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Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden in Flüssigkeiten
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gelöster Gase Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Abscheiden von in Hydraulik-Flussigkeiten gelösten Gasen.
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Im Druckmittel von Hydroulik-Anlogen ist grundsatzlich Luft enthalten,
und zwar entweder ungelöste Luft in Form von Blasen oder molekulargelöste Luft.
Durch ungelöste Luft können Schäden an Geräten, Fehlschaltungen, Instabilität von
Servo-Geraten und vorzeitige Oxydation des Druckmittels eintreten. Molekulargelöste
Luft hat keinen schädlichen Einfluß, kann jedoch beim Auftreten von niedrige. Druck
und gleichzeitig vorhandenem Schergefalle aus dem Molekulargitter ausfallen und
damit ebenfalls Blasen bilden und zu den oben beschriebenen Schden führen. Es sind
daher Vorkehrungen zu treffen, um in Hydraulik-Anlagen das Druckmittel möglichst
weitgehend zu entgasen.
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Bekannt sind Drehströmungswirbler zum Trennen von Medien unterschiedlicher
Dichte, bestehend aus einer rototionssymmetrischen Wirbelkammer
mit
einem Einströmrohr in koaxialer Mündung für die zu trennenden Medien und gegenuberliegendem
Auslaß für die Medien geringerer Dichte sowie mit außermittig und den einströmenden
Medien schräg entgegen gerichteten Einlässen für ein Hilfsmedium zur Erzeugung einer
Drehströmung in Form einer äußeren, wendelförmigen Potentialströmung.
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Bekannt sind weiter Fliehkraftabscheider fUr Gase oder Flüssigkeiten
mit tangentialem oberen Rohrmediumeintritt und axialem Reinmediumaustritt, wobei
eine mit Stegen versehene Rille einen Spiralstrom erzeugt.
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In der Luftfahrtindustrie ist es bekannt, bei Triebwerken, insbesondere
Hochleistungs-Triebwerken, Luftabscheider fUr das zurUckfließende Schmieröl vorzusehen
(DT-AS 18 06 854), da das Schmieröl einen Luftanteil von 70 % erreichen kann und
mit diesem Luftanteil nicht mehr funktionsfähig ist. Das Schmieröl wird hierbei
kaskadenartig zu Schalensötzen transportiert, wobei die Luft entweichen kann.
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Das EntlUften von Hydraulik-Anlagen mit geschlossenen Behältern (z.B.
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von Luftfahrzeugen) wird in der Regel manuell durchgeführt. Meist
können nicht alle Luftsammelstellen wegen Unzugönglichkeit entlüftet werden. Teilweise
sind deshalb Luftabscheider eingesetzt, die über manuell betätigte Ventile die Luft
abscheiden. Ein automatisches Luftabscheidegerät fUr Luftfahrzeuge ist aus der US-PS
3 358 424 bekannt. Dieses Gerät arbeitet mit einer Blende, einer Strahipumpe und
Schwimmerventilen.
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Nachteilig ist hierbei insbesondere, daß das Gerät nach negativen
g-Belastungen, wie sie in der Luftfahrt auftreten können, nicht weiterarbeitet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum kontinuierlichen Entfernen von Gasen aus Hydraulik-FlUssigkeiten zu schaffen,
wobei der Sdttigungsdruck unter dem niedrigsten auftretenden Druck während des Betriebs
und des Stillstands der Hydraulik-Anlage liegt und keine fremde Hilfsenergie (Elektrik)
benötigt wird, das Gerät ferner mit Bypass betrieben werden kann, um die Zuverlassigkeit
der Hydroulik-Anlagen während der Abscheidung des Gases nicht wesentlich zu beeinträchtigen
und einen kontinuierlichen Durchsatz der Hydraulik-Flussigkeit zu ermöglichen, wobei
jedoch die Struktur der Hydraulik-Flussigkeit sich nicht verändert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß gelöst durch ein Verfahren, bei
dem der Raum innerhalb eines Zylinders durch Bewegung eines Kolbens vergrößert wird
und der Druck einer in den Raum einströmenden Flussigkeit sich vermindert, wodurch
in der Flussigkeit gelöste Gase frei werden und in einen Sammelraum gelangen.
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Eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens ist gekennzeichnet
durch einen Zylinder, in dem durch einen Kolben zwei getrennte Raume gebildet sind
und durch mit dem Kolben beiderseits verbundene Arbeitskolben, die die Bewegung
des Kolbens bewirken, durch in der Nahe der
Totpunktlagen des Kolbens
angeordnete Einströmleitungen für das flUssige Medium sowie im Bereich der Totpunktlagen
angeordnete Ventile zum Ausscheiden des aus den Druckmittel abgeschiedenen Gases
bei Bewegungsumkehr des Kolbens.
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Zur Steuerung der Kolbenbewegung ist es insbesondere vorteilhaft,
wenn die Arbeitskolben unterschiedliche Durchmesser aufweisen und ein Arbeitskolben
als Steuerkolben ausgebildet ist, der mit einem Steuerschieber in Verbindung steht.
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Mit Hilfe der automatischen Abspaltung der molekulargelösten Luft
aus der Hydraulik-Flüssigkeit und der Entfernung der blasenförmigen Luft aus hydraulischen
Anlagen bzw. Teilanlagen wird das bisher manuell durchgeführte EinlÜften vermieden,
wodurch Bodenstandszeiten und Kosten reduziert werden.
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Durch das automatische EntlUften wird die Lebensdauer der Systemkomponenten
erhöht, die Anfälligkeit von Stellorganen gegen Flattern verringert und die Zuverlässigkeit
und Flugsicherheit der Komponenten sowie der kompletten Anlage erhöht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der einzigen Figur, die nachfolgend beschrieben ist.
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Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Luftabscheidegertit mit einer Einströmleitung
2, die Uber Leitungen 4 und 6 mit einem Zylinder 8 in
Verbindung
steht. In den Einströmleitungen 4 und 6 befinden sich jeweils ein Rückschlagventil
10, 12 sowie eine Drossel 14, 16. Die Leitungen 4 und 6 munden in den Zylinder 8
nahe bei den Totpunktlagen eines Kolbens 18 ein. Kolben 18 kann sich im Zylinder
in Pfeilrichtung hin- und herbewegen; sein Antrieb wird später erläutert.
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Entgegengesetzt zur Schwerkraftrichtung befinden sich am Zylinder
zwei Ausströmleitungen 20, 22, die in eine gemeinsame Leitung 24 Uber RUckschlagventile
26, 28 einmünden. Leitung 24 steht in Verbindung mit einer Ausströmleitung 30, die
im oberen Teil von Fig. 1 gezeigt ist.
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Ein Kolben 18 innerhalb des Zylinders 8 ist einerseits mit einem Arbeitskolben
32 verbunden, der in einem Arbeitszylinder 34 beweglich ist. Arbeitszylinder 34
wird mittels einer Druckmittelleitung 36 mit dem Systemdruck pol beaufschlagt. An
der anderen Seite ist der Kolben 18 mit einem als Steuerkolben ausgebildeten Arbeitskolben
40 verbunden, dessen Zylinder 42 Uber eine Leitung 44 in Verbindung mit Leitung
36 steht. Arbeitskolben 40 ist weiter mittels einer Leitung 46 mit einem später
zu erlauternden Schaltventil 48 verbunden, wobei eine Leitung 50 Uber eine Drossel
52 sowohl mit dem Schaltventil 48 wie auch Mit einem Zylinder 42 des Kolbens 40
verbunden ist. Schließlich ist noch eine Verbindungsleitung 56 zwischen dem Zylinder
42 und der Ausströmleitung 30 vorhanden.
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Das Schaltventil 48 steht Uber eine Leitung 58 mit der Leitung 36
in Verbindung und weist ferner einen Anschluß an Leitung 30 auf. Der
Steuerkolben
60 weist verschiedene Steuerkanten auf und ist einseitig mittels einer Feder 62
vorgespannt. In der Leitung 46, die mit dem Schaltvntil 48 in Verbindung steht,
befindet sich noch eine Kapazität 64. Schließlich ist das Schaltventil 48 Uber die
Leitung 66 mit Betdtigungskolben 68, 70 für Absperrventile 72, 74 versehen. Die
Absperrventile weisen Leitungen 75, 76 auf, die Uber Ruckschlagventile 78, 80 in£Freie
münden.
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Absperrventile 72, 74 stehen Uber Leitungen 82, 84 mit Entluftungsventilen
86, 88 in Verbindung, die ihrerseits mit bereits erläuterten Leitungen 22, 20 verbunden
sind.
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Im folgend wird nun die Funktionsweise des Luftabscheidegeröts näher
erläutert. Das Luftabscheidegertit arbeitet nach dem Prinzip einer beidseitig wirkenden
Kolbenpumpe. Arbeitskolben 32 und Steuerkolben 40 werden mit Hochdrucköl beaufschlagt
und treiben Kolben 18 mit einer annähernd konstanten Geschwindigkeit an. Das Flächenverhältnis
des Arbeitskolbens 40 zu Arbeitskolben 32 ist 2:1. Da der Arbeitskolben 32 immer
mit dem Systemdruck po Uber Leitung 36 verbunden ist, wird mit Schaltung des Steuerkolbens
60 der Kolben 40 mit Druck beaufschlagt und läuft von links nach rechts oder nicht
beaufschlagt und läuft dann (durch Kolben 32 gedruckt) von rechts nach links. Der
Ablauf des Steuerzyklus wird weiter unten beschrieben.
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Die Abscheidung der gelösten Luft aus dem Druckmittel geschieht mit
Unterdruck im Entluftungsraum und Schergefälle in den Blenden 14 oder 16. Die Steuerung.
des Zyklus ist so ausgelegt, daß es keine Totlage gibt und das Gerät in jeder Stellung
des Kolbens 18 anläuft.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des Luftabscheidegerats werden
folgende Begriffsdefinitionen verwendet: Als Trennen wird das Austreten der im Druckmittel
gelöste Luft in Form von Blasen bezeichnet. Als Sammeln wird das Leiten der Blasen
zu einer Luftsammelstelle bezeichnet und als Ausscheiden der Vorgang bei dem die
gesammelte Luft ausgestoßen wird.
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Das Trennen läuft folgendermaßen ab: Zwischen Kolben 18 und Zylinder
8 sind zu beiden Seiten Arbeitsräume 90, 92 gebildet. Betrachtet wird der Arbeitsraum
90, wenn der Steuerkolben 40 mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben wird.
Uber die Blende 14 strömt nun Druckmittel niederen Druckniveaus in den Arbeitsraum
90. Die Blende ist so dimensioniert, daß z.B. 11 % weniger Druckmittel in den Arbeitsraum
strömt, als Volumen durch den Kolben 18 aufgezogen wird.
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Nach dem Hery'schen Gesetz gilt für schwache Lösungen, daß die Gasaufnahme
bei gleichbleibender Temperatur proportional dem Druck ist.
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Das Druckmittel, z.B. H 515 hat bei Normaldruck (1 bar) 11 % Luft
gelöst. Ist nun im Arbeitsraum 90 weniger Druckmittelvolumen als
Arbeitsvolumen,
so stellt sich Unterdruck ein (< 1 bar), so daß nach dem Henry'schen Gesetz gelöstes
Gas austritt und das freie Volumen einnimmt. Bei 11 % weniger Druckmittelvolumen
im Arbeitsraum stellt sich ein Druck von 0,5 bar ein, da 5,5 % Luft aus dem Druckmittel
austreten kann und bei 0,5 bar das Differenzvolumen von 11 % einnimmt.
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Das Austreten der Luft aus dem Druckmittel wird durch das Schergefälle
in der Blende 14 unterstützt. Ist weniger gelöste Luft im Druckmittel, so stellt
sich ein niederer Druck im Arbeitsraum ein. Der beschriebene Vorgang läuft dann
ab, wenn sich der Kolben 18 von links nach rechts bewegt. In gleicher Weise wird
dieser Vorgang bewirkt, wenn stich der Kolben 18 von rechts nach links bewegt, dann
strömt Druckmittel Uber Blende 16 ein und der in ihm enthaltene Gasanteil wird ebenfalls
herausgetrennt.
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Nach dem Trennen wird das herausgelöste Gas gesammelt. Hierbei steigen
die Blasen entgegen der Schwerkraft auf und bilden an der höchsten Stelle einen
Schaum, der zu den Entluftungsventilen 86, 88 aufsteigt.
