Hochdruckspeicher

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hochdruckspeicher gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Derartige Hochdruckspeicher dienen dazu, Hydrauliköl für eine Hydraulikanlage, insbesondere zur Betätigung eines elektrischen Hochspannungs-Leistungsschalters bereitzustellen.

[0003] Im allgemeinen besitzen derartige Hochdruckspeicher einen in etwa zylindrischen Körper, der an seinen beiden Enden mittels Abschlussdeckeln druckdicht verschlossen ist. Im Inneren des zylindrischen Körpers befindet sich ein Kolben, der einen Gasraum von der Hydraulik-Fluidseite trennt. Der gasseitige Deckel ist mit einem Gasanschluss zum Nachspeisen von Leckagegas und der ölseitige mit einem Ölanschluss verbunden.

[0004] Im Inneren des zylindrischen Körpers befindet sich auf dessen Gasseite an dem dort befindlichen Deckel ein Stützrohr, gegen das sich der Speicherkolben unter bestimmten Voraussetzungen, die weiter unten erläutert werden sollen, anlegen wird (US-A-4186 777).

[0005] Wenn beispielsweise für einen Schaltvorgang Hydrauliköl gebraucht wird, wird das unter Druck stehende Gas, meist N₂, den Kolben entsprechend der entnommenen Menge Öl verschieben. Wenn eine bestimmte Menge Öl entnommen ist, wird eine Pumpe in Tätigkeit gesetzt, die die entnommene Ölmenge wieder in den Speicher zurückpumpt.

[0006] Das Hauptproblem, mit dem man sich zu befassen hat, besteht darin, dass das als Feder verwendete Gas langsam aus dem Gasraum herausströmt, da absolute Dichtigkeit in den seltensten Fällen erreicht werden kann. Wenn nun die volle Menge Gas vorhanden ist, wird die maximal von dem Kolben zurückzulegende Strecke so in den Zylinderraum bzw. Speicherkörper gelegt, dass der Speicherkolben grundsätzlich nicht auf das Stützrohr auftrifft, wenn das Öl wieder dem Speicher zugeführt wird. Wenn jedoch eine bestimmte Leckage aufgetreten ist, dann kann der Speicherkolben während des Füllvorgangs gegen das Stützrohr zum Anliegen kommen. Der Füllvorgang wird dabei im allgemeinen so durchgeführt, dass die Pumpe über den Absteuerdruck, d.h. also über einen bestimmten Druck, bei dem die Pumpe abgeschaltet werden könnte, weil sich wieder eine ausreichende Menge Öl im Speicher befindet, hinaus noch einige Sekunden weiterläuft. Dabei kann sich - wie erwähnt- der Kolben gegen das Stützrohr anlegen. Bei Auftreffen des Kolbens auf das Stützrohr steigt der Öldruck wegen der Steifigkeit des Stützrohres erheblich schneller an als vorher, als er nur Gas zu komprimieren hatte; dadurch wird ein Öldruck erreicht, aufgrund dessen ein Meldekontakt ansprechen wird, der damit eine Leckage von Gas, bevorzugt N₂ meldet. Andere Lösungen sind mit einem Meldekontakt im Gas- Bereich ausgeführt, so dass immer eine isolierte Durchführung, die als Schwachstelle bzw. Undichtigkeit anzusehen ist, vorhanden ist. Weitere bekannte Ausführungen sind mit Näherungsschaltern im Gas- Bereich realisiert. Alle diese Ausführungen bewirken, dass bei Auftreffen des Speicherkolbens auf das Stützrohr die Notwendigkeit des Nachfüllens von Gas signalisiert wird.

[0007] Da im allgemeinen das Gas nicht sehr schnell, sondern nur sehr langsam aus dem Gasraum ausströmt, wäre ein sofortiges Nachfüllen von Gas dann, wenn der Speicherkolben auf das Stützrohr auftrifft, nicht erforderlich. Es wäre daher sinnvoll, eine Vorwarnung vorzusehen, ein Signal also, das einen bestimmten Leckagefall tatsächlich anzeigt. Würde man eine derartige Vorwarnung mit den bekannten Anordnungen, bspw. mit einem Meldekontakt im Gas-Bereich oder einem Näherungsschalter erzielen wollen, wäre die Anordnung sehr aufwendig.

