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EP4595165A1 - Einheit zur übertragung von fluiden und elektrischen signalen mit thermischer entkopplung - Google Patents

Einheit zur übertragung von fluiden und elektrischen signalen mit thermischer entkopplung

Info

Publication number
EP4595165A1
EP4595165A1 EP23782463.6A EP23782463A EP4595165A1 EP 4595165 A1 EP4595165 A1 EP 4595165A1 EP 23782463 A EP23782463 A EP 23782463A EP 4595165 A1 EP4595165 A1 EP 4595165A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
communication unit
unit
rotary feedthrough
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23782463.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dennis Hoff
Peter Stephan
Robert RAUM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Moog GAT GmbH
Original Assignee
Moog GAT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Moog GAT GmbH filed Critical Moog GAT GmbH
Publication of EP4595165A1 publication Critical patent/EP4595165A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/005—Electrical coupling combined with fluidic coupling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L39/00—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies
    • F16L39/04—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies allowing adjustment or movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L27/00—Adjustable joints; Joints allowing movement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection