WO2013113475A1 - Ventil und messeinrichtung mit einem solchen ventil - Google Patents

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WO2013113475A1
WO2013113475A1 PCT/EP2013/000166 EP2013000166W WO2013113475A1 WO 2013113475 A1 WO2013113475 A1 WO 2013113475A1 EP 2013000166 W EP2013000166 W EP 2013000166W WO 2013113475 A1 WO2013113475 A1 WO 2013113475A1
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Frank Günter LEHMANN
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Hydac Cooling GmbH
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    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/85—Control during special operating conditions
    • F15B2211/851—Control during special operating conditions during starting

Definitions

  • the invention relates to a valve having a valve housing, which has a fluid inlet, a fluid outlet and a throttle device, which establishes a permanent connection between the fluid inlet and the fluid outlet along a first flow path.
  • the invention further relates to a measuring device with such a valve.
  • Valves with such a throttle device are used in hydraulic systems, for example as part of a wind power plant, for fluid flow limitation and are available on the market in a variety of configurations.
  • Viscosity refers to the property of a liquid to counteract the mutual laminar displacement of two adjacent layers by a resistance caused by internal friction.
  • the viscosity of a pressure fluid is an essential selection criterion and determines the field of application of the unit operated with it. The viscosity increases with pressure fluids with decreasing temperature and approaches at low temperatures a so-called pour point. According to DIN 51 597, the pour point is the temperature at which a liquid product just flows when cooled.
  • the viscosity-temperature behavior influences the functioning of hydraulic devices. For example, a high viscosity impairs the intake behavior of pumps, which leads to a risk of cavitation and can cause delays. For example, very low viscosities degrade the lubricity of hydraulic oil and increase leakage losses.
  • the fluid guided in the hydraulic system When a hydraulic system is put into operation, the fluid guided in the hydraulic system generally has a low temperature and consequently a high viscosity.
  • the pressure loss of the fluid, in particular of the hydraulic oil, in the hydraulic lines may be quite high due to a viscosity of, for example, 50,000 mm 2 / s at the start of the feed pump.
  • This is accompanied by the problem that the pressure loss requires a higher performance of the feed pump or its motor.
  • this problem has been counteracted by the fact that a bypass is provided parallel to the feed pump and, with a corresponding pressure loss in the hydraulic system, directs fluid back into the tank or sump. It is desirable to reduce the required power of the feed pump or its motor despite unfavorable starting conditions.
  • the invention has the object to improve a valve and a measuring device of the type mentioned in that despite high viscosity of the fluid at startup of a hydraulic system, the power required to convey the fluid is low.
  • the first part of the object is achieved by a valve having the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments and developments of the valve will become apparent from the dependent claims 2 to 13.
  • the second part of the object is achieved by a measuring device with the features of claim 14.
  • a pressure adjusting device is provided which in its respective open operating position another Flow path between the fluid inlet and the fluid outlet releases, which bypasses the first flow path in the manner of a bypass.
  • a bypass valve is provided in an advantageous manner, which opens a further flow path in response to the pressure setting, so that fluid can flow with little resistance from the fluid inlet to the fluid outlet.
  • the throttling device advantageously regulates independently and the pressure adjusting device regulates the fluid flow between the fluid inlet and the fluid outlet through the respective flow paths, depending on the viscosity of the fluid at the fluid inlet.
  • a viscosity-dependent pressure adjustment device and a viscosity-independent throttle device is provided.
  • a valve characterized by such a combination can be used as a controller in a hydraulic system which opens the bypass depending on the viscosity of the fluid delivered in the hydraulic system. For example, opens the valve at a high viscosity, the bypass at a pending fluid pressure of 5 bar. At a lower viscosity, the valve opens the bypass but only from 10 bar. In this way, a discharge of a highly viscous fluid in the direction of the tank or the sump is made possible without additional control devices. This results in a lower power pump being needed in the starting phase.
  • the throttle device and the pressure adjusting device are arranged together in an interior of the valve housing.
  • This embodiment is particularly space-saving.
  • a pressure chamber is provided, which has a viscosity-dependent inlet in the form of a fluid passage and a viscosity-independent sequence in the form of the throttle device, wherein the pressure chamber, the pressure adjusting device with a viskosticiansabphasen- gigen bias applied.
  • a viscosity-dependent fluid pressure arises at a given fluid pressure at the fluid inlet in the pressure chamber.
  • the respective fluid passage can be formed as a bore with a bore length of 100 mm, so that at a given viscosity of the fluid, a predetermined fluid pressure at the fluid inlet of 10 bar and an opening diameter of the throttle device of 1 mm the viscosity-dependent fluid pressures in adjust the pressure chamber.
  • the viscosity is given in units of Stokes (St) and in the corresponding Sl unit (m 2 / s).
  • the pressure chamber is provided with inlet and outlet in an insert part, which is inserted into the interior, wherein the insert part preferably forms a connection piece for the fluid outlet.
  • the pressure adjustment device can be used in conjunction with the throttle direction can be used as a prefabricated unit in the valve housing, which considerably simplifies the installation of the valve.
  • the pressure adjustment can be replaced and replaced without having to remove the valve altogether.
  • the throttle device is also arranged in the insert part.
  • the throttle device preferably has the form of a diaphragm or a nozzle.
  • the pressure adjusting device may have a fluid acting on the fluid inlet valve piston, which is supported, preferably via an energy storage, preferably in the form of a filter element, on a support piston, wherein the support piston is acted upon by the fluid pressure in the fluid chamber.
  • an energy storage preferably in the form of a filter element
  • a support piston wherein the support piston is acted upon by the fluid pressure in the fluid chamber.
  • the fluid passage is formed by fluid passages in the valve piston and in the support piston, which are designed in terms of their lengths and their diameters so that they are flow-dependent fluid flows through the viscosity.
  • the lengths and the diameters of the fluid channels are wider and longer than those of a viscous-independent nozzle or orifice, but not so great that the fluid could flow into the pressure chamber regardless of its viscosity.
