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Die Erfindung betrifft eine Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein hydraulisches Aggregat mit der Hydromaschine gemäß Anspruch 14, sowie eine hydraulische Achse mit der Hydromaschine gemäß Anspruch 15.
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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 der 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.
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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 ΔT 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.
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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.
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Die Druckschriften
DE 94 11 163 U1 ,
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. Auch hier ist die umzuwälzende Druckmittelmenge groß. Zudem muss die ausgespülte Menge permanent nachgespeist werden, was vorrichtungstechnischen Aufwand mit sich bringt.
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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.
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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.
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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.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch ein hydraulisches Aggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und die dritte durch eine hydraulische Achse mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Hydromaschine hat ein Gehäuse und darin angeordnet ein mit Druckmittel durchströmtes Triebwerk zur hydraulischen Leistungswandlung. Im Betrieb der Hydromaschine erwärmt sich in der Hydromaschine, insbesondere im Triebwerk, das Druckmittel aufgrund von Reibung und ggf. anderer Verluste. Erfindungsgemäß erstreckt sich innerhalb einer Wandung des Gehäuses eine Wärmetauscheinrichtung zur Kühlung. Insbesondere erfolgt eine Wärmeübertragung von im Gehäuse rotierbar angeordneten Komponenten durch Wärmestrahlung an die Wärmetauscheinrichtung und / oder es erfolgt, sofern ein Leckagevolumenstrom vom Triebwerk in den Gehäuseinnenraum hinein gerichtet ist, eine Wärmeübertragung von einem turbulent im Gehäuseinnenraum verwirbelten Druckmittel durch Wärmedurchgang an die Wärmetauscheinrichtung.
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Durch die Anordnung der Wärmetauscheinrichtung derart nah am Ort der verlustbedingten Erwärmung ist das für den Wärmetausch zur Verfügung stehende ΔT hoch. Dadurch ist die Wärmeübertragung, sei es nun durch Wärmestrahlung oder durch Wärmedurchgang, oder durch beide Prozesse, besonders effizient. Es reicht daher bereits eine kleine Wärmetauschfläche der Wärmetauscheinrichtung innerhalb der Wandung aus.
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Die Wandung des Gehäuses bietet sich zur Aufnahme der Wärmetauscheinrichtung an, da das Gehäuse ohnehin zum Schutz und zur Lagerung die rotierbaren Komponenten vorhanden sein muss. Zur Anordnung der Wärmetauscheinrichtung innerhalb der Wandung muss diese gegenüber herkömmlichen Wandungen ohne Wärmetauscheinrichtung nur geringfügig erweitert sein. So baut die Hydromaschine trotz der innerhalb der Wandung angeordneten Wärmetauscheinrichtung dennoch klein.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Triebwerk eine um eine Drehachse rotierbar angeordnete, insbesondere gelagerte, Gruppe hydrostatischer Arbeitsräume auf. Diese sind bei Rotation alternierend mit einem Hochdruck und einem Niederdruck der Hydromaschine, insbesondere Hydropumpe, insbesondere mit einem dem jeweiligen Druck entsprechenden Anschluss der Hydromaschine, verbindbar.
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Vorzugsweise sind die hydrostatischen Arbeitsräume jeweils von einer hydrostatischen Zylinder-Kolbeneinheit der Hydromaschine begrenzt.
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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. In diesem Fall geht die Wärme insbesondere von der Zylindertrommel und den Kolben aus.
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Vorzugsweise ist die Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgebildet, wobei die Kolben an einer gehäusefest angeordneten oder verschwenkbar gelagerten Schrägscheibe gleitend, also unter Gleitreibung, abgestützt sind. Alternativ ist eine Schrägachsenbauweise möglich, wobei die Kolbenköpfe drehfest und schwenkbar, also unter Gleitreibung, mit einer zur Drehachse angestellten Triebwelle verbunden sind. In beiden Fällen geht die Wärme auch von den tribologischen Partnern aus.
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In einer Weiterbildung ist die Wandung von einem Mantelabschnitt des Gehäuses, der insbesondere die Drehachse oder die Gruppe zumindest abschnittsweise umfängt, gebildet.
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In einer alternativen Weiterbildung ist die Wandung von einem Innenmantelabschnitt des Gehäuses, der insbesondere die Drehachse oder die Gruppe zumindest abschnittsweise umfängt, und von einem daran außenseitig angrenzenden Außenabschnitt, in dem sich die Wärmetauscheinrichtung zumindest abschnittsweise erstreckt, gebildet. In diesem Fall ist die Wandung somit in einen ummantelnden Abschnitt, der lediglich die Funktion hat, den Gehäuseinnenraum zu kapseln, und in einen daran außenseitig angrenzenden, angesetzten oder befestigten Außenabschnitt, der die Funktion des Wärmetauschs erfüllt, unterteilt.
