zur Drehachse 18 angeordneten Teilkreis eine Vielzahl von Zylinderbohrungen parallel zur Drehachse 18 eingebracht ist. In der jeweiligen Zylinderbohrung ist ein hydrostatischer Arbeitskolben 20 axialverschieblich geführt und seitens des Gehäusedeckels 6 an einer fest im Gehäuse 2 angeordneten Schrägscheibe 22 gleitend abgestützt. Im Bereich des Anschlussdeckels 8 ist zwischen der Zylindertrommel 16 und dem Anschlussdeckel 8 eine von Durchgangsausnehmungen (nicht dargestellt) durchsetzte Steuerscheibe 24 angeordnet. Die Durchgangsausnehmung (Drucknieren) sind dabei in Druckmittelverbindung mit einem Hochdruckanschluss 26 und einem Niederdruckanschluss 28 des
Anschlussdeckels 8.
Bei Drehung der Triebwelle 14, und damit der Zylindertrommel 16, sind die hydrostatischen Arbeitsräume über ihre zu den Anschlüssen 26, 28 weisenden Mündungen alternierend mit Hoch- und Niederdruck verbunden.
Im Gehäuse 2 ist ein Gehäuseinnenraum 30 ausgebildet. Radial zwischen der
Zylindertrommel 16 und einer Gehäuseinnenwandung 32 ist ein Ringraum 34 ausgebildet. In
Seite 7 von 15 diesem und um die Drehachse 18 erstreckt sich eine wendelförmige
Wärmetauscheinrichtung 36 zur Abfuhr thermischer Energie aus dem Gehäuse 2. Wie vorbeschrieben liegt der heißeste und verlustbehaftetste Punkt in einem hydraulischen Kreislauf in der hydrostatischen Axialkolbenpumpe 1. Durch die im Ringraum 34 angeordnete Wärmetauscheinrichtung 36 wird die thermische Energie genau an diesem Punkt an ein in der Wendel strömendes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, übertragen. Dadurch ist ein DT an dieser Stelle sehr hoch und der Wärmeübergangskoeffizient a ebenfalls. Damit kann auf kleiner Wärmetauschfläche eine große Wärmemenge übertragen werden. In Folge entfällt ein bedeutend größerer Wärmetauscher, der extern zur Verfügung gestellt werden müsste. Auf diese Weise kann sowohl bei den Investitionskosten als auch den Betriebskosten eine Ersparnis erzielt werden. Außerdem lassen sich unmittelbar temperaturbedingte Verschleißerscheinungen an der hydrostatischen Axialkolbenpumpe minimieren, da diese immer im optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann.
Da die Wärme auf diese Weise am„heißesten Ort“ eines hydrostatischen Kreislaufs übertragen wird, kann die mittels dem Kühlwasser abgeführte thermische Energie gut weitergenutzt werden, da ihr Temperaturniveau besonders weit oberhalb der
Umgebungstemperatur hoch ist. Auf diese Weise kann beispielsweise sekundär eine Warmwasserversorgung mit Wärme versorgt werden. Dies kann beispielsweise durch eine 3-Wege-Schaltung umgesetzt werden, in der das Kühlwasser in der
Wärmetauscheinrichtung 36 solange zirkuliert, bis ein ausreichendes DT erreicht ist.
Durch den möglichen Entfall des externen Wärmetauschers entfällt auch die bereits weiter oben angesprochene, auf der relativ anfälligen Technik des Rohrbündelwärmetauschers oder Plattenwärmetauschers basierende, Fehlerquelle.
Auf eine weitergehende Erläuterung des grundlegenden Aufbaus und der grundlegenden Funktionsweise der hydrostatischen Axialkolbenmaschine 1 gemäß Figur 1, sowie der folgenden Ausführungsbeispiele, wird an dieser Stelle verzichtet, da dies hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die genannten Vorteil gelten auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
Figur 2 zeigt eine hydrostatische Axialkolbenpumpe 101 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist
Seite 8 von 15 dabei, dass sich die Wärmetauscheinrichtung 136 von derjenigen gemäß Figur 1 unterscheidet. Sie ist zwar ebenfalls als Wendel ausgestaltet, jedoch liegen die einzelnen Windungen der Wendel in Axialrichtung aneinander an. Zudem sind in Figur 2 ein Zulauf 38 und ein Rücklauf 40 der Wärmetauscheinrichtung 136 dargestellt. Beide 38, 40 durchsetzen den Gehäusedeckel 6 und sind an dessen Außenseite (nicht dargestellt) gegen das Gehäuse 2 abgedichtet. Durch den Zulauf 38 strömt in der Wendel der
Wärmetauscheinrichtung 136 Kühlwasser ein und nimmt auf seinem Weg durch die Wendel bis zum Rücklauf 40 von dem im Gehäuseinnenraum 134 turbulent durchwirbelten
Leckageöl Wärme auf.