  • a fixing element preferably in the form of a snap ring, secures the support piston against being pulled out of the insert part.
  • a snap ring is particularly advantageous during assembly and during operation at low viscosity of the fluid. In this way, the secure guidance of the support piston in the insert part is always guaranteed.
  • the valve piston may be guided by the support piston, which is preferably again guided by the insert part. Thus, a precise guidance of the valve piston is provided, which ensures a clean concern of the valve piston on the valve seat and a prompt lifting of the valve piston when the required pressure is exceeded.
  • At least one throttle point may be provided in the further flow path, wherein the throttle point is preferably arranged in the insert part.
  • the throttle point regulates the fluid flow which can flow through the further flow path. If the fluid flow is too high, a back pressure develops in the interior of the valve, which acts on the valve piston in the closing direction. This ensures that there is no "short circuit" in the hydraulic circuit, which may involve a potentially dangerous undersupply of other units in the circuit.
  • the connecting pieces are advantageously screwed into the valve housing. This makes it easy to replace the connecting pieces in case of wear. Furthermore, the pressure adjusting device and / or the throttling device can also be replaced in the event of wear.
  • the invention further relates to a measuring device comprising a valve according to the invention and means for measuring the differential pressure between see the fluid inlet pending at the fluid pressure and the fluid pressure in the pressure chamber and means for determining the viscosity of the fluid in dependence on the measured differential pressure.
  • a measuring device comprising a valve according to the invention and means for measuring the differential pressure between see the fluid inlet pending at the fluid pressure and the fluid pressure in the pressure chamber and means for determining the viscosity of the fluid in dependence on the measured differential pressure.
  • the measuring device according to the invention can therefore be used as a viscometer a simple manometer.
  • the viscosity must be determined only once as part of a calibration as a function of the pressure difference.
  • the viscosity of the fluids can then be continuously specified given a differential pressure.
  • Fig. 1 shows a section through an inventive valve.
  • Fig. 2 is a circuit diagram for a hydraulic system with the valve
  • FIG. 1 shows a valve 10 with a valve housing 12 which has a fluid inlet 14, a fluid outlet 16 and a throttle device 18.
  • the throttle device 18 establishes a permanent connection between the fluid inlet 14 and the fluid outlet 16 along a first flow path 20.
  • a pressure adjustment device 22 is provided, which releases in its respective open actuation position a further flow path 24 between the fluid inlet 14 and the fluid outlet 16, which bypasses the first flow path 20 in the manner of a bypass.
  • the throttle device 18 regulates independently and the pressure adjustment device 22 controls the fluid flows through the respective flow paths 20, 24 depending on the viscosity of the fluid at the fluid inlet 14.
  • valve 1 thus shows a longitudinal section through the valve 10 designed as a check valve which has the valve housing 12 extending along a longitudinal axis L.
  • the valve housing 12 has in the image plane at the top and bottom two openings 26, 28, in which threads 30, 32 are provided.
  • a connecting piece 34, 36 is screwed in each case.
  • the upper connecting piece 34 forms the fluid inlet 14.
  • From the bottom of the fluid outlet 16 forming connecting piece 36 is screwed in the form of an insert member 38 in the valve housing 12.
  • the insert part 38 has the pressure adjustment device 22 and the throttle device 18.
  • the pressure adjusting device 22 is through a valve piston 40 and a support piston 42 is formed.
  • the valve piston 40 comes to a valve seat 44 in a constricted portion 46 of the valve housing 12 to the plant.
  • the support piston 42 is spaced from the valve piston 40 by an energy store 48 in the form of a spring element.
  • the valve piston 40 is guided by the support piston 42, which in turn is guided in the insert part 38 in the direction of the longitudinal axis L by a guide 50.
  • the valve piston 40 and the support piston 42 are rotationally symmetrical rotating parts.
  • the insert part 38 is likewise designed as a turned part with two sections 52, 54. In the image plane above the insert 38 is cup-shaped and has an intermediate bottom 56.
  • the wall 58 of the upper portion 52 of the insert member 38 forms the guide 50 for the support piston 42.
  • the support piston 42 is secured by a snap ring 60 against pulling out of the insert 38.
  • the intermediate bottom 56 also serves as a lower stop 62 for the support piston 42.
  • a nozzle 64 is provided as part of the throttle device 18.
  • the nozzle 64 has an opening diameter of 1 mm. Consequently, the throttle device 18 and the pressure adjusting device 22 are arranged together in an inner space 66 of the valve housing 12.
  • the fluid present at the fluid inlet 14 initially flows to the pressure adjustment device 22.
  • a feed passage 70 formed in the valve piston 40 and in the support piston 42 of the pressure-adjusting device 22 as a fluid passage 68 the fluid can flow on the first flow path 20 into a passage
  • the fluid passage 68 in the pressure adjustment device 22 is formed by bores 74, 76 running coaxially with the longitudinal axis L in the valve piston 40 and in the support piston 42.
  • the bore 76 of the support piston 42 is designed in such a way with respect to the length and the diameter that fluid through the support piston 42 and thus by the Druckeinsteil- Device 22 depending on the viscosity flows into the pressure chamber 72.
  • the bore 76 in the support piston 42 has a length of 100 mm.
  • a drain 78 in the form of the throttle device 18, which is designed as a nozzle 64 the fluid can then flow out of the pressure chamber 72.
  • the outflow from the pressure chamber 72 takes place here due to the small opening diameter depending on the prevailing pressure in the pressure chamber 72 and regardless of the viscosity of the fluid.
  • the pressure chamber 72 is formed in the insert part 38.
  • Fluid which is present at the fluid inlet 14, can flow into the pressure chamber 72 as a function of the viscosity due to the bore 76 in the support piston 42.
  • the support piston 42 is biased.