[0008] Ein solcher Näherungsschalter ist bei einem Hochdruckspeicher der DE-A-2 431 605 bekannt. Er wird mittels eines Permanent-Magneten angesteuert, den der Kolben über ein Schubgestänge verschiebt. Ein den Magneten tragendes Gestänge besitzt eine Rückstellfeder, die vom Kolben überwunden werden muß. Für die Gasfedercharakteristik hat die Kraft dieser Rückstellfeder einen zu vernachlässigenden Einfluß.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Speicher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bei einem bestimmten Leckagezustand ein Vorwarnungssignal gegeben wird, der aber besonders einfach ausgebildet ist.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0012] Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden. Insbesondere soll anhand der Zeichnung die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Ausgestaltung dargestellt werden.

Fig. 1

ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Druckes von der Pumpenlaufzeit im Speicher zeigt,

Fig. 2

eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Speichers, und

Fig. 3

eine zweckmässige Ausgestaltung des Speichers, in schematischer Darstellung.

[0013] Die Figur 1 zeigt ein Diagramm des Druckes über der Laufzeit einer Pumpe zum Auffüllen eines in der Figur 2 schematisch dargestellten Gasdruckspeichers. Man erkennt in der Figur 2 einen zylindrischen Körper 10, der an seinen beiden Enden mittels eines Deckels 11 und 12 abgeschlossen ist. Innerhalb des Zylinders ist hin- und herbewegbar geführt ein Kolben 13, der den linken, mit Gas gefüllten Raum 14 von dem rechten, mit Öl gefüllten Raum 15 trennt. Als Gas wird zweckmässigerweise N₂ verwendet. Am linken Abschlussdeckel 11 ist ein Stützrohr 16 angebracht, das in der Mittelachse des Zylinders verläuft. Auf dem freien Ende des Stützrohres 16 ist eine Feder 17 angebracht, an deren freiem Ende ein Anschlag 18 befestigt ist.

[0014] Es sei angenommen, dass aus dem Raum 15 Öl abgenommen wird. Aus der in der Figur 2 dargestellten Lage wird sich dann der Kolben 13 in Pfeilrichtung A bewegen. Wenn er die Stelle T_ein1 (siehe Figur 1) erreicht hat, ist der Druck im Raum 15 so weit abgefallen, dass Drucköl nachgepumpt werden muss. Der Beginn der Laufzeit der Pumpe (nicht dargestellt), die Drucköl in den Raum 15 fördert, ist somit T_ein1. Wenn die Pumpe Öl fördert, bewegt sich der Kolben entgegen der Pfeilrichtung A in Pfeilrichtung B, und zwar so lange, bis der Zeitpunkt T_A1 bzw. der dazugehörige Druck P_A erreicht wird. Der Druck P_Ein, der dem Beginn der Laufzeit der Pumpe Tein entspricht, beträgt bei elektrischen Hochspannungsleistungsschaltern bspw. 330 bar. Wenn der Druck P_A im Raum 15 erreicht ist, könnte man die Pumpe abschalten; es wäre dann definitiv der Druck P_A (entspricht 342 bar) erreicht, der zum optimalen Betrieb eines Hochspannungsleistungsschalters ausreicht. In der Praxis aber bleibt die Pumpe eingeschaltet und läuft eine Zeit T_v weiter. Zum Zeitpunkt T_aus1 wird die Pumpe endgültig abgeschaltet und ein Druckniveau P_aus1 ist erreicht, das höher liegt als P_A. Wird nun weiter Öl in den Raum 15 gefördert, wird sich am Punkt T_BE der Kolben 13 auf den Anschlag 18 auflegen. Dadurch verändert sich die Federkennlinie K₁, die bis zu dem Punkt T_BE alleine abhängig war von den Gascharakteristiken. Nunmehr überlagert sich dieser Charakteristik des Gases die von der Feder 17 herrührende Federcharakteristik, so dass die Kurve K₁ links von T_BE einen grösseren Anstieg aufweist. Bei weiterer Ölförderung legen sich die Windungen der Feder 17 aufeinander: die Feder 17 wird starr, so dass die Kurve K₁ am Punkt T_Block steil nach oben entsprechend Steifigkeit der Feder und des Stützrohres 16 ansteigt.