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Im Falle der unterteilten Wandung ist in einer Variante wenigstens ein Kanal der Wärmetauscheinrichtung, in dem ein Fluid zur Wärmeaufnahme angeordnet ist, in eine Innenmantelfläche des Außenabschnitts gefräst und von einer Dichtfläche abgedeckt. Die Dichtfläche schließt insbesondere fluiddicht und bündig mit einer Innenfläche des Außenabschnitts ab. Beispielsweise ist die Dichtfläche eine Außenmantelfläche des Innenmantelflächenabschnitts.
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Im Falle der unterteilten Wandung ist in einer anderen Variante steht eine Innenwandung des Außenabschnitts zwischen der Wärmetauscheinrichtung und dem Innenmantelabschnitt.
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Der Außenabschnitt kann plattenförmig ausgebildet sein. Dabei kann ein oder können mehrere Platten an den Innenmantelabschnitt an einer oder an mehreren Seiten angesetzt sein.
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Alternativ kann der Außenabschnitt mantelförmig ausgebildet sein und den Innenmantelabschnitt umfangen.
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In einer Weiterbildung ist der Mantelabschnitt oder der Innenmantelabschnitt des Gehäuses zumindest abschnittsweise zylindrisch oder zylindrisch bombiert oder konisch ausgebildet. Insbesondere umfängt er die oben genannte Drehachse und / oder Gruppe in zylindrischer oder zylindrisch bombierter oder konischer Form.
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In einer Weiterbildung weist eine Außenfläche des Gehäuses, insbesondere des Mantelabschnitts oder des Außenabschnitts, zumindest einen planaren Abschnitt auf. Auf diese Weise sind Anbauten, beispielsweise eine Antriebsmaschine zur Übertragung von Drehmoment an die Hydromaschine, oder ein Druckmittelbehälter zur kompakten Ausbildung eines hydraulischen Aggregates oder einer hydraulischen Achse auf einfache Weise am Gehäuse befestigbar.
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In einer Weiterbildung hat die Wandung eine zum Gehäuseinnenraum weisende Innenmantelfläche, die - insbesondere in einer Ebene, auf die die oben genannte Drehachse als Lot fällt - zumindest abschnittsweise einen kreisförmigen Querschnitt hat.
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In einer Weiterbildung erstreckt sich die Innenmantelfläche, insbesondere in Richtung der Drehachse und um diese herum, zumindest abschnittsweise zylindrisch. Dabei kann sie alternativ oder ergänzend einen konischen oder ovalen Abschnitt aufweisen, um beispielsweise eine turbulente Verwirbelung des Leckagevolumens oder - volumenstromes zu begünstigen und / oder eine Strahlungsabsorption zu begünstigen.
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In einer Weiterbildung ist die Wärmetauscheinrichtung ringförmig, insbesondere kreisringförmig, oder vieleckig, insbesondere vier- oder sechs- oder achteckig, ausgebildet. Die genannten Formen beziehen sich insbesondere auf eine Projektion einer Kontur, insbesondere einer Außen- und / oder Innenkontur der Wärmetauscheinrichtung, in eine Ebene, auf welche die oben genannte Drehachse das Lot fällt.
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In einer Weiterbildung erstreckt sich die Wärmetauscheinrichtung zylindrisch oder konvex bombiert zylindrisch.
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In einer Variante ist eine Wandung der Wärmetauscheinrichtung von einem Rohr gebildet. Insbesondere ist zumindest dessen Verlauf innerhalb der Wandung des Gehäuses, Querschnitt, Wandungsdicke und / oder Material zumindest in Abhängigkeit der bestimmungsgemäß zu übertragenden Wärme und / oder der bestimmungsgemäßen Temperatur des Druckmittels ausgelegt.
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In einer Weiterbildung ist das Rohr, insbesondere ein Stahlrohr, in die Wandung des Gehäuses eingegossen.
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Alternativ sind die Wärmetauscheinrichtung und die Wandung gegossen. Ein Kanal ist oder Kanäle der Wärmetauscheinrichtung sind dazu beim Gießen der Wandung mittels einem Gusskern, insbesondere mittels einem Sandkern, gefertigt.
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Eine weitere Alternative zur Herstellung besteht darin, die Wandung mit dem Kanal oder den Kanälen der Kühleinrichtung mittels einem additiven 3D-Metalldruck zu fertigen.
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In einer Variante ist die Wärmetauscheinrichtung von einem sich innerhalb der Wandung erstreckenden Ringraum, insbesondere zylindrischen Ringraum, gebildet. In einer alternativen Variante ist die Wärmetauscheinrichtung von einem sich innerhalb der Wandung erstreckenden Kanalnetz mit einander kreuzenden Kanälen gebildet. Die Kanäle können sich beispielsweise rechtwinklig, spitzwinklig / stumpfwinklig oder rautig kreuzen.
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Vorzugsweise ist in der Wärmetauscheinrichtung ein Fluid einphasig oder zweiphasig angeordnet, insbesondere in natürlicher Konvektion oder erzwungener Konvektion strömend angeordnet.
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Eine einfache und kostengünstig zu fertigende Bauform der Wärmetauscheinrichtung ist gegeben, wenn diese sich in einer Weiterbildung zumindest abschnittsweise helixförmig, insbesondere um die oben genannte Drehachse, erstreckt. Dabei stellt sich ein der Bauform entsprechendes, spezifisches Temperaturprofil entlang der Helix auf der Seite des Kühlmittels und auf der Seite des Gehäuseinnenraums ein.
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Um ein anderes spezifisches Temperaturprofil zu erhalten, erstreckt sich in einer alternativen Weiterbildung die Wärmetauscheinrichtung zumindest abschnittsweise ondulierend, insbesondere um die und in Richtung der oben genannten Drehachse. Dabei wechseln sich beispielsweise Abschnitte, die sich überwiegend parallel zur oder in Richtung der Drehachse erstrecken, mit Abschnitten, die sich überwiegend umfänglich um die Drehachse erstrecken, ab.
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Um insbesondere eine größere Wärmetauschfläche bereitzustellen, erstreckt sich in einer Weiterbildung die Wärmetauscheinrichtung, insbesondere in Richtung radial zur oben genannten Drehachse, mit wenigstens zwei oder mehr Lagen.
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In einer einfach zu fertigenden Weiterbildung erstreckt sich eine erste der Lagen radial innen, insbesondere in einer Richtung der oben genannten Drehachse, bis hin zu einem Scheitel der ersten Lage, ist dort um einen Betrag mindestens eines Rohrdurchmessers der Wärmetauscheinrichtung nach radial außen geführt und erstreckt sich mit einer zweiten Lage vom Scheitel zurück in die entgegengesetzte Richtung.
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Die Wärmetauscheinrichtung kann sich teil- oder vollumfänglich, insbesondere um die oben genannte Drehachse, erstrecken.
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In einer Weiterbildung der Hydromaschine erstreckt sich die Wärmetauscheinrichtung zumindest abschnittsweise in einem Gehäuseabschnitt, der aufgrund von Reibung einer tribologischen Paarung der Hydromaschine thermisch belastet ist. Insbesondere kann das ein Gehäuseabschnitt sein, in dem eine Triebwelle der Hydromaschine drehbar gelagert ist. Im Falle einer Axialkolbenmaschine sind dies beispielsweise ein Gehäuseboden und oder ein Anschlussdeckel des Gehäuses, welcher den Hoch- und den Niederdruckanschluss trägt.
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In einer Weiterbildung der Hydromaschine, insbesondere, wenn diese als Axialkolbenpumpe ausgebildet ist, erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Innenmantelfläche der Wandung, die insbesondere in Kontakt mit Leckagedruckmittel des Triebwerks bringbar ist, vergrößert, insbesondere gerippt oder geraut oder dergleichen ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine Wärmeübertragung erleichtert und eine Kühlleistung erhöht.
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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.
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Ein derartiges Aggregat ist beispielsweise zur Druckmittelversorgung eines Hydrozylinders vorgesehen.
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Dieser kann in einer Weiterbildung fest mit der Hydromaschine, insbesondere mit deren Gehäuse, verbunden sein.
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Eine hydraulische Achse 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 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.
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In einer Weiterbildung des Aggregats oder der Achse ist ein Kühlkreislauf vorgesehen, in den die Wärmetauscheinrichtung der Hydromaschine eingebunden ist.
