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Die Erfindung betrifft eine Druckspeichervorrichtung zur Verbindung mit einer hydraulischen Anlage, wobei die Druckspeichervorrichtung wenigstens ein Speicherelement zur Speicherung von Druckenergie und eine Speicherleitung zur Verbindung des Speicherelements mit der hydraulischen Anlage aufweist.
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Druckspeicher werden zum Beispiel dazu vorgesehen, Energie, die bei der Rückgewinnung von Bewegungsenergie entsteht, zwischenzuspeichern und so für eine spätere Nutzung zugänglich zu machen. Aus der
DE 10 2006 042 390 A1 ist beispielsweise eine hydraulische Anlage bekannt, mittels derer kinetische Energie eines Fahrzeugs in Druckenergie umgewandelt werden kann. Eine solche Anlage verwendet zur Speicherung der hydrostatischen Energie einen Druckspeicher, der mit der hydraulischen Anlage über eine Speicherleitung verbunden ist. Problematisch an solchen Anlagen ist es, dass unter Umständen über einen längeren Zeitraum die Druckenergie in dem Speicherelement gespeichert sein muss. Um hinreichende Energiemengen speichern zu können, sind in den Speichern regelmäßig hohe Drücke vorhanden. Diese hohen Drücke werden vor allen Dingen auch beim Abschalten der Anlage aufrechterhalten, um nach dem Start wieder zur Verfügung zu stehen. Deswegen ist eine Dichtigkeit eines solchen Systems von besonderer Bedeutung. Denn bereits in abgestelltem Zustand könnte bei einer geringen Leckage aufgrund des hohen Drucks bereits eine beträchtliche Druckmittelmenge austreten. Nicht nur aus Umweltgesichtspunkten muss dies zuverlässig verhindert werden. Zum Schutz der Umwelt ist es bekannt, Leckage z. B. mittels einer Ölwanne aufzufangen.
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Nachteilig an den bekannten Anlagen ist es, dass eine Erfassung der Leckage aus dem Druckspeicher regelmäßig nicht erfolgt und Leckage aus der Druckspeichervorrichtung somit nicht aktiv unterbunden wird. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckspeichervorrichtung zu schaffen, bei der eine Leckage sicher detektiert wird und die ein weiteres Austreten von Druckmittel verhindert.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Druckspeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Druckspeichervorrichtung nach Anspruch 1 weist die Druckspeichervorrichtung ein Speicherelement und eine Speicherleitung zur Verbindung des Speicherelements mit der hydraulischen Anlage auf. Das Speicherelement und/oder die Speicherleitung werden von einer Ummantelung umgeben. Die Ummantelung bildet ein das Speicherelement und/oder die Speicherleitung umgebendes geschlossenes Volumen aus. Ferner ist eine Vorrichtung, die mit dem Speicherelement verbunden ist, vorgesehen, so dass bei Auftreten einer Leckage das Speicherelement entspannt werden kann und so der hydraulische Druck reduziert wird. Durch die Entspannung des Speicherelements sinkt der Druck und die weitere Leckage von Druckmittel aus dem Speicherelement bzw. aus der gesamten Speichervorrichtung wird verhindert. Bei der Erfindung wird durch die Ummantelung, die das Speicherelement und/oder die Speicherleitung umgibt, ein Austreten von Druckmittel in die Ummantelung hinein erkannt. Das geschlossene Volumen, welches durch die Ummantelung gebildet wird, führt bei Eintritt von Leckagefluid in das Volumen zu einer Druckerhöhung, welche durch eine Druckerfassungsvorrichtung detektierbar ist. Als Reaktion auf eine erkannte Druckerhöhung kann dann die Vorrichtung betätigt werden, die den hydraulischen Druck reduziert.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Druckspeichervorrichtung angegeben.