Wie bei allen Ausführungsbeispielen erweist sich die durch die Zylindertrommel 16 im Ölbad des Gehäuseinnenraumes 30 erzeugte Turbulenz als vorteilhaft für den
Wärmeübergangskoeffizient der Wärmetauscheinrichtung 136. Durch die engere Anordnung der Wendeln der Wärmetauscheinrichtung 136 ist eine Wärmestromdichte, verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, erhöht.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen die Wärmetauscheinrichtung 136 gemäß Figur 2 in einer perspektivischen, einer Seiten- und einer Draufsicht. Der vergleichsweise kurze Zulauf 38 erstreckt sich parallel zur Drehachse 18 und ist im rechten Winkel, bezogen auf die
Drehachse 18 in Umfangsrichtung, abgewinkelt. In Folgendem verläuft die Wendel mit aneinander anliegende Windungen in Richtung der Drehachse 18 und umfänglich um diese herum, bis an einem Scheitel der Wärmetauscheinrichtung 136 das Wendelrohr tangential ausläuft und wieder im rechten Winkel, parallel zur Drehachse 18 abgewinkelt ist und als Rücklauf 40 zurückgeführt ist.
Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung 236, das auf der wendelförmigen Wärmetauscheinrichtung 36 gemäß Figur 1 aufbaut. Im Unterschied zu dieser weist die Wärmetauscheinrichtung 236 in Radialrichtung zwei Lagen oder
Wicklungen, anstatt nur einer, auf. Wie bereits das erste Ausführungsbeispiel 36 weisen die einzelnen Windungen in Richtung der Drehachse 18 einen Abstand zueinander auf. Auf diese Weise kann das turbulente Ölbad im Gehäuseinnenraum 30 auch die Zwischenräume zwischen den Windungen erreichen. Ausgehend von einem Zulauf 38 erstrecken sich innenliegende Windungen umfänglich und in Richtung zu der Achse 18 mit konstantem Wicklungsdurchmesser bis hin zu einem Scheitel der Wärmetauscheinrichtung 36. Hier wird
Seite 9 von 15 der Durchmesser der Wicklung auf einen größeren Radius erweitert und die Windungen werden in umgekehrter Richtung entlang der Drehachse 18 umfänglich um diese zurückgeführt. So ergeben sich zwei Wicklungen oder Lagen. Die außenliegende Wicklung läuft als Rücklauf 40 wieder auf der Seite des Zulaufs 38, parallel zu diesem, aus.
Figur 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer hydrostatischen Axialkolbenpumpe 201, das sich vom zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 im Wesentlichen durch die veränderte Wärmetauscheinrichtung 236 gemäß Figur 6 unterscheidet.
Ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen
Axialkolbenpumpe 301 zeigt Figur 8. Vom Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 unterscheidet sich es durch die abgewandelte Wärmetauscheinrichtung 336. Diese ist nun, anstatt wendelförmig, ondulierend ausgestaltet. Dabei ist ein Kranz von sich abwechselnd parallel zur Drehachse 18 erstreckenden und umfänglich abgewinkelten Abschnitten so aneinander gereiht, dass sich das Rohr der Wärmetauscheinrichtung 336 alternierend in
Umfangsrichtung um die Drehachse 18 erstreckt. Auf diese Weise kann ein von den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen abweichendes Temperaturprofil der Temperaturdifferenz DT realisiert werden.
Ein ganz ähnlich aufgebautes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung 436 zeigt Figur 9. Vom Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 unterscheidet sich die
Wärmetauscheinrichtung 436 dadurch, dass vergleichsweise wenige ondulierende
Abschnitte vorgesehen sind.
Ein letztes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung 536 zeigt Figur 10. Diese erstreckt sich stufenweise wendelförmig und hat zudem einen rechteckigen Querschnitt der Wendeln. Diese verlaufen abschnittsweise waagerecht, das heißt in einer Ebene, deren Normale die Drehachse 18 ist, und sind durch gegen die Ebenen jeweils angestellte Abschnitte miteinander verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine im Prinzip stufen- und wendelförmig gewickelte Wärmetauscheinrichtung.
Offenbart ist eine Hydromaschine mit einem Gehäuseinnenraum, in dem ein Triebwerk angeordnet ist, über das mechanische Energie in hydraulische Energie, und / oder umgekehrt, leckagebehaftet wandelbar ist. Dabei ist im Gehäuseinnenraum eine
Seite 10 von 15 Wärmetauscheinrichtung zur Abfuhr eines Wärmestroms der Leckage zumindest abschnittsweise angeordnet.
