Hydac Technology GmbH, Industriegebiet, 66280 Sulzbach/Saar

Entgasungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Entgasungsvorrichtung zum Entfernen von Gasen, wie Umgebungsluft, aus Fluiden, wie Öl.

In Druckfluiden, wie Hydraulikölen, kann Luft in gelöster und in ungelöster Form vorliegen. Gelöste Luft ist im Öl nicht sichtbar, aber immer zu einem gewissen Anteil vorhanden. Ungelöst ist Luft im Öl nicht immer vorliegend, ist aber, falls vorhanden, als zweite Phase sichtbar. Die Eigenschaften von Druckfluiden, wie Viskosität, Kompressionsmodul und Schmierfähigkeit, werden maßgeblich durch ungelöste Luft beeinträchtigt, jedoch beeinflusst Luft in gelöster Form auch bestimmte Eigenschaften des Druckfluids, beispielsweise das Alterungsverhalten und die Kavitationsneigung.

Die Menge an Luft, die maximal im betreffenden Öl gelöst werden kann, bestimmt sich durch die Sättigungskurve des jeweiligen Öls. Prinzipiell steigt aber die Löslichkeit mit steigendem Druck und ist in geringerem Maße auch von der Temperatur abhängig. Da sich in Hydrauliksystemen die Drücke und Temperaturen sowohl zeitlich als auch örtlich ändern, kann es beim Absinken des Drucks und damit der Löslichkeitsgrenze zu einem Herauslösen von Luft während des Betriebs kommen. Besonders in Bereichen mit geringem statischen Druck, z.B. in Steuerquerschnitten von Ventilen, ist dadurch die Ausbildung einer zweiten Phase (Bläschen) und daher das Entstehen von Schäden zu erwarten, beispielsweise durch Strömungskavitati- on. Weil die Ausscheidungsgeschwindigkeit größer als die Lösungsgeschwindigkeit ist, bleiben entstandene Luftbläschen auch bei erneutem Druckanstieg im Öl bestehen, wodurch sich zum einen die Eigenschaften der Druckflüssigkeit verändern und es zum anderen bei einem nachfolgen- den Druckanstieg zu Schäden durch Kavitationserosion kommen kann. Um einen sicheren Betrieb von Hydrauliksystemen zu gewährleisten, müssen daher Maßnahmen zur Entgasung des Druckfluids getroffen werden. Um eine besonders wirksame Entgasung zu erreichen, bei der das entgaste Fluid lediglich eine geringe Restkontamination enthält, wird derzeit das Verfahren der Vakuumverdampfung angewendet. Dieses hat zwar den Vorteil, dass gleichzeitig auch eine Entwässerung stattfindet, nachteilig sind jedoch der sehr hohe Energiebedarf und der aufwendige Aufbau der Vorrichtung. Zudem erfolgt meist eine unerwünschte Erhitzung des Öls, und es ist nicht möglich, die Entgasungsvorrichtung in einen Fluid-Hauptstrom des Fluidsystems zu integrieren.

Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine einfache und wirtschaftiich beireibbare Enigasungsvorrichtung für Fluide, wie Hydrauliköl, zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Entgasungsvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Demgemäß sieht die Erfindung für die Entgasung einen Permeationsprozess vor, der durch eine Membran stattfindet. Dabei wird zur Trennung eine dichte Membran ohne Poren genutzt, durch die ein Diffusionsprozess stattfindet. Im Vergleich zu anderen Entgasungsverfahren, wie dem Vakuumverdampfen, lässt sich der Diffusionsprozess mit sehr geringem Energieeinsatz durchführen, da als Triebkraft lediglich ein Partialdruckgefälle an der Membran erforderlich ist. Bei der Entgasung von Druckfluiden, wie Hydrauliköl in Hydrauliksystemen, kann der im System zur Verfügung stehende Druck zur Steigerung der Partialdruckdifferenz genutzt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Entgasung durch Überströmen einer Membran mit dem Fluid erfolgt, lässt sich der Entgasungsvorgang in vorteilhafter Weise innerhalb des Systems durchführen, und zwar sowohl in einem Bypass des Drucksystems als auch in einem Hauptvolumenstrom des Systems.

Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzte permeable Membran kann einen Silikon Werkstoff aufweisen, vorzugsweise vollständig aus Sili- kon bestehen.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist für die Abstützung der permeablen Membran ein Stützkörper vorgesehen, der aus einem Drahtgewebe, einem Sintermetall, einer Keramik oder einer anderen Struk- tur besteht, die jeweils Durchlässe oder Poren aufweist, deren freier Querschnitt einen Gasdurchtritt erlaubt.