[0015] Es sei nun angenommen, dass die Nachlaufzeit t_v der Pumpe am Punkt T_A1 bei einem Druck P_A beginnt. Die Nachlaufzeit t_V dauert nun so lange an, dass der Kolben gegen den Anschlag 18 anliegt, so dass der Knick-Punkt T_BE überschritten wird. Man erhält dabei einen Druck P_AUS1, also einen endgültigen Druck.

[0016] Wenn also eine Leckage im Gas auftritt, wird sich die Kurve K₁ verändern. Die Ausgangslage des Kolbens wird sich nach links verschieben, so dass bei gleichem Druck P_Ein wenn also die Pumpe anfängt, Öl zu fördern, die Bewegung des Kolbens bei T_ein2 beginnt. Sie verläuft parallel zu K₁ und unter ihr bis zum Punkt T_A2, bei dem Druck P_A. Von da aus beginnt die Nachlaufzeit t_V, so dass die Pumpe über den Zeitraum T_A2 weiterläuft und zwar so dass sich der Kolben bei T_BE auf die Feder auflegt. Sodann verläuft die Kurve K₂ parallel zu der Kurve K₁ mit dem steileren Winkel, wobei der Druck P_aus1 überschritten wird und weiter bis zu dem Druck P_aus2 steigt. Dabei wird ein bestimmter Druck Pw überschritten, der als Vorwarndruck dafür anzusehen ist, dass demnächst die Leckage des Gases so gross werden wird, dass der Kolben die Feder auf Block zusammendrückt und somit der steile Bereich der Kurve K₁ bzw. K₂ erreicht wird, wenn die Pumpe weiter Öl fördert. Der Vorwarndruck will sagen, dass nunmehr ein kritisches Stadium erreicht wird, bei dem es sich langsam empfiehlt, die Leckageverluste im Gas, d.h. also im Raum 14 auszugleichen. Wird die Leckage noch grösser, dann besteht das Problem, dass noch während der Nachlaufzeit t_V die Blockstellung T_BL der Feder 17 erreicht wird, so dass der Druckverlauf sich mehr einer Senkrechten nähert, d.h. also dass der Druck plötzlich sehr steil ansteigt. Bei einem Druck Ps (etwa 370 bar) wird ein weiteres Signal, das erneut zur Sperre des Schalters führt, gemeldet und das Sicherheitsventil geöffnet. Grundsätzlich ist zu beachten, dass dann, wenn die Stellung T_Block erreicht wird, die Leckage so gross geworden ist, dass trotz hohen Druckes nicht mehr sichergestellt ist, dass eine ausreichende Menge an Drucköl abgenommen werden kann. Aus diesem Grunde werden Hydraulikspeicher, bei denen sich der Kolben 13 auf das Stützrohr 16 auflegt, nicht mehr weiter benutzt. Die Anordnung der Feder 17 zwischen dem Anschlag 18 und dem Stützrohr 16 dient somit zur Erhöhung der Sicherheit; wenn aufgrund einer Leckage Pw erreicht oder überschritten wird, dann ist angezeigt, dass ein Nachfüllen von Gas erforderlich ist, dass aber die Funktionsfähigkeit des Öldruckspeichers noch nicht eingeschränkt ist.

[0017] Die Figur 3 zeigt im Schema eine konstruktive Ausführung eines Hydraulikspeichers. Man erkennt den Hydraulikzylinder oder Speichergehäuse 30, das an der rechten Seite mit dem Abschlussdeckel 31 und an der linken Seite mit dem Abschlussdeckel 32 verschlossen ist. Innerhalb des Speichergehäuses ist ein Speicherkolben 33 verschiebbar angeordnet, der den Raum 34, in den Gas eingefüllt ist, von dem Öldruckraum 35 trennt. An einem Zuführventil 36 kann Gas in den Raum 34 eingefüllt werden.