  • the valve piston 40 is therefore acted upon by a counterforce against the fluid pressure P1 present at the fluid inlet 14, which corresponds to the sum of the preload generated by the pressure chamber 72 and the force of the spring element 48 arranged between the support piston 42 and the valve piston 40.
  • the pressure in the pressure chamber 72 is low, so that the support piston 42 approaches the intermediate bottom 56 or even abuts against it.
  • the opening pressure of the valve piston 40 i. the pressure at which the valve piston 40 lifts off the valve seat 44, about 5 bar.
  • the support piston 42 moves upward in the direction of the snap ring 60.
  • the opening pressure of the valve piston 40 is about 10 bar.
  • the valve piston 40 of the pressure adjusting device 22 is substantially tubular with a bead-like circumferential broadening 78 which is partially acted upon by the fluid at the fluid inlet 14 and is provided for engagement with the valve seat 44 in the valve housing 12.
  • the curvature of the surface of the widening 78 is chosen such that the Valve piston 40 rests in a circle on the valve seat 44.
  • the bore 74 of the valve piston 40 has an inner diameter which corresponds to the outer diameter of a guide portion 80 of the support piston 42 with an oversize. If the fluid pressure PI present at the fluid inlet 14 increases, the valve piston 40 lifts off the valve seat 44 in the direction of the longitudinal axis L of the valve housing 12.
  • valve housing 12 By lifting off the valve piston 40, the further flow path 24 is released through the interior 66 of the valve housing 12.
  • the valve housing 12 is correspondingly widened in a central part 82, so that a fluid space 84 exists between the valve housing 12 and the insert part 38.
  • throttle bodies 86 are formed in the further section 54 of the insert part 38, which are distributed uniformly in the form of bores on the circumference 88 of the insert part 38.
  • the fluid flow in the further flow path 24 is limited to a maximum flow. If the fluid flow exceeds the maximum flow defined in this way, a dynamic pressure forms in the interior 66 of the valve housing 12. The back pressure acts on the valve piston 40 in the closing direction.
  • Opening pressure for the valve piston 40 5 bar In a region of the fluid pressure P1 prevailing at the fluid inlet 14 between 5 bar and 8 bar, 5 bar ⁇ PI ⁇ 8 bar, the further flow path 24 is released from the fluid inlet 14 to the fluid outlet 16 at an opening pressure of 5 bar.
  • the fluid pressure P2 increases in the pressure chamber 72 and spaced the support piston 42 from the intermediate bottom 56. According to the position of the support piston 42 in the valve housing 12, the spring element 48 is biased and compressed more ent and ent - speaking the opening pressure of the valve piston 40 increases.
  • the support piston 42 shifts from the lower position to the upper position and the opening pressure of the valve piston 40 increases accordingly from 5 bar to 10 bar ,
  • the example mentioned is calculated for a viscosity of 100 cSt; the spring force is about 600 N.
  • the support piston 42 In the upper position, the support piston 42 abuts against the snap ring 60 or abuts against it, wherein the spring element 48 has the greatest possible bias and consequently the maximum opening pressure, here 10 bar, is set.
  • FIG. 2 shows the valve 10 from FIG. 1 as part of a hydraulic system 90. From a sump or tank T, fluid is supplied via a motor-pump unit 92 to a first filter unit 94 with a filter fineness of 10 ⁇ and further led to a second filter unit 96 with a filter fineness of 50 ⁇ .
  • a first check valve 98 is arranged with an opening pressure of 3 bar and after the series-connected filter units 94, 96, a second check valve 100 with an opening pressure of 0.2 bar. Fluid coming from the filter units 94, 96 and the second check valve 100 is subdivided by a fluid temperature-controlled fluid flow restriction device 102 into a first fluid sub-flow F1 passing through the fluid flow restriction device 102 and a second fluid sub-flow F2 passing parallel to the fluid flow restriction device 102. After the fluid flow restriction device 102 and the cooling device 104, the two fluid partial streams F1, F2 merged again and passed as common fluid flow F back to the sump or tank T.
  • the cooling device 104 for cooling the fluid conducted in the hydraulic system 90 comprises a heat exchanger 106, which can be flowed through by fluid, in this case by the second partial fluid flow F 2, and cools through fluid while releasing waste heat.
  • the cooling device 104 further includes a fan 108 for removing waste heat emitted by the heat exchanger 106, the fan 108 being drivable by a motor 110.
  • a control unit 1 12 and a pressure gauge 1 14 for detecting the funded by the motor-pump unit 92 fluid is further provided.
  • the valve 10 designed as a check valve is connected in parallel to the motor-pump unit 92 with a variable opening pressure between 5 bar and 10 bar.
  • the valve 10 has a low opening pressure of 5 bar, so that despite high viscosity at startup of the hydraulic system 90, a low power of the motor pumps Unit 92 sufficient to convey the fluid with a sufficiently high fluid pressure.
  • the opening pressure of the valve 10 increases from 5 bar to 10 bar, as explained in detail in connection with FIG. 1, so that a constant amount of fluid is delivered while the power of the motor-pump unit 92 remains constant.
  • the hydraulic system 90 shown in Fig. 2 for example, be installed as a transmission oil cooling system in a wind turbine.
  • the viscosity at a temperature of -5 ° C is 5,000 cSt.

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Description

Hydac Cooling GmbH, Industriegebiet, 66280 Sulzbach/Saar
Ventil und Messeinrichtung mit einem solchen Ventil
Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilgehäuse, das einen Fluid- eingang, einen Fluidausgang und eine Drosseleinrichtung aufweist, die entlang eines ersten Strömungsweges eine permanente Verbindung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang herstellt. Die Erfindung betrifft ferner eine Messeinrichtung mit einem solchen Ventil.