Die permeable Membran kann mit ihrem Stützkörper in einem Behälter eine Fluidseite von einer Gasseite separieren, oder die Membran kann eine Fluidführung umfassen. Dergestalt kann der Entgasungsvorgang an einem Volumenstrom eines Hydrauliksystems erfolgen, der durch eine Rohrleitung strömt, die vom rohrförmigen Stützkörper ummantelt ist, an dessen Innenseite die permeable Membran anliegt, die den freien Rohrquerschnitt vom äußeren Stützkörper flüssigkeitsdicht trennt.

Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen beträgt der Permeationskoeffi- zient Q der Silikonmembran 200 bis 600 x 10 ^"17 m ² /s/Pa, vorzugsweise im Wertebereich zwischen 300 bis 400 x 10 ^"17 m ² /s/Pa, und liegt besonders bevorzugt im Wertebereich zwischen 370 und 380 x 10 ^"1 m ² /s/Pa. Eine mit Vorteil einsetzbare Silikonmembran ist als Silopren ^® LSR 2640 im Handel erhältlich. Mit besonderem Vorteil kann die Entgasungsvorrichtung in ein Hydrauliksystem integriert sein, das einen Niederdruck- und einen Hochdruck- Hydrospeicher aufweist, die als Energie-Rückgewinnungseinrichtung gassei- tig an einem hydrostatischen Antrieb, der vorzugsweise einen Vierquadran- tenbetrieb ermöglicht, angeschlossen sind, wobei die permeable Membran eine Entgasung des Fluids auf der Niederdruckseite der Energie-Rückgewinnungseinrichtung vornimmt.

Dabei kann die Anordnung mit besonderem Vorteil so getroffen sein, dass die Niederdruckseite der Energie-Rückgewinnungseinrichtung an den Behälter mit der permeablen Membran auf seiner Fluid-Eingangsseite angeschlossen ist und dass die Flüssigkeitsausgangsseite des Behälters an eine Fördereinrichtung in Form einer federbelasteten Differential-Kolbenpumpe oder einer Venturidüse angeschlossen ist. Dergestalt bildet die Entgasungs- Vorrichtung einen Bypass zur Niederdruckseite der Energie-Rückgewinnungseinrichtung.

Die federbelastete Differential-Kolbenpumpe kann für ihren Antrieb auf ihrer größeren Kolbenfläche mit dem Druck der Niederdruckseite des Nie- derdruckspeichers beaufschlagbar sein. Der Systemdruck der Niederdruckseite liefert dadurch den Antrieb für die Fördereinrichtung.

Die Gasseite des Behälters kann Umgebungsdruck aufweisen oder an eine Unterdruckeinrichtung angeschlossen sein, die die Partialdruckdifferenz an der Membran erhöht.

In besonders vorteilhafter Weise kann diese Unterdruckeinrichtung eine weitere federbelastete Differential-Kolbenpumpe aufweisen, die für ihren Antrieb auf ihrer größeren Kolbenfläche mit dem Druck der Niederdrucksei- te des Niederdruckspeichers beaufschlagbar ist und die in ihrer Bewegung mit der ersten Differential-Kolbenpumpe drucksynchronisiert ist. Der Sys- temdruck der Niederdruckseite liefert dadurch auch den Antrieb für die Unterdruckeinrichtung.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch vereinfacht und in Symboldarstellung den Hydraulikschaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung;

Fig. 2 bis 4 in der Fig. 1 entsprechender Darstellungsweise den Schaltplan für ein zweites bzw. drittes bzw. viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Rohrabschnitts einer Fluidführung mit einem fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung.

Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen ist die Erfindung an Beispielen erläutert, bei denen die Entgasungsvorrichtung Bestandteil der Energie- Rückgewinnungseinrichtung bei einem hydrostatischen Antriebssystem ist. Wie in dem Dokument DE 10 2008 062 836 B3 offenbart ist, die ein Beispiel eines derartigen Antriebssystems zeigt, weisen solche Systeme in Verbindung mit einem hydropneumatischen Hochdruckspeicher 2 und einem hydropneumatischen Niederdruckspeicher 4 einen durchschwenkbaren Vierquadrantenantrieb 6 auf, der über eine Welle 8 mit einem Radantrieb gekuppelt ist. Hochdruckspeicher 2 und Niederdruckspeicher 4 sind mit ihrer Ölseite 10 bzw. 12 mit dem Vierquadrantenantrieb 6 verbunden, der bei Bremsvorgängen im Pumpbetrieb zur Speicherung von Bremsenergie den Hochdruckspeicher 2 auflädt, und für Beschleunigungsvorgänge als vom Druckfluid des Hochdruckspeichers angetriebener Hydromotor arbei- tet, von dem entspanntes Fluid zum Niederdruckspeicher 4 gelangt. Dieser wiederum liefert für die Bremsenergie speichernde Ladevorgänge des Hochdruckspeichers 2 das Fluidvolumen. Im Betrieb ändert sich bei diesen Arbeitsspielen der Energie-Rückgewinnungseinrichtungen der Druck im Niederdruckspeicher 4 zwischen etwa 3 bar und etwa 1 5 bar.