[0018] An dem Deckel 32 ist ein Stützrohr 37 angebracht, das in seinem mittleren Bereich eine Trennwand 38 aufweist; das Stützrohr 37 setzt sich mit einem Fortsatz 39 über die Trennwand 38 hinaus. Der Fortsatz 39 umschliesst einen Kolben 40, an dem ein Anschlag 41 befestigt ist, und führt diesen. Die Wand 38 wird von einem Schraubenbolzen 42 durchgriffen, der sich mit seinem Schraubenkopf 43 gegen die linke Seite der Wand anlegt und mit seinem freien Ende ins Innere des Kolbens 40 eingeschraubt ist. Zwischen der Wand 38 und dem Kolben 40 befindet sich ein Druckfederpaket 44. Die Bewegung des Kolbens 40 in Pfeilrichtung A wird durch Anschlagen der Mutter 43 an der Wand 38 begrenzt und die Bewegung des Kolbens 40 nach links B dadurch, dass die Federwindungen bzw. Federelemente im Block nach links aufeinanderliegen. Man kann natürlich auch dafür sorgen, dass der Abstand D zwischen dem freien Ende des Stützrohres 37 bzw. des Fortsatzes 39 und dem Anschlag 41 dem Abstand zwischen T_BE und T_Block entspricht. Dann wird das gleiche erreicht, wie in Figur 2, wenn die Feder 17 auf Block liegt.

[0019] Die anhand der Figur 1 erläuterte Wirkungsweise des Hydraulikspeichers gemäss Figur 2 entspricht identisch der Wirkungsweise des Hydraulikspeichers gemäss Figur 3, so dass darauf nicht mehr näher eingegangen werden muss.

[0020] Von wesentlicher Bedeutung ist, dass der Kolben 13 bzw. 33 nicht direkt auf das Stützrohr 16 bzw. 37 aufläuft, sondern zunächst auf den Anschlag 18 bzw. 41, der unter dem Druck der Feder 17 bzw. 44 steht, so dass der Gas-Charakteristik die Feder-Charakteristik der Feder 17 bzw. 44 überlagert wird. Dadurch ist es möglich, dass der Druck einen Vorwarndruck überschreitet, der signalisiert, dass die Leckage im Raum 14 einen bestimmten Betrag erreicht hat, so dass es erforderlich wird, möglichst bald Gas nachzufüllen.

Ansprüche

1. Hochdruckspeicher für das Arbeitsfluid einer hydraulischen Steueranlage, mit einem einen Kolben (13, 33) enthaltenden Zylinder (10, 30), auf dessen einer Seite (15, 35) sich das Arbeitsfluid und auf dessen anderer Seite sich eine durch einen Gasraum (14, 34) gebildete Gasfeder befindet, mit Meldekontakten, die beim Erreichen bestimmter Arbeitsfluiddrücke unter anderem ein Signal zur Anzeige von Gasverlusten aus dem Gasraum (14, 34) abgeben, und mit einem Gasraum (14, 34) des Zylinders an dessen Abschlußwand (11, 32) angeordneten Stützrohr (16, 37) zur Begrenzung des Kolbenweges bei einem Gasverlust, dadurch gekennzeichnet, daß am Stützrohr (16, 37) ein Anschlagelement (18, 41) für den Kolben (13, 33) angeordnet ist und daß zwischen dem Stützrohr und dem Anschlagelement eine Federanordnung (17, 44) vorgesehen ist, so daß sich beim Auftreffen des Kolbens auf das Anschlagelement (18, 41) die Charakteristik der Gasfeder mit der der Federanordnung (17, 44) zu einer wesentlich steileren Federkennlinie hin überlagert.

2. Hochdruckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (39) des Stützrohres (37) einen weiteren Kolben (40) aufnimmt, an dem das Anschlagelement (41) befestigt ist, und daß der weitere Kolben (40) von der Federanordnung (44), die sich an einer Trennwand (38) im Inneren des Stützrohres abstützt, teilweise aus dem freien Ende (39) des Stützrohres (37) herausgedrückt ist.