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Speicherelement ein hydropneumatischer Blasenspeicher ist, wobei dessen Gasdruck mittels der Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks reduzierbar ist. In einem solchen Fall kann ein Pneumatikventil vorgesehen werden, um den Gasdruck in der Druckspeichervorrichtung und somit den hydraulischen Druck zu reduzieren. Ein Eingreifen in die hydraulischen Komponenten ist daher nicht erforderlich. Da in der Regel Blasenspeicher mit Stickstoff gefüllt sind, ist eine solche Anordnung besonders unbedenklich hinsichtlich Umweltschäden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Ventilvorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks mit einem Aktuator umfasst, wobei der Aktuator in Reaktion auf einen Druckanstieg in dem geschlossenen Volumen der Ummantelung ansteuerbar ist. Aufgrund einer Leckage in die Ummantelung hinein kommt es innerhalb der Ummantelung zu einem Druckanstieg. Die dichte Hülle der Ummantelung ermöglicht es, diesen Druckanstieg zu detektieren und zur Betätigung des Aktuators als Reaktion auf den Druckanstieg zu verwenden. Dabei kann insbesondere und besonders einfach unmittelbar eine Messfläche des Aktuators durch eine von dem Druck innerhalb der Ummantelung abhängigen Kraft beaufschlagt werden und so das Druckerfassungsmittel bilden. Im einfachsten Fall wird hierzu eine Verbindungsleitung zwischen dem Aktuator der Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks und dem geschlossenen Volumen der Ummantelung hergestellt.
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Alternativ kann auch eine elektrische Ansteuerung der Entspannungsvorrichtung erfolgen. Der Aktuator ist dann beispielsweise ein ein Pneumatikventil ansteuernder Elektromagnet. Der Druckanstieg innerhalb der Ummantelung wird mithilfe einer Sensorik als Druckerfassungsmittel erfasst, beispielsweise einem Drucksensor. Dieser Drucksensor ist mit dem Steuergerät verbunden, welcher seinerseits ein Signal zur Ansteuerung des Aktuators ausgibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer erkannten Leckage, also einem Druckanstieg innerhalb der Ummantelung durch das Steuergerät zusätzlich die Steuerung der mit der Druckspeichervorrichtung verbundenen hydraulischen Anlage ganz oder teilweise abgeschaltet wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass bei der beispielhaft genannten Vorrichtung zur Energierückgewinnung weiterhin Druckmittel in den dann entspannten Blasenspeicher gefördert wird. Das Steuergerät weist hierzu einen Steuerungsabschnitt auf, der so eingerichtet ist, dass er ein weiteres Steuersignal ausgibt, welche geeignet ist, die angeschlossene hydraulische Anlage abzuschalten.
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Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform ist zur Ansteuerung des Aktuators ein Druckschalter als Druckerfassungsmittel in der Ummantelung vorgesehen. Bei einem solchen Druckschalter wird unmittelbar durch den Anstieg des Drucks innerhalb der Ummantelung ein elektrisches Signal erzeugt, mit welchem ein Elektromagnet als Aktuator der Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks ansteuerbar ist. Komplexe elektronische Komponenten können somit entfallen.
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Um auch bei geringen Leckagemessungen bereits sicher einen Druckanstieg innerhalb des geschlossenen Volumens zu detektieren, ist es vorteilhaft ein Quellmittel in der Ummantelung vorzusehen. Tritt Leckagefluid aus dem Speicherelement oder der Speicherleitung aus und kommt in dem geschlossenen Volumen mit dem Quellmittel in Kontakt, so führt die Reaktion des Quellmittels zu einer Verstärkung des Druckanstiegs. An dieser Stelle sei noch einmal betont, dass die primäre Funktion der Ummantelung nicht etwa das Auffangen von austretendem Druckmittel ist, sondern das Ausbilden eines geschlossenen Volumens um das Speicherelement und/oder die Speicherleitung herum. Denn ein solchermaßen geschlossenes Volumen erlaubt zusammen mit der Druckerfassungsvorrichtung das Detektieren der Leckage.