Ventile mit einer derartigen Drosseleinrichtung werden in Hydrauliksystemen, beispielsweise als Teil einer Windkraftanlage, zur Fluidstrombegren- zung eingesetzt und sind in vielfältigen Ausgestaltungen auf dem Markt erhältlich. Mit Viskosität wird die Eigenschaft einer Flüssigkeit bezeichnet, der gegenseitigen laminaren Verschiebung zweier benachbarter Schichten einen durch innere Reibung bedingten Widerstand entgegenzusetzen. Die Viskosität einer Druckflüssigkeit ist ein wesentliches Auswahlkriterium und bestimmt den Einsatzbereich der mit ihr betriebenen Einheit. Die Viskosität steigt bei Druckflüssigkeiten mit fallender Temperatur an und nähert sich bei tiefen Temperaturen einem sogenannten Pourpoint. Gemäß DIN 51 597 bezeichnet der Pourpoint die Temperatur, bei der ein flüssiges Produkt bei Abkühlung gerade noch fließt.
Das Viskositäts-Temperatur-Verhalten beeinflusst die Funktionsweise von hydraulischen Geräten. So beeinträchtigt eine hohe Viskosität das Ansaugverhalten von Pumpen, was zu einer Kavitationsgefahr führen und Schal- tungsverzögerungen verursachen kann. Sehr niedrige Viskositäten verschlechtern beispielsweise die Schmierfähigkeit von Hydrauliköl und erhöhen die Leckageverluste.
Bei Inbetriebnahme eines Hydrauliksystems weist das in dem Hydrauliksys- tem geführte Fluid in der Regel eine tiefe Temperatur und folglich eine hohe Viskosität auf. So kann in einem dem Getriebe einer Windkraftanlage zugeordneten Hydrauliksystem der Druckverlust des Fluids, insbesondere des Hydrauliköls, in den Hydraulikleitungen aufgrund einer Viskosität von beispielsweise 50 000 mm2/s beim Start der Förderpumpe recht hoch sein. Damit einher geht das Problem, dass der Druckverlust eine höhere Leistung der Förderpumpe bzw. deren Motors erfordert. Diesem Problem wird bislang dadurch entgegengetreten, dass parallel zur Förderpumpe ein Bypass vorgesehen ist, welcher bei einem entsprechenden Druckverlust im Hydrauliksystem Fluid zurück in den Tank bzw. den Sumpf leitet. Es ist wün- sehenswert, trotz ungünstiger Startbedingungen die erforderliche Leistung der Förderpumpe bzw. deren Motors zu reduzieren.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Ventil und eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass trotz hoher Viskosität des Fluids bei Inbetriebnahme eines Hydrauliksystems die zur Förderung des Fluids erforderliche Leistung gering ist.
Der erste Teil der Aufgabe wird durch ein Ventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Ventils gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 13 hervor. Der zweite Teil der Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist eine Druckeinstelleinrichtung vorgesehen, die in ihrer jeweiligen geöffneten Betätigungsstellung einen weiteren Strömungsweg zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang freigibt, der in der Art eines Bypasses den ersten Strömungsweg umgeht.
Somit ist in vorteilhafter Weise ein Bypassventil geschaffen, das bei Ansprechen der Druckeinstelleinrichtung einen weiteren Strömungsweg öffnet, so dass Fluid mit geringem Widerstand vom Fluideingang zum Fluidausgang fließen kann.
Die Drosseleinrichtung regelt vorteilhaft unabhängig und die Druckeinstelleinrichtung regelt abhängig von der Viskosität des Fluids am Fluideingang die Fluidströmung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang durch die jeweiligen Strömungswege. Mithin wird eine vorteilhafte Kombination einer viskositätsabhängigen Druckeinstelleinrichtung und einer viskositätsunabhängigen Drosseleinrichtung bereitgestellt. Ein durch eine derartige Kombination gekennzeichnetes Ventil kann als Regler in einem Hydrauliksystem eingesetzt werden, der in Abhängigkeit von der Viskosität des im Hydrauliksystem geförderten Fluids den Bypass öffnet. Beispielsweise öffnet das Ventil bei einer hohen Viskosität den Bypass bei einem anstehenden Fluiddruck von 5 bar. Bei einer niedrigeren Viskosität öffnet das Ventil den Bypass aber erst ab 10 bar. Auf diese Weise wird eine Ableitung eines hochviskosen Fluids in Richtung des Tanks oder des Sumpfes ohne zusätzliche Steuerungseinrichtungen ermöglicht. Dies führt dazu, dass eine Pumpe mit geringerer Leistung in der Startphase benötigt wird.
Vorteilhaft sind die Drosseleinrichtung und die Druckeinstelleinrichtung gemeinsam in einem Innenraum des Ventilgehäuses angeordnet. Diese Ausführungsform ist besonders bauraumsparend. Besonders vorteilhaft ist eine Druckkammer vorgesehen, die einen viskositätsabhängigen Zulauf in Form eines Fluiddurchlasses und einen viskositätsunabhängigen Ablauf in Form der Drosseleinrichtung aufweist, wobei die Druckkammer die Druckeinstelleinrichtung mit einer viskositätsabhän- gigen Vorspannung beaufschlagt. Mithin wird ein sehr einfaches und effizientes System zur Regulierung der Vorspannung der Druckeinstelleinrichtung aufgezeigt. Diese erfordert keine zusätzlichen Sensoren oder Steuereinheiten. Weiterhin ist die Druckeinstelleinrichtung besonders robust und kostengünstig herstellbar.
Erfindungsgemäß stellt sich bei vorgegebenem Fluiddruck am Fluideingang in der Druckkammer ein viskositätsabhängiger Fluiddruck ein. Beispielsweise kann der jeweilige Fluiddurchlass als Bohrung mit einer Bohrungslänge von 100 mm ausgebildet sein, so dass sich bei vorgegebener Viskosi- tät des Fluids, einem vorgegebenen Fluiddruck am Fluideingang von 10 bar und einem Öffnungsdurchmesser der Drosseleinrichtung von 1 mm die der Tabelle entnehmbaren viskositätsabhängigen Fluiddrücke in der Druckkammer einstellen. Die Viskosität ist in der Einheit Stokes (St) sowie in der entsprechenden Sl-Einheit (m2/s) angegeben.