3. Hochdruckspeicher nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Gasverluste im Gasraum (14, 34) ein Druckfühler vorgesehen ist, der zur Abgabe eines Vorwarnsignales auf einen Vorwarndruck (Pw) im Öldruckraum (15, 35) anspricht, während das Anschlagelement (18, 41) eine bestimmte Stellung auf dem Weg zwischen der Anlage (T_BE) des Kolbens (13, 33) an das Anschlagelement und der Blockstellung (T_Block) der Federanordnung (17, 44) inne hat.

Claims

1. High-pressure accumulator for the working fluid of a hydraulic control plant, comprising a cylinder 10, 30) which contains a piston (13, 33) and on one side (15, 35) of which the working fluid is disposed while on the other side a gas spring formed by a gas chamber (14, 34) is disposed, further comprising signal contacts which give a signal when determined positions of the piston are reached, and comprising a supporting tube (16, 37), disposed in the gas chamber (14, 34) of the cylinder on the closure wall (11, 32) of the latter, for limiting the piston stroke in the event of loss of gas, characterized in that a stop member (18, 41) for the piston (13, 33) is disposed on the supporting tube (16, 37), and that a spring arrangement (17, 44) is provided between the supporting tube and the stop member, so that when the piston strikes against the stop member (18, 41) the characteristic of the spring arrangement (17, 44) is superimposed on that of the gas spring.

2. High-pressure accumulator according to Claim 1, characterized in that the free end (39) of the supporting tube (37) holds another piston (40) on which the stop member (41) is fastened, and that this other piston (40) is partly pressed out of the free end (39) of the supporting tube (37) by the spring arrangement (44).

3. High-pressure accumulator according to one of the preceding claims, characterized in that a determined position of the stop member (18, 41) corresponds to a pressure (Pw) which prevails in the oil pressure chamber (15, 35) and which, being measured by means of a pressure sensor, produces a prewarning signal which signals that too little gas is present in the gas chamber (14, 34) because of gas losses.

Revendications

1. Accumulateur haute pression pour le fluide de travail d'une installation de commande hydraulique, comprenant: un cylindre (10, 30) qui contient un piston (13, 33) et sur le premier côté (15, 35) duquel se trouve le fluide de travail, tandis que sur son autre côté se trouve un ressort à gaz formé par une chambre de gaz (14, 34): des contacts de signalisation qui, lorsque certaines pressions de fluide de travail sont atteintes, fournissent entre autres un signal pour indiquer des pertes de gaz de la chambre de gaz (14, 34); et un tube-support (16, 37) agencé dans la chambre de gaz (14, 34) du cylindre, sur la paroi terminale (11, 32) de celui-ci, ce tube-support étant prévu pour limiter la course du piston dans le cas d'une perte de gaz, caractérisé en ce qu'un élément de butée (18, 41) pour le piston (13, 33) est agencé sur le tube-support (16, 37), et en ce qu'il est prévu un agencement à ressort (17, 44) entre le tubesupport et cet élément de butée, de sorte qu'en cas d'arrivée du piston sur l'élément de butée (18, 41) la caractéristique du ressort à gaz se superpose à celle de l'agencement à ressort (17, 44) dans le sens d'une caractéristique de ressort sensiblement plus raide.

2. Accumulateur haute pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre (39) du tube-support (37) reçoit un autre piston (40) auquel l'élément de butée (41) est fixé, et en ce que l'autre piston (40) est partiellement repoussé hors de l'extrémité libre (39) du tube-support (37) par l'agencement à ressort (44) qui s'appuie contre une cloison (38) à l'intérieur du tube-support.

3. Accumulateur haute pression selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour la surveillance des pertes de gaz dans la chambre de gaz (14, 34) il est prévu un capteur de pression qui, en vue de l'émission d'un signal de pré-avertissement, répond à une pression de pré-avertissement (Pw) dans la chambre de pression d'huile (15, 35), tandis que l'élément de butée (18, 41) occupe une position déterminée sur le trajet entre l'appui (T_BE) du piston (13, 33) contre l'élément de butée et la position de compression à bloc (T_Block) de l'agencement de ressort (17, 44).

Zeichnung