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Um seinerseits einen starken Druckanstieg innerhalb der Ummantelung bei größeren Leckagemengen zu verhindern, ist es vorteilhaft, die Ummantelung mit einer Entlastungsvorrichtung zu verbinden. Mithilfe einer solchen Entlastungsvorrichtung kann der Druck innerhalb der Ummantelung auf einen Maximalwert begrenzt werden. Dieser Maximalwert liegt geringfügig höher als der zur Detektierung der Leckage erforderliche Druck. Bei Verwendung einer solchen Entlastungsvorrichtung kann die Ummantelung selbst schwächer dimensioniert werden und damit erheblich Gewicht eingespart wird. Die Entlastungsvorrichtung kann beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil oder ein federbelastetes Rückschlagventil aufweisen. Alternativ kann die Entlastungsvorrichtung auch ein elektromagnetisches Schaltventil umfassen, welches insbesondere über das erläuterte Steuergerät angesteuert wird.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Druckspeichervorrichtung werden anhand der Zeichnungen nachfolgend im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel mit einer pneumatischen Ansteuerung der Entspannungsvorrichtung; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Ansteuerung der Entspannungsvorrichtung mittels eines Steuergeräts.
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Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Druckspeichervorrichtung 1 im Zusammenhang mit einer beispielhaft dargestellten hydraulischen Anlage 2. Die hydraulische Anlage 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, um kinetische Energie eines Fahrantriebs zurückzugewinnen. Die hydraulische Anlage 2 umfasst eine hydrostatische Maschine 3, die mit einem Antriebsstrang 4 eines Fahrzeugs verbunden ist. Zur Vorgabe des einstellbaren Schluck- bzw. Fördervolumens der hydrostatischen Maschine 3 ist eine Steuereinheit 5 vorgesehen. Die Steuereinheit 5 empfängt Steuersignale von einem Fahrpedal 6.
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Mit dieser hydrostatischen Anlage 2 ist die erfindungsgemäße Druckspeichervorrichtung 1 verbunden. Die Druckspeichervorrichtung 1 weist einen Blasenspeicher 7 als Speicherelement auf. In dem Blasenspeicher 7 werden ein Druckmittelvolumen 8 und ein Gasvolumen 9 durch eine Membran voneinander getrennt. Zur Speicherung von Druckenergie ist eine Speicherleitung 10 mit dem Blasenspeicher 7 einerseits und einer Arbeitsleitung 11 der hydraulischen Anlage 2 andererseits verbunden. Zur Speicherung von Druckenergie wird die hydrostatische Maschine 3 als Pumpe betrieben und fördert über die Arbeitsleitung 11 und die Speicherleitung 10 Druckmittel in den Blasenspeicher 7. Dadurch kommt es zu einer Druckerhöhung in dem Gasvolumen 9.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Ummantelung 12 vorgesehen, die sowohl die Speicherleitung 10 als auch den Blasenspeicher 7 vollständig umgibt. Die Ummantelung 12 ist ihrerseits druckdicht ausgeführt und reicht bis zur Verbindung zwischen der Arbeitsleitung 11 und der Speicherleitung 10. Alternativ könnte die Ummantelung auch nur den Blasenspeicher 7 oder nur die Speicherleitung 10 umfassen. Die Ummantelung kann auch in einzelne Abschnitte untergliedert sein. Das System der Erfassung einer Druckerhöhung des geschlossenen Volumens 15 innerhalb der Ummantelung 12 ändert sich dadurch nicht.
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Die gezeigte Ummantelung 12 umgibt die Speicherleitung 10 und den Blasenspeicher 7 so, dass innerhalb der Ummantelung 12, aber außerhalb des Blasenspeichers 7 und der Speicherleitung 10 ein geschlossenes Volumen 15 ausgebildet ist. In dieses Volumen tritt evtl. aus dem Blasenspeicher 7 oder der Speicherleitung 10 austretendes Leckagefluid ein.