Figure imgf000006_0001
Tabelle: Viskositätsabhängiger Fluiddruck in der Druckkammer
Zweckmäßigerweise ist die Druckkammer mit Zulauf und Ablauf in einem Einsatzteil vorgesehen, das in den Innenraum eingesetzt ist, wobei das Ein- satzteil vorzugsweise einen Anschlussstutzen für den Fluidausgang bildet. Mithin kann die Druckeinstelleinrichtung in Verbindung mit der Drosselein- richtung als vorgefertigte Baueinheit in das Ventilgehäuse eingesetzt werden, wodurch sich die Montage des Ventils erheblich vereinfacht. Weiterhin kann die Druckeinstelleinrichtung ausgetauscht und ersetzt werden, ohne das Ventil insgesamt ausbauen zu müssen. Weiter bevorzugt ist die Drosseleinrichtung ebenfalls im Einsatzteil angeordnet. Die Drosseleinrichtung hat dabei vorzugsweise die Form einer Blende oder einer Düse.
Die Druckeinstelleinrichtung kann einen vom Fluid am Fluideingang beaufschlagten Ventilkolben aufweisen, der sich, vorzugsweise über einen Energiespeicher, bevorzugt in Form eines Filterelements, an einem Stützkolben abstützt, wobei der Stützkolben vom Fluiddruck in der Fluidkammer beaufschlagt ist. Mithin wird ein besonders einfacher Aufbau einer solchen Druckeinstelleinrichtung aufgezeigt. Er besteht lediglich aus drei Elementen: (1) einer Druckeinstelleinrichtung, (2) einem Energiespeicher und (3) einem Stützkolben. Daher lässt sich die Druckeinstelleinrichtung besonders schnell montieren und ist im täglichen Einsatz besonders robust.
Zweckmäßigerweise ist der Fluiddurchlass durch Fluidkanäle in dem Ventilkolben und in dem Stützkolben ausgebildet, die hinsichtlich ihrer Längen und ihrer Durchmesser so ausgebildet sind, dass sie viskositätsabhängig von Fluid durchströmt werden. Die Längen und die Durchmesser der Fluid- kanäle sind breiter und länger als die einer viskositätsunabhängigen Düse oder Blende, aber auch nicht so groß, dass das Fluid unabhängig von dessen Viskosität in die Druckkammer einströmen könnte.
Bevorzugt sichert ein Fixierelement, vorzugsweise in Form eines Sprengrings, den Stützkolben gegen Ausziehen aus dem Einsatzteil. Ein solcher Sprengring ist insbesondere bei der Montage und im laufenden Betrieb bei niedriger Viskosität des Fluids von Vorteil. Auf diese Weise ist die sichere Führung des Stützkolbens im Einsatzteil stets gewährleistet. Der Ventilkolben kann durch den Stützkolben geführt sein, der vorzugsweise wiederum durch das Einsatzteil geführt ist. Somit wird eine genaue Führung des Ventilkolbens bereitgestellt, die ein sauberes Anliegen des Ventilkolbens am Ventilsitz und ein promptes Abheben des Ventilkolbens bei Überschreiten des erforderlichen Drucks sicherstellt.
Zumindest eine Drosselstelle kann im weiteren Strömungsweg vorgesehen sein, wobei die Drosselstelle vorzugsweise im Einsatzteil angeordnet ist. Die Drosselstelle regelt den Fluidstrom der durch den weiteren Strömungsweg fließen kann. Ist der Fluidstrom zu hoch, so bildet sich ein Staudruck im Innenraum des Ventils, der den Ventilkolben in Schließrichtung beaufschlagt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass im hydraulischen Kreislauf kein„Kurzschluss" auftreten kann, der eine möglicherweise gefährliche Unterversorgung anderer Einheiten des Kreislaufs mit sich bringt.
Die Anschlussstutzen sind vorteilhaft in das Ventilgehäuse eingeschraubt. Dies ermöglicht es, die Anschlussstutzen bei Verschleiß einfach auszutauschen. Ferner können so auch die Druckeinstelleinrichtung und/oder die Drosseleinrichtung bei Verschleiß ersetzt werden.
Die Erfindung betrifft weiter eine Messeinrichtung umfassend ein erfindungsgemäßes Ventil und Mittel zur Messung des Differenzdruckes zwi- sehen dem am Fluideingang anstehenden Fluiddruck und dem Fluiddruck in der Druckkammer sowie Mittel zur Ermittlung der Viskosität des Fluids in Abhängigkeit vom gemessenen Differenzdruck. In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kann mithin ein einfaches Manometer als Viskosimeter eingesetzt werden. Hierzu muss lediglich einmal im Rahmen einer Eichung die Viskosität in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ermittelt werden. Im laufenden Betrieb kann dann bei gegebenem Differenzdruck ständig die Viskosität der Fluids angegeben werden. Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil; und Fig. 2 einen Schaltplan für ein Hydrauliksystem mit dem Ventil aus
Fig. 1.
In der Fig. 1 ist ein Ventil 10 mit einem Ventilgehäuse 12 gezeigt, das einen Fluideingang 14, einen Fluidausgang 16 und eine Drosseleinrichtung 18 aufweist. Die Drosseleinrichtung 18 stellt entlang eines ersten Strömungs- weges 20 eine permanente Verbindung zwischen dem Fluideingang 14 und dem Fluidausgang 16 her. Weiterhin ist eine Druckeinstelleinrichtung 22 vorhanden, die in ihrer jeweiligen geöffneten Betätigungsstellung einen weiteren Strömungsweg 24 zwischen dem Fluideingang 14 und dem Fluidausgang 16 freigibt, der in der Art eines Bypasses den ersten Strömungsweg 20 umgeht. Die Drosseleinrichtung 18 regelt unabhängig und die Druckeinstelleinrichtung 22 regelt abhängig von der Viskosität des Fluids am Fluideingang 14 die Fluidströme durch die jeweiligen Strömungswege 20, 24.