Die zugehörige, erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung weist bei diesen Ausführungsbeispielen einen Behälter 14 auf, zu dem zur Entgasung Fluid 22 von der Niederdruckseite 16 der Energie-Rückgewinnungseinrichtung her über eine Leitung 18 zuführbar ist, die über ein Druckbegrenzungsven- til 20 in den Grund des Behälters 14 einmündet. Aus dem Behälter 14 ist das Fluid 22 über eine weitere Leitung 24 zur Niederdruckseite 16 rück- führbar. Die Entgasungsvorrichtung bildet bei dieser Anordnung einen Bypass zur Niederdruckseite 16 des zugeordneten Systems. Im Behälter 14 trennt eine Membran 26 den das zu entgasende Fluid 22 enthaltenden Raum von einem Raum 28, der die gasförmige Phase, die mittels Diffusion durch die Membran 26 hindurchgetreten ist, aufnimmt. Von der Oberseite des Raums 28 gelangt diese aus dem Fluid 22 entgaste Luft über eine Leitung 29 und über ein Entlüftungsfilter 30 zur Umgebung 32. Das Druckbegrenzungsventil 20 ist auf einen Wert eingestellt, bei dem der anliegende Druck der Niederdruckseite 16 auf einen Wert reduziert ist, der dem für den Diffusionsprozess gewünschten Partialdruckgefälle an der Membran 26 entspricht, also dem Druckgefälle gegenüber dem im Raum 28 herrschenden Umgebungsdruck. In der Leitung 24, die für das Rückströmen des Fluids 22 aus dem Behälter 14 zur Niederdruckseite vorgesehen ist, befindet sich eine Fördereinrichtung 34. Diese weist beim Beispiel von Fig. 1 eine Differential-Kolbenpumpe 36 auf, deren Differentialkolben 38 mit seiner kleineren Kolbenflä- che 40 in einem Verdrängerraum 42 für das zu fördernde Fluid 22 geführt ist, während die größere Kolbenfläche 44 in einem Antriebsraum 46 geführt ist. Der Verdrängerraum 42 ist über ein als Saugventil wirkendes Rückschlagventil 48 mit dem Grund des Behälters 14 und über ein als Druckventil wirkendes Rückschlagventil 50 mit der zur Niederdruckseite 16 zu- rückführenden Leitung 24 verbunden. Eine Druckfeder 52 spannt den Differentialkolben 38 in Richtung auf die Verkleinerung des Volumens des Verdrängerraums 42 vor. Über einen Abzweig 54 sind der Antriebsraum 46 und damit die größere Kolbenfläche 44 mit dem Druck der Niederdruckseite 16 des Systems beaufschlagt. Die Wirkung der Druckfeder 52 ist so ge- wählt, dass bei Betriebsphasen, bei denen der Druck der Niederdruckseite 16 unter einem Schwellenwert liegt, die Druckfeder den Kolben 38 zur Verkleinerung des Volumens des Verdrängerraums 42 bewegt, während bei Betriebsphasen mit den gegebenen Wert übersteigendem Druck der Niederdruckseite 16 der Druck im Antriebsraum 46 den Kolben 38 gegen die Wirkung der Druckfeder 52 bewegt, so dass sich bei wechselnden Betriebsphasen ein Arbeitsspiel der Kolbenpumpe 36 einstellt, wodurch ein Durchstrom des zu entgasenden Fluids 22 durch den Behälter 14 stattfindet.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich vom ersten Beispiel lediglich insofern, als Luft, die bei Bewegungen des Differentialkolbens 38 aus dem die Druckfeder 52 enthaltenden Raum 56 der Kolbenpumpe 36 verdrängt wird und gegebenenfalls mit Schmierstoffanteilen kontaminiert ist, nicht ungefiltert zur Umgebung gelangt. An diesem Raum 56 ist daher eine Leitung 58 angeschlossen, die mit der Leitung 29 in Verbindung ist, die die entgaste Luft aus dem Raum 28 des Behälters 14 abführt. Dabei ist die Leitung 58 an der Leitung 29 zwischen zwei Rückschlagventilen 62 und 64 angeschlossen, die jeweils zur Umgebung 32 hin druckbetätigt öffnen. Bei dieser Anordnung bildet die Differential-Kolbenpumpe 36 nicht nur die Fördereinrichtung 34 für den Fluidtransport, sondern bildet gleichzeitig eine Unterdruckeinrichtung, die bei Kolbenbewegungen, bei denen sich das Volumen des die Druckfeder 52 enthaltenden Raumes 56 vergrößert, in der Leitung 58 einen Unterdruck erzeugt, der über das dadurch öffnende Rückschlagventil 62 und über die Leitung 29 auch im Raum 28 des Behälters 14 und damit an der Membran 26 wirksam ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist außer der Differential- Kolbenpumpe 36, die die Fördereinrichtung 34 bildet, als Unterdruckeinrichtung 68 eine zweite Differential-Kolbenpumpe 70 vorgesehen. Wie bei der ersten Kolbenpumpe 36, wirkt der Differentialkolben 72 mit seiner kleineren Kolbenfläche 74 in einem Verdrängerraum 76, während sich die größere Kolbenfläche 76 in einem Antriebsraum 78 bewegt. Dieser ist, ebenso wie der Antriebsraum 46 der ersten Kolbenpumpe 36, mit dem Druck der Niederdruckseite 16 beaufschlagt. Wie bei der ersten Kolbenpumpe 36 ist der Kolben 72 für eine das Volumen des Antriebsraums 78 verkleinernde Bewegung durch eine Druckfeder 80 vorgespannt. Bei dieser Anordnung wirkt die zweite Kolbenpumpe 70 mit ihrem Verdrängerraum 76, der über eine Saugleitung 82 mit der Leitung 29 in einem zwischen den Rückschlagventilen 62 und 64 gelegenen Stelle verbunden ist, als Saugpumpe, die in der Leitung 29 und damit an der im Behälter 14 befindlichen Membran 26 einen Unterdruck erzeugt.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Fördereinrichtung 84 eine Venturidüse 86 aufweist, durch die in einem Bypass zum Vierquadrantenantrieb 6 ein Volumenstrom von der Ölseite 10 des Hochdruckspeichers 2 zur Niederdruckseite 16 hin strömt, wobei der Volumenstrom auf eine geringe Stärke mittels eines Druckreduzierventils 88 auf einen Wert begrenzt ist, der ausreicht, um am Sauganschluss 90 der Venturidüse 86 einen Unterdruck zu erzeugen, der zu einem Abstrom von entgastem Fluid 22 über die Leitung 24 zur Niederdruckseite 16 hin führt.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ermöglicht eine Entgasung innerhalb einer Fluidführung eines (nicht gezeigten) Fluidsystems. Die Membran 26 bildet hierbei die flüssigkeitsdichte Ummantelung des Innenraums eines Rohrabschnitts 92, dessen äußere Rohrwand für die Membran 26, die innenseitig mit dem Druck des zu entgasenden Fluids 22 beaufschlagt ist, einen Stützkörper 94 bildet. Dieser ist beim vorliegenden Beispiel durch ein Sintermetall gebildet, das eine den Luftdurchtritt ermöglichende Porosität aufweist. Anstelle eines Sintermetalls könnte als Werkstoff für den Stützkörper 94 ein Drahtgewebe, ein poröser Keramikwerkstoff oder eine andere Struktur vorgesehen sein, die Durchlässe oder Poren für einen Gasdurchtritt aufweist.

Wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen kann die Membran 26 mit Vorteil aus einem Silikonmaterial mit einer Dicke von 1 mm bis 2 mm ausgebildet sein, beispielsweise aus Silopren ^® LSR 2640, wobei die Materialdicke so gewählt ist, dass der Permeationskoeffizient Q in einem günstigen Wertebereich, vorzugsweise im Bereich zwischen 370 und

380 x 10 '7m7s/Pa liegt.