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Mit dem Gasvolumen 9 ist als Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks ein Pneumatikventil 14 vorgesehen. Mithilfe des Pneumatikventils 14 ist das Gasvolumen 9 in die Umgebung entspannbar. Hierzu ist an der Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks ein Auslass 17 vorgesehen, der in einer aktivierten Position des Pneumatikventils 14 mit dem Gasvolumen 9 durchströmbar verbunden ist. In der Ruheposition des Pneumatikventils 14 ist der Auslass 17 von dem Gasvolumen getrennt. Die Ruheposition ist über eine Druckfeder 21 definiert, die das Pneumatikventil 14 beaufschlagt.
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Zur Betätigung des Pneumatikventils 14 ist ein Aktuator vorgesehen. Der Aktuator ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 in Form einer Messfläche 19 ausgebildet. Die Messfläche 19 wird unmittelbar mit dem Druck innerhalb des geschlossenen Volumens 15 beaufschlagt und bildet so gleichzeitig eine Druckerfassungsvorrichtung aus. Hierzu ist eine Verbindungsleitung 18 vorgesehen, die von der Ummantelung 12 abzweigt und das durch die Ummantelung 12 eingeschlossene Volumen mit der Messfläche 19 verbindet.
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Um bei großen Leckagemengen einen Druckanstieg innerhalb der Ummantelung 19 zu vermeiden, welcher über das zur Betätigung des Pneumatikventils 14 erforderliche Mal hinausgeht, ist eine Entlastungsvorrichtung vorgesehen. Die Entlastungsvorrichtung wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein federbelastetes Rückschlagventil 20 realisiert. Das federbelastete Rückschlagventil 20 öffnet in Richtung eines Tankvolumens 13, sofern der Druck in dem geschlossenen Volumen der Ummantelung 12 und damit in der Verbindungsleitung 18 den durch die Feder vorgegebenen Wert übersteigt. Die Entlastung des geschlossenen Volumens erfolgt in das Tankvolumen 13, um sicherzustellen, dass bei der Öffnung des Rückschlagventils 20 eventuell austretendes Druckmittel, welches durch die Leckage in das geschlossene Volumen 15 der Ummantelung 12 gelangt, sicher aufgefangen wird.
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Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Druckspeichervorrichtung 1 in Zusammenhang mit der bevorzugten Verwendung eines Blasenspeichers 7. Es muss jedoch angemerkt werden, dass die Vorrichtung zur Reduzierung des hydraulischen Drucks gestaltet sein kann, um beispielsweise den hydraulischen Druck eines Speicherelement zu entspannen, bei dem das Flüssigkeitsvolumen durch einen federbelasteteten Kolben begrenzt ist. Wird das auf der Kolbenseite abgewandte Federlager durch die Vorrichtung bewegt, so kann eine Entspannung der Feder durchgeführt werden. Auch in diesem Fall wird das Flüssigkeitsvolumen entspannt und weiterer Austritt von Druckmittel wird vermieden.
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In dem geschlossenen Volumen 15 ist zur Verstärkung des Druckanstiegs bei eintretendem Leckagefluid ein Quellmittel 16 angeordnet.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckspeichervorrichtung 1' ist in der 2 dargestellt. Die bereits erläuterten Elemente werden nur dort noch einmal explizit genannt, wo es zum Verständnis der Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels erforderlich ist. Identische Elemente werden mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 14' zur Reduzierung des Drucks in dem Flüssigkeitsvolumen 8 nicht pneumatisch, sondern elektromagnetisch betätigt. Die Ventilvorrichtung ist wieder als 2/2-Wege-Ventil 14' ausgeführt, welches in seiner Ruheposition den Auslass 17 von dem Gasvolumen 9 trennt. Zur Ansteuerung des Ventils 14' ist ein Elektromagnet 26 als Aktuator vorgesehen. Dieser ist mit einem Steuergerät 23 verbunden. Das Steuergerät 23 ist seinerseits mit einem Drucksensor 27 als Druckerfassungsvorrichtung verbunden. Der Drucksensor 27 ist mit dem geschlossenen Volumen 15 in der Ummantelung 12 verbunden und erzeugt ein Spannungssignal, sofern der Druck in dem geschlossenen Volumen 15 der Ummantelung 12 einen eine Leckage anzeigenden Wert überschreitet. Wird der Schwellwert überschritten, so wird durch das Steuergerät 23 ein Steuersignal erzeugt, mit dem der Aktuator des Ventils 14' angesteuert wird. Zusätzlich weist das Steuergerät 23 eine Verbindung zu einer Warnlampe 25 auf, um einem Bediener des Fahrzeugs das Auftreten einer Leckage anzuzeigen.