Fig. 1 zeigt somit einen Längsschnitt durch das als Rückschlagventil ausge- bildete Ventil 10, welches das sich entlang einer Längsachse L erstreckende Ventilgehäuse 12 aufweist. Das Ventilgehäuse 12 weist in der Bildebene oben und unten zwei Öffnungen 26, 28 auf, in denen Gewinde 30, 32 vorgesehen sind. In die Gewinde 30, 32 ist jeweils ein Anschlussstutzen 34, 36 eingeschraubt. Der obere Anschlussstutzen 34 bildet den Fluideingang 14. Von der Unterseite ist der den Fluidausgang 16 bildende Anschlussstutzen 36 in Form eines Einsatzteils 38 in das Ventilgehäuse 12 eingeschraubt. Das Einsatzteil 38 weist die Druckeinstelleinrichtung 22 und die Drosseleinrichtung 18 auf. Die Druckeinstelleinrichtung 22 ist durch einen Ventilkolben 40 und einen Stützkolben 42 gebildet. Der Ventilkolben 40 gelangt an einem Ventilsitz 44 in einem eingeschnürten Abschnitt 46 des Ventilgehäuses 12 zur Anlage. In der in Fig. 1 gezeigten Position ist deshalb der weitere Strömungsweg 20 gesperrt. Der Stützkolben 42 ist vom Ventilkolben 40 durch einen Energiespeicher 48 in Form eines Federelements beabstandet. Der Ventilkolben 40 wird durch den Stützkolben 42 geführt, der wiederum im Einsatzteil 38 in Richtung der Längsachse L durch eine Führung 50 geführt ist. Der Ventilkolben 40 und der Stützkolben 42 sind rotationssymmetrische Drehteile. Das Einsatzteil 38 ist ebenfalls als Drehteil mit zwei Abschnitten 52, 54 ausgebildet. In der Bildebene oben ist das Einsatzteil 38 topfförmig und weist einen Zwischenboden 56 auf. Die Wand 58 des oberen Abschnitts 52 des Einsatzteils 38 bildet dabei die Führung 50 für den Stützkolben 42. Der Stützkolben 42 ist durch einen Sprengring 60 gegen Ausziehen aus dem Einsatzteil 38 gesichert. Der Zwischenboden 56 dient auch als unterer Anschlag 62 für den Stützkolben 42. Im Zwischenboden 56 am Übergang zum unteren Abschnitt 54 des Einsatzteils 38 ist eine Düse 64 als Teil der Drosseleinrichtung 18 vorgesehen. Die Düse 64 hat einen Öffnungsdurchmesser von 1 mm. Mithin sind die Drosseleinrichtung 18 und die Druckeinstelleinrichtung 22 gemeinsam in einem Innen- räum 66 des Ventilgehäuses 12 angeordnet.
Das am Fluideingang 14 anstehende Fluid strömt zunächst auf die Druckeinstelleinrichtung 22 zu. Durch einen als Fluiddurchlass 68 ausgebildeten Zulauf 70 im Ventilkolben 40 und im Stützkolben 42 der Druckeinstelleinrichtung 22 kann das Fluid auf dem ersten Strömungsweg 20 in eine
Druckkammer 72 im Einsatzteil 38 im Innenraum 66 einströmen. Der Fluiddurchlass 68 in der Druckeinstelleinrichtung 22 ist durch koaxial zur Längsachse L verlaufende Bohrungen 74, 76 im Ventilkolben 40 und im Stützkolben 42 gebildet. Insbesondere die Bohrung 76 des Stützkolbens 42 ist dabei derart hinsichtlich der Länge und des Durchmessers ausgeführt, dass Fluid durch den Stützkolben 42 und damit durch die Druckeinsteil- einrichtung 22 viskositätsabhängig in die Druckkammer 72 einströmt. In diesem Fall hat die Bohrung 76 im Stützkolben 42 eine Länge von 100 mm. Durch einen Ablauf 78 in Form der Drosseleinrichtung 18, die als Düse 64 ausgebildet ist, kann das Fluid anschließend aus der Druckkammer 72 aus- strömen. Das Ausströmen aus der Druckkammer 72 erfolgt hierbei aufgrund des geringen Öffnungsdurchmessers abhängig vom vorherrschenden Druck in der Druckkammer 72 und unabhängig von der Viskosität des Fluids.
Durch die Druckeinstelleinrichtung 22 in Zusammenwirkung mit der Drosseleinrichtung 18 wird die Druckkammer 72 im Einsatzteil 38 gebildet. Fluid, das am Fluideingang 14 ansteht, kann aufgrund der Bohrung 76 im Stützkolben 42 viskositätsabhängig in die Druckkammer 72 einströmen. Durch den Fluiddruck P2 in der Druckkammer 72 wird der Stützkolben 42 mit einer Vorspannung beaufschlagt. Der Ventilkolben 40 wird daher mit einer Gegenkraft entgegen dem am Fluideingang 14 anstehenden Fluid- druck P1 beaufschlagt, die der Summe der durch die Druckkammer 72 erzeugten Vorspannung und der Kraft des zwischen dem Stützkolben 42 und dem Ventilkolben 40 angeordneten Federelements 48 entspricht. Bei einer hohen Viskosität des Fluids ist der Druck in der Druckkammer 72 gering, so dass sich der Stützkolben 42 dem Zwischenboden 56 annähert oder gar an ihn anschlägt. In dieser Stellung beträgt der Öffnungsdruck des Ventilkolbens 40, d.h. der Druck bei dem der Ventilkolben 40 vom Ventilsitz 44 abhebt, ca. 5 bar. Mit abnehmender Viskosität des Fluids bewegt sich der Stützkolben 42 nach oben in Richtung des Sprengrings 60. Wenn der Stützkolben 42 an den Sprengring 60 anschlägt, beträgt der Öffnungsdruck des Ventilkolbens 40 ca. 10 bar.