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In einer Weiterbildung des Aggregats oder der Achse ist eine zusätzliche Wärmetauscheinrichtung - parallel oder in Reihe mit der Wärmetauscheinrichtung der Hydromaschine - in den Kühlkreislauf eingebunden, über die die Antriebsmaschine, insbesondere ein Umrichter, Netzteile und / oder eine Elektrik eines Elektromotors und / oder der Elektromotor selbst, kühlbar ist/sind.
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Bei einer Anordnung in Reihe erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Kühlmittelrücklauf oder -ablauf der Wärmetauscheinrichtung der Hydromaschine mit einem Kühlmittelzulauf den Kühlmittelzulauf der zusätzlichen Wärmetauscheinrichtung bildet, da eine die Antriebsmaschine, insbesondere der Umrichter, die Netzteile und / oder die Elektrik des Elektromotors und / oder der Elektromotor selbst eine höhere maximale Temperatur aufweisen als die Hydromaschine. So steht an jeder Wärmetauscheinrichtung ein ausreichendes ΔT zu Verfügung und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ist gut. Bei umgekehrter Reihenschaltung der Wärmetauscheinrichtungen (Kühlung der Hydromaschine mit dem Rücklaufvolumenstrom der Wärmetauscheinrichtung der elektrischen Komponenten), sinkt das ΔT zwischen der Heißseite (Hydromaschine) und dem zuströmenden Kühlmittel, und der Wirkungsgrad der Kühlung lässt nach.
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Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hydromaschine und ihrer Wärmetauscheinrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, in einem Längsschnitt,
- 2 eine hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in einem Längsschnitt,
- 3 bis 5 je eine Wärmetauscheinrichtung gemäß einem dritten bis fünften Ausführungsbeispiel, in einer Längsansicht und einer Draufsicht,
- 6 und 7 je eine Wärmetauscheinrichtung gemäß einem sechsten und siebten Ausführungsbeispiel, in einer abgewickelten Ansicht und in einem Querschnitt, und
- 8 bis 10 je eine Wärmetauscheinrichtung gemäß einem achten bis zehnten Ausführungsbeispiel, in einer abgewickelten Ansicht und in einem Längsschnitt.
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Gemäß 1 hat ein erstes Ausführungsbeispiel einer als hydrostatische Axialkolbenpumpe 1 ausgeführten Hydromaschine ein Gehäuse 2 mit einem Gehäusemantel 4 ringförmiger oder rechteckförmiger Außenkontur, 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 21 parallel zur Drehachse 18 eingebracht ist. In der jeweiligen Zylinderbohrung 21 ist ein hydrostatischer Arbeitskolben 20 axialverschieblich geführt und seitens des Gehäusedeckels 6 an einer fest im Gehäuse 2 angeordneten Schrägscheibe 22 gleitend abgestützt. Durch die Zylinderbohrung 21 und den Arbeitskolben 20 ist jeweils ein hydrostatischer Arbeitsraum begrenzt. Im Bereich des Anschlussdeckels 8 ist zwischen der Zylindertrommel 16 und dem Anschlussdeckel 8 eine von Durchgangsausnehmungen (Drucknieren, nicht dargestellt) durchsetzte Steuerscheibe 24 angeordnet. Die Durchgangsausnehmung sind dabei in Druckmittelverbindung mit einem Hochdruckanschluss 26 und einem Niederdruckanschluss 28 des Anschlussdeckels 8.
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Bei Drehung der Triebwelle 14, und damit der Zylindertrommel 16, sind die hydrostatischen Arbeitsräume über ihre zu den Anschlüssen 26, 28 weisenden Mündungen (nicht dargestellt) alternierend mit Hoch- und Niederdruck verbunden.