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Das Steuergerät 23 ist ferner mit der Steuereinheit 5 der hydraulischen Anlage 2 verbunden und weist einen Steuerabschnitt 28 auf, mit dem ein Abschaltsignal an das Steuergerät 5 übermittelt werden kann. Das Ausgeben eines solchen Abschaltsignals ist vorzugsweise an die Ausgabe eines Betätigungssignals für den Elektromagneten 26 gekoppelt. Somit wird bei der Entscheidung, dass in dem geschlossenen Volumen 15 ein unzulässiger Druckanstieg registriert wurde, einerseits das Gasvolumen 9 entspannt und andererseits gleichzeitig über das Abschaltsignal die hydraulische Anlage 2 außer Betrieb genommen.
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Der Drucksensor 27 liefert vorzugsweise ein zu dem Druck in dem geschlossenen Volumen 15 proportionales Signal. Auf diese Weise kann nicht nur der Druckanstieg durch Leckage detektiert werden, sondern es werden auch Fehlauslösungen vermieden. Denn das erhaltene Spannungssignal, welches proportional zu dem Druck in dem geschlossenen Volumen 15 ist, kann in dem Steuergerät 23 hinsichtlich eines Temperatureinflusses korrigiert werden. Solche Temperatureinflüsse führen zwangsläufig in dem abgeschlossenen Volumen 15 der Ummantelung 12 zu Druckänderungen.
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Außerdem wird auf Basis des Signals von dem Drucksensor 27 bei einem unzulässigen Druckanstieg innerhalb der Ummantelung 12, die eine Beschädigung der Ummantelung 12 verursachen könnte, eine Entlastungsvorrichtung 22 betätigt. Die Entlastungsvorrichtung 22 ist wiederum ein 2/2-Wege-Ventil, welches durch eine Feder in seiner Ruheposition gehalten wird. In der Ruheposition ist das geschlossene Volumen 15 von einem Tankvolumen 12 getrennt. In seine geschaltete Position kann es ebenfalls mittels eines Elektromagnets gebracht werden, welcher hierzu ein Steuersignal von dem Steuergerät 23 erhält. In der geschalteten Position ist das Volumen 15 mit einem Tankvolumen 12 verbunden. Damit wird, wie schon im Ausführungsbeispiel nach 1, ein Entweichen von Druckmittel in die Umgebung verhindert.
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Es ist leicht einzusehen, dass die einzelnen Elemente der Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 miteinander kombiniert werden können. Insbesondere kann beispielsweise die Entlastungsvorrichtung 20 der 1 auch bei einem System mit einem Steuergerät 23 zur Vereinfachung eingesetzt werden. Außerdem ist es möglich, anstelle des Steuergeräts 23 auch den Aktuator 26 unmittelbar mittels eines Druckschalters anzusteuern. Der Druckschalter ersetzt dann den Drucksensor 27 und ist in der Ummantelung 12 angeordnet.
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Bei den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ist das geschlossene Volumen 15 mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft gefüllt. Durch eintretende Druckflüssigkeit wird der Gasdruck erhöht. Insbesondere bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 kann auch eine durch eine Temperaturänderung bedingte Druckänderung berücksichtigt werden. Alternativ kann das geschlossene Volumen 15 auch mit einer Flüssigkeit gefüllt sein. Flüssigkeiten sind inkompressibel, so dass eine kleine Leckagemenge schon einen deutlichen Druckanstieg bewirkt, auch wenn kein Quellmittel vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006042390 A1 [0002]