Der Ventilkolben 40 der Druckeinstelleinrichtung 22 ist im Wesentlichen rohrförmig mit einer wulstartigen umlaufenden Verbreiterung 78 ausgebildet, die vom Fluid am Fluideingang 14 teilweise beaufschlagt ist und zur Anlage am Ventilsitz 44 im Ventilgehäuse 12 vorgesehen ist. Die Krüm- mung der Oberfläche der Verbreiterung 78 ist dabei so gewählt, dass der Ventilkolben 40 kreislinienförmig am Ventilsitz 44 anliegt. Die Bohrung 74 des Ventilkolbens 40 weist einen Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser eines Führungsabschnitts 80 des Stützkolbens 42 mit einem Übermaß entspricht. Erhöht sich der am Fluideingang 14 anstehende Fluid- druck PI , so hebt der Ventilkolben 40 in Richtung der Längsachse L des Ventilgehäuses 12 vom Ventilsitz 44 ab. Durch das Abheben des Ventilkolbens 40 wird der weitere Strömungsweg 24 durch den Innenraum 66 des Ventilgehäuses 12 freigegeben. Das Ventilgehäuse 12 ist dazu in einem Mittelteil 82 entsprechend verbreitert, so dass ein Fluidraum 84 zwischen dem Ventilgehäuse 12 und dem Einsatzteil 38 besteht.
In der Bildebene unterhalb des Zwischenbodens 56 sind in dem weiteren Abschnitt 54 des Einsatzteils 38 Drosselstellen 86 ausgebildet, die in Form von Bohrungen auf dem Umfang 88 des Einsatzteils 38 gleichmäßig verteilt sind. Durch die Drosselstellen 86 wird der Fluidstrom im weiteren Strö- mungsweg 24 auf einen Maximalstrom begrenzt. Überschreitet der Fluidstrom den so definierten Maximalstrom, bildet sich im Innenraum 66 des Ventilgehäuses 12 ein Staudruck. Der Staudruck beaufschlagt den Ventilkolben 40 in Schließrichtung.
In der unteren Stellung des Stützkolbens 42 ist das Federelement 48 derart komprimiert, dass der durch die entsprechende Federkraft vorgegebene
Öffnungsdruck für den Ventilkolben 40 5 bar beträgt. In einem Bereich des am Fluideingang 14 herrschenden Fluiddrucks P1 zwischen 5 bar und 8 bar, 5 bar < PI < 8 bar, wird der weitere Strömungsweg 24 vom Fluideingang 14 zum Fluidausgang 16 bei einem Öffnungsdruck von 5 bar frei- gegeben. Bei einem weiteren Druckanstieg und/oder einer weiteren Viskositätsabnahme steigt der Fluiddruck P2 in der Druckkammer 72 an und beabstandet den Stützkolben 42 vom Zwischenboden 56. Entsprechend der Lage des Stützkolbens 42 im Ventilgehäuse 12 wird das Federelement 48 mit einer Vorspannung beaufschlagt und stärker komprimiert und ent- sprechend der Öffnungsdruck des Ventilkolbens 40 erhöht. In einem Bereich des fluideingangsseitigen Fluiddrucks P1 zwischen 8 bar und 10 bar, 8 bar < P1 < 10 bar, verschiebt sich der Stützkolben 42 aus der unteren Stellung in die obere Stellung und der Öffnungsdruck des Ventilkolbens 40 steigt entsprechend von 5 bar auf 10 bar an. Das genannte Bei- spiel ist für eine Viskosität von 100 cSt berechnet; die Federkraft beträgt etwa 600 N. In der oberen Stellung liegt der Stützkolben 42 am Sprengring 60 an bzw. schlägt an diesen an, wobei das Federelement 48 die größtmögliche Vorspannung aufweist und folglich der größtmögliche Öffnungsdruck, hier 10 bar, eingestellt ist. Es versteht sich, dass bei einer Veränderung der Viskosität des Fluids von 100.000 cSt auf 100 cSt der Stützkolben 42 entsprechend des jeweiligen fluideingangsseitigen Drucks P1 , welcher gemeinsam mit der Viskosität den Fluiddruck P2 in der Druckkammer 72 vorgibt, aus seiner unteren Stellung über Zwischenstellungen in die obere Stellung übergeht. Der Schaltplan in Fig. 2 zeigt das Ventil 10 aus Fig. 1 als Teil eines Hy- drauliksystems 90. Von einem Sumpf bzw. Tank T wird über eine Motor- Pumpen-Einheit 92 Fluid zu einer ersten Filtereinheit 94 mit einer Filterfeinheit von 10 μπ\ und weiter zu einer zweiten Filtereinheit 96 mit einer Filterfeinheit von 50 μιτι geführt. Parallel zur ersten Filtereinheit 94 ist ein erstes Rückschlagventil 98 mit einem Öffnungsdruck von 3 bar und nach den in Reihe geschalteten Filtereinheiten 94, 96 ein zweites Rückschlagventil 100 mit einem Öffnungsdruck von 0,2 bar angeordnet. Von den Filtereinheiten 94, 96 und dem zweiten Rückschlagventil 100 kommendes Fluid wird von einer fluidtemperaturgesteuerten Fluidstrombegrenzungs- einrichtung 102 in einen die Fluidstrombegrenzungseinrichtung 102 passierenden ersten Fluidteilstrom F1 und einen eine parallel zur Fluidstrom- begrenzungseinrichtung 102 geschaltete Kühlvorrichtung 104 passierenden zweiten Fluidteilstrom F2 unterteilt. Nach der Fluidstrombegrenzungs- einrichtung 102 und der Kühlvorrichtung 104 werden die beiden Fluid- teilströme F1 , F2 wieder zusammengeführt und als gemeinsamer Fluidstrom F zurück zum Sumpf bzw. Tank T geleitet.