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Es folgt nun das Ausscheiden des Gases. Hierzu wird das gesammelte
Luft-#lschaum-Gemisch beim Umsteuern des Kolbens 18 Uber eines der Entluftungsventile
86, 88, dem jeweils geöffneten Absperrventil 72, 74 und Ruckschlagventil 78, 80
ins Freie verdrängt, Schließt Entlüftungsventil 86 oder 88, so wird das entlüftet
Druckmittel Uber das Rückschlagventil 26, 28 mittels der Leitung 24 dem Rücklauf
30 wieder zugeführt.
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Während im vorausgegangenen Teil das Verfahren erläutert wurde, nach
dem der Luftabscheider arbeitet, wird nunmehr die Steuerung des Luftabscheiders
beschrieben. Sie geschieht mit Hilfe der Blende 52, des Steuerkolbens 40 und des
Schaltventils 48.
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Bei der in der Fig. gezeigten Schalt stellung wird der Kolben 32 Uber
pol von der Druckversorgung mit einem Druck po versorgt. Am Schaltventil 48 hat
bei (nicht gezeigter) rechtsseitiger Totpunktlage des Kolbens 60 po3 nach B Durchgang,
wodurch das Absperrventil 72 geschlossen und das Absperrventil 74 geöffnet wird.
Gleichzeitig wird Uber Drossel 52 und Leitung 50 der Steuerkolben 40 beaufschlagt.
Steuerkolben 40 drückt Uber Kolben 18 den Kolben 32 gegen den Druck pol zurück.
Erreicht Steuerkolben 40 mit seiner Steuerkante Anschluß po2, so geschieht die Umschaltung.
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Hat der Steuerkolben 40 von po2 nach A Durchgang, dann wird Schaltventil
48 entgegen der Federkraft 62 geschaltet und verbindet B mit R, die Kapazität 64
wird geladen. Durch die Verbindung B mit R bei Schaltventil 48 wird Absperrventil
72 geöffnet, während Absperrventil 74 geschlossen wird. Kolben 32 drückt Uber Kolben
18 und Steuerkolben 40 das Volumen 54 des Steuerkolbens 40 über die Drossel 52 und
die Verbindung B mit R in den Rücklauf. Die Kolben 32 und 18 und der Steuerkolben
40 verlassen die Endstellung. Steuerkolben 40 unterbricht die Verbindung p02 mit
A. Das gespeicherte Volumen 64 halt
Steuerschieber 48 und deckt
die Leckverluste bei Steuerkolben 40 von A nach R. Erreicht Steuerkolben 40 die
andere Endstellung, so wird A mit R verbunden, und die Kapazität 64 entlädt sich
in den Rücklauf.
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Der Steuerkolben 60 wird von der Feder 62 in die rechte Schaltstellung
geschoben. Damit ist die Verbindung von po3 nach B hergestellt und die Umschaltung
erneut herbeigeführt.
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Zum Anlaufen des Luftabscheidegeräts ohne Systemdruck können Kolben
32, 18 und Steuerkolben 40 in jeder Stellung stehen. Der Steuerkolben 60 wird durch
die Feder 62 in der rechten Schaltstellung gehalten. Das Absperrventil 72 ist geöffnet
und Absperrventil 74 geschlossen.
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Das Anlaufen des Kolbens 18 aus beliebiger Stellung mit Systemdruck
ist ebenfalls möglich. Mit dem Anliegen des Druckes po wird der Kolben 32 direkt
und der Steuerkolben 40 über das Schaltventil 48 und die Drossel 52 mit Drucköl
beaufschlagt. Ventil 72 schließt und Ventil 74 öffnet. Durch die größere Fläche
des Steuerkolbens 40 gegen-Uber Arbeitskolben 32 verschiebt Steuerkolben 40 die
Kolben 18 und 32.
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Anlaufen aus der in der Fig. gezeigten Schaltstellung. Mit dem Anliegen
des Druckes po wird der Kolben 32 direkt beaufschlagt. Uber die Steuerkanten des
Kolbens 40 ist po2 mit A verbunden, Schaltventil 48 wird mit Druck beaufschlagt
und Speicher 64 wird gefüllt. Steuerkolben 60 sperrt den Druck bei po3 ab und verbindet
Anschluß B mit R.
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Absperrventil 72 öffnet und Absperrventil 74 schließt. Kolben 32 verschiebt
die Kolben 18 und 40.
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