Offenbart sind weiterhin ein hydraulisches Aggregat und eine hydraulische Achse, die jeweils die Hydromaschine aufweisen.
Seite 11 von 15 Bezugszeichenliste
1; 101; 201; 301 hydrostatische Axialkolbenpumpe 2 Gehäuse
4 Gehäusemantel
6 Gehäusedeckel
8 Anschlussdeckel
10, 12 Wälzlager
14 Triebwelle
16 Zylindertrommel
18 Drehachse
20 Arbeitskolben
22 Schrägscheibe
24 Steuerscheibe
26 Hochdruckanschluss
28 Niederdruckanschluss
30 Gehäuseinnenraum
32 Gehäuseinnenwandung
34; 134; 234; 334 Ringraum
36; 136; 236; 336; 436; 536 Wärmetauscheinrichtung
Seite 12 von 15

Claims

Patentansprüche
1. Hydromaschine mit einem Gehäuseinnenraum (30) und einer darin um eine
Drehachse (18) rotierbar gelagerten Gruppe hydrostatischer Arbeitsräume, die bei Rotation der Gruppe alternierend mit einem Hochdruck (26) und einem Niederdruck (28) der Hydromaschine verbindbar sind und eine Leckage in den
Gehäuseinnenraum (30) hinein aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (30) eine Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236; 336; 436; 536) aufgenommen ist.
2. Hydromaschine nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236;
336) zumindest abschnittsweise einen Ringraum (34; 134; 234; 334) einnimmt, der sich zwischen einer Gehäuseinnenwandung (32; 132; 232; 332) und die
Arbeitsräume begrenzenden, hydrostatischen Zylinder-Kolbeneinheiten erstreckt.
3. Hydromaschine nach Anspruch 2, wobei sich der Ringraum (32; 132; 232; 332) in
Richtung der Drehachse (18) und um diese, insbesondere überwiegend zylindrisch oder konisch oder oval, erstreckt.
4. Hydromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Drehachse (18) von der
Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236; 336) ringförmig, insbesondere
kreisringförmig, oder vieleckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, umgriffen ist.
5. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Wandung der Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236; 336; 436; 536) von einem Rohr gebildet ist.
6. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der
Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236; 336) ein Fluid einphasig oder zweiphasig angeordnet ist.
7. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die
Wärmetauscheinrichtung (36; 136; 236; 536) zumindest abschnittsweise helixförmig oder wendelförmig um die Drehachse (18) ) und in Richtung der Drehachse (18) erstreckt.
Seite 13 von 15
8. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die
Wärmetauscheinrichtung (336; 436) zumindest abschnittsweise ondulierend um die Drehachse (18) und in Richtung der Drehachse (18) erstreckt
9. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die
Wärmetauscheinrichtung (236) in Richtung radial zur Drehachse (18) mit wenigstens zwei Wicklungen oder Lagen erstreckt.
10. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem den
Gehäuseinnenraum begrenzenden Gehäuse (2, 4, 6, 8), das an einer gleichen Seite (6) von einer um die Drehachse (18) drehbaren Triebwelle (14), mit der die Zylinder-Kolbeneinheiten drehtest verbunden sind, und von einem Zulauf (38) und einem Rücklauf (40) der Wärmetauscheinrichtung (136; 336) durchgriffen ist, oder das an einer gleichen Seite Anschlüsse des Hochdrucks und des Niederdrucks aufweist und von einem Zulauf und einem Rücklauf der Wärmetauscheinrichtung durchgriffen ist.
11. Hydraulisches Aggregat mit einer Hydromaschine, die gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei fest mit der Hydromaschine zumindest verbunden sind: eine Antriebsmaschine, insbesondere Elektromaschine, über die ein Drehmoment an die Hydromaschine übertragbar ist, und ein
Druckmittelbehälter, der mit dem Niederdruck und / oder Hochdruck der
Hydromaschine verbindbar ist.
12. Hydraulische Achse mit einer Hydromaschine, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis
11 ausgebildet ist, wobei fest mit der Hydromaschine zumindest verbunden sind: eine Antriebsmaschine, insbesondere Elektromaschine, über die ein Drehmoment an die Hydromaschine übertragbar ist, ein von der Hydromaschine mit Druckmittel versorgbarer Hydrozylinder und ein Steuerblock, insbesondere Ventilsteuerblock, zur Steuerung der Druckmittelversorgung.
Seite 14 von 15
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