Die Kühlvorrichtung 104 zum Kühlen des in dem Hydrauliksystem 90 geführten Fluids umfasst einen Wärmetauscher 106, der von Fluid, hier vom zweiten Fluidteilstrom F2, durchströmbar ist und durchströmendes Fluid unter Abgabe von Abwärme kühlt. Die Kühlvorrichtung 104 umfasst ferner einen Lüfter 108 zur Abführung von vom Wärmetauscher 106 abgegebener Abwärme, wobei der Lüfter 108 von einem Motor 1 10 antreibbar ist. Im Hydrauliksystem 90 ist weiter eine Steuereinheit 1 12 sowie ein Manometer 1 14 zur Erfassung des von der Motor-Pumpen-Einheit 92 geförderten Fluids vorgesehen.
Zur Absicherung des Hydrauliksystems 90 ist parallel zur Motor-Pumpen- Einheit 92 das als Rückschlagventil ausgebildete erfindungsgemäße Ventil 10 mit variablem Öffnungsdruck zwischen 5 bar und 10 bar geschaltet. Bei hoher Viskosität des im Hydrauliksystem 90 geführten, genauer von der Motor-Pumpen-Einheit 92 geförderten, Fluids weist das Ventil 10 einen geringen Öffnungsdruck von 5 bar auf, so dass trotz hoher Viskosität bei Inbetriebnahme des Hydrauliksystems 90 eine geringe Leistung der Motor- Pumpen-Einheit 92 zur Förderung des Fluids mit einer ausreichend hohen Fluiddruck ausreicht. Mit steigender Temperatur des von der Motor- Pumpen-Einheit 92 geförderten Fluids nimmt dessen Viskosität ab. Entsprechend steigt der Öffnungsdruck des Ventils 10 von 5 bar auf 10 bar an, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 ausführlich erläutert, so dass bei gleichbleibend geringer Leistung der Motor-Pumpen-Einheit 92 eine ausreichende Menge an Fluid gefördert wird.
Das in Fig. 2 gezeigte Hydrauliksystem 90 kann beispielsweise als Getriebeölkühlsystem in eine Windkraftanlage eingebaut sein. Bei derzeit in Windkraftanlagen eingesetzten Getrieben beträgt die Viskosität bei einer Temperatur von -5°C 5 000 cSt. Mit dem erfindungsgemäßen Ventil 10 kann da- her bei tiefen Starttemperaturen und somit hoher Viskosität des Getriebeöls der zu überwindende Druck für die Motor-Pumpen-Einheit 92 niedrig und folglich die benötigte Motorleistung ebenfalls niedrig gehalten werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Ventil mit einem Ventilgehäuse (12), das einen Fluideingang (14) und einen Fluidausgang (16) und eine Drosseleinrichtung (18) aufweist, die entlang eines ersten Strömungsweges (20) eine permanente Verbindung zwischen dem Fluideingang (14) und dem Fluidausgang (16) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckeinstelleinrichtung (22) vorhanden ist, die in ihrer jeweiligen geöffneten Betätigungsstellung einen weiteren Strömungsweg (24) zwischen dem Fluideingang (14) und dem Fluidausgang (16) freigibt, der in der Art eines Bypasses den ersten Strömungsweg (20) umgeht.
2. Ventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (18) unabhängig und die Druckeinstelleinrichtung (22) abhängig von der Viskosität des Fluids am Fluideingang (14) die Fluid- strömung zwischen dem Fluideingang (14) und dem Fluidausgang (16) durch die jeweiligen Strömungswege (20, 24) regeln.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (18) und die Druckeinstelleinrichtung (22) gemeinsam in einem Innenraum (66) des Ventilgehäuses (12) angeordnet sind. 4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckkammer (72) vorgesehen ist, die einen viskositätsabhängigen Zulauf (70) in Form eines Fluiddurchlasses (68) und einen viskositätsunabhängigen Ablauf (78) in Form der Drosseleinrichtung (18) aufweist, wobei die Druckkammer (72) die Druck- einStelleinrichtung (22) mit einer viskositätsabhängigen Vorspannung beaufschlagt. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (72) in einem Einsatzteil (38) im Innenraum (66) vorgesehen ist, das vorzugsweise einen Anschlussstutzen (38) für den Fluid- ausgang (16) bildet.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (18) im Einsatzteil (38) angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinstelleinrichtung (22) einen vom Fluid am Fluid- eingang (14) beaufschlagten Ventilkolben (40) aufweist, der sich, vorzugsweise über einen Energiespeicher (48), bevorzugt in Form eines Federelements, an einem Stützkolben (42) abstützt, wobei der Stützkolben (42) vom Fluiddruck in der Druckkammer (72) beaufschlagt ist
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid- durchlass (68) durch Fluidkanäle (74, 76) in dem Ventilkolben (40) und in dem Stützkolben (42) gebildet ist, die hinsichtlich ihrer Längen und ihrer Durchmesser so ausgebildet sind, dass sie viskositätsabhängig von Fluid durchströmt werden.
Ventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fixierelement, vorzugsweise in Form eines Sprengrings (60), den Stützkolben (42) gegen Ausziehen aus dem Einsatzteil (38) sichert.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (40) durch den Stützkolben (42) geführt ist, der vorzugsweise durch das Einsatzteil (38) geführt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zumindest eine Drosselstelle (86) im weiteren Strö- mungsweg (24) vorgesehen ist, wobei die Drosselstelle (86) vorzugsweise im Einsatzteil (38) angeordnet ist.
12. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (18) die Form einer Blende oder einer Düse (64) hat.
13. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstutzen (34, 36) in das Ventilgehäuse (12) eingeschraubt sind.
14. Messeinrichtung umfassend ein Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Mittel zur Messung des Differenzdruckes zwischen dem am Fluideingang (14) anstehenden Fluiddruck (P1 ) und dem Fluiddruck (P2) in der Druckkammer (72) und zur Berechnung der Viskosität des vermessenen Fluids in Abhängigkeit vom gemessenen Differenzdruck.
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