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Im Gehäuse 2 ist ein Gehäuseinnenraum 30 ausgebildet. Radial zwischen der Zylindertrommel 16 und einer Gehäuseinnenwandung 32 ist ein Ringraum 34 ausgebildet. Innerhalb einer Wandung des Gehäusemantels 4 erstreckt sich in Richtung der Drehachse 18 und umfänglich um diese herum eine Wärmetauscheinrichtung 36. Diese hat mehrere kreisringförmige Kanäle 37 zur Abfuhr thermischer Energie aus dem Gehäuseinnenraum 30, die sich konzentrisch um die Drehachse 18 erstrecken. Die Wärmetauscheinrichtung 36 weist daher eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf. Die kreisringförmigen Kanäle 37 sind an einer Scheitellinie der zylindrischen Grundform mit einem Kühlmittelzulauf und an einer diametral angeordneten Scheitellinie mit einem Kühlmittelrücklauf (beide nicht dargestellt) verbunden. Auf diese Weise kann Kühlmittel (Wasser) über den Kühlmittelzulauf in die Kanäle 37 einströmen, durchströmt diese in beiden sich von der Scheitellinie weg erstreckenden Schenkeln bis hin zum Kühlmittelablauf und nimmt dabei Wärme aus dem Gehäuseinnenraum 30 auf, und strömt dann über den Kühlmittelrücklauf wieder aus dem Gehäuse 2 aus. Wie vorbeschrieben liegt der Punkt mit der höchsten Wärmeentwicklung in einem hydraulischen Kreislauf meist in der hydrostatischen Axialkolbenpumpe 1. Durch die innerhalb der Wandung des Gehäusemantels 4 angeordnete Wärmetauscheinrichtung 36 wird die thermische Energie sehr nahe an diesem Punkt an ein in den Kanälen 37 strömendes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, übertragen. Dadurch ist ein ΔT an dieser Stelle sehr hoch und der Wärmeübergangskoeffizient α 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 1 minimieren, da diese immer im optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann.
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Da die Wärme auf diese Weise am „heißesten Ort“ des hydrostatischen Kreislaufs übertragen wird, kann die mittels dem Kühlwasser abgeführte thermische Energie gut weitergenutzt werden, da ihr Temperaturniveau besonders weit oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. 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 ΔT erreicht ist.
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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.
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Auf eine weitergehende Erläuterung des grundlegenden Aufbaus und der grundlegenden Funktionsweise der hydrostatischen Axialkolbenmaschine 1 gemäß 1, sowie der folgenden Ausführungsbeispiele, wird an dieser Stelle verzichtet, da dies hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die genannten Vorteile gelten auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
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2 zeigt eine hydrostatische Axialkolbenpumpe 101 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist dabei, dass sich die Wärmetauscheinrichtung 136 von derjenigen gemäß 1 unterscheidet.
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Verliefen im ersten Ausführungsbeispiel Kanäle ringförmig um die Drehachse 18, so weist die Wärmetauscheinrichtung 136 gemäß 2 mehrfach rautig gekreuzte Kanäle 137 und 139 auf, von denen in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur jeweils vier mit Bezugszeichen versehen sind.
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Diese bilden ein Kanalnetz aus, das sich mit zylindrisch-konvex bombierter Grundform um die Drehachse 18 erstreckt.
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Die Kanäle 137 und 139 münden mit ihren Endabschnitten jeweils in einen als Ringkanal ausgebildeten Kühlmittelzulauf 38 und ein Kühlmittelrücklauf 40 der Wärmetauscheinrichtung 136.
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Die Axialkolbenpumpe 1; 101 gemäß 1; 2 kann in zwei verschiedenen Ausprägungen ausgebildet sein: Mit Leckage oder ohne Leckage. Im erstgenannten Fall wird das durch Reibung der tribologischen Partner - diese sind insbesondere Paarungen aus Arbeitskolben 20 und Zylinderbohrung 21, Gleitschuh (nicht dargestellt) des Arbeitskolbens 20 und Schrägscheibe 22 - erwärmte Druckmittel über Leckagespalte in den Gehäuseinnenraum 30 abgeführt. Über die dort schnell rotierende Zylindertrommel 16 wird das sich dort sammelnde Leckagedruckmittel in turbulente Strömung versetzt. Dadurch ist der Wärmeübergangskoeffizient α vom Druckmittel an die Gehäuseinnenwandung 32 und in Folge an die Wärmetauscheinrichtung 36; 136 gut.
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Im zweiten Fall, bei „trockener“ Axialkolbenpumpe, wird die an den tribologisch kritischen Stellen entstehende Wärme durch Wärmestrahlung an die Wandung 4; 104, und damit an die Wärmetauscheinrichtung 36; 136, übertragen.
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Die 3 bis 5 zeigen schematisch ein drittes bis fünftes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheinrichtung 236; 336; 436 in der Wandung 4 des Gehäuses 2, jeweils in einer Ansicht längs der Drehachse 18 und quer dazu.
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Gemäß 3a und 3b erstreckt sich die Wärmetauscheinrichtung 236 in Richtung der Drehachse 18 und umfänglich zu dieser in Form einer Helix vom Kühlmittelzulauf 38 an einem Endabschnitt der Helix zum Kühlmittelrücklauf 40 am anderen Endabschnitt der Helix. Gemäß 4a und 4b erstreckt sich die Wärmetauscheinrichtung 336 in Richtung der Drehachse 18 und umfänglich zu dieser in Form einer gestuften Helix mit rechteckigem Querschnitt vom Kühlmittelzulauf 38 an einem Endabschnitt der Helix zum Kühlmittelrücklauf 40 am anderen Endabschnitt der Helix.
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Gemäß 5a und 5b erstreckt sich die Wärmetauscheinrichtung 436 in Richtung der Drehachse 18, und umfänglich zu dieser, in ondulierender Form. Dabei ist ein Kranz von sich abwechselnd parallel zur Drehachse 18 erstreckenden Axialabschnitten und umfänglich abgebogenen Abschnitten so aneinander gereiht, dass sich das Rohr der Wärmetauscheinrichtung 436 alternierend in Umfangsrichtung und Axialrichtung um die Drehachse 18 herum erstreckt. Der Kühlmittelzulauf 38 und -rücklauf 40 sind dabei gemeinsam in einer Ebene, auf die die Drehachse 18 das Lot fällt, angeordnet.
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Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 zeigen die 6 und 7 Ausführungsbeispiele, bei denen die Wandung 4 zusammen mit der Wärmetauscheinrichtung 536; 636 und dem Zulauf 38 und Rücklauf 40 als reines Gussteil ausgebildet ist, das heißt, es ist bei Fertigung kein Stahlrohr sondern ein die Wärmetauscheinrichtung 536; 636 formender Gusskern (Sandkern) umgossen worden.
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Die Wärmetauscheinrichtung 536 gemäß 6 ist in Form eines Kanalnetzes mit einander kreuzenden Kanälen und die Wärmetauscheinrichtung 636 gemäß 7 ist als ringzylindrischer Hohlraum gebildet.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß den 8 bis 10 haben die Gemeinsamkeit, dass die Wandung des Gehäuses zumindest im Bereich der Wärmetauscheinrichtung 736; 836; 936 von einem Innenmantelabschnitt 4a des Gehäuses 2, der die Drehachse 18 umfängt, und von einem oder mehreren daran außenseitig angrenzenden Außenabschnitt(en) 4b des Gehäuses, in dem oder denen sich die Wärmetauscheinrichtung 736; 836; 936 erstreckt, gebildet ist.
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Der Außenabschnitt 4b kann als gesonderte Platte gebildet sein. Gemäß 8 ist die Wärmetauscheinrichtung 836 als eckig mäandernde Nut 44 in eine Innenmantelfläche des Außenabschnitts 4b gefräst und der Zulauf 38 und Rücklauf 40 sind gebohrt. Wichtig dabei ist eine korrekte Abdichtung der Nut 44, die im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Dichtfläche 42 erfolgt. Diese kann beispielsweise durch Kleben des Außenabschnitts 4b auf den Innenmantelabschnitt 4a ausgebildet sein.
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Die 9 und 10 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen der Außenabschnitt 4b nicht über eine Dichtfläche 42 sondern über eine Innenwandung 46 hin zum Mantelabschnitt 4a begrenzt ist. Die Wärmetauscheinrichtung 836 gemäß 9 erstreckt sich abgerundet mäandernd, die Wärmetauscheinrichtung 936 gemäß 10 in Form eines Kanalnetzes mit einander kreuzenden Kanälen. Die Wärmetauscheinrichtung 836; 936, inklusive dem Zulauf 38 und Rücklauf 40, ist in den Außenabschnitt 4b als Gusskern eingebracht.
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Die 6 bis 10 zeigen die Ausführungsbeispiele jeweils als abgewickelten, umfänglichen Schnitt einer Halbschale des Zylinders. Dabei sind Mündungen des Zulaufs 38 und Rücklaufs 40 diametral und axial beabstandet angeordnet, sodass das Kühlmittel den längsten Pfad in der Wärmetauscheinrichtung 536; 636; 936 zurücklegen muss.
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Offenbart ist eine Hydromaschine mit einem Gehäuse, in dem ein Triebwerk angeordnet ist, über das mechanische Energie in hydraulische Energie, und / oder umgekehrt, wandelbar ist. Dabei erstreckt sich zumindest abschnittsweise innerhalb einer Wandung des Gehäuses eine Wärmetauscheinrichtung zur Abfuhr eines Wärmestroms.
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Offenbart sind weiterhin ein hydraulisches Aggregat und eine hydraulische Achse, die jeweils die Hydromaschine aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 9411163 U1 [0005]
- JP H08226412 [0005]
- DE 2703686 [0005]
- CN 106224228 [0006]
- DE 102012000986 B3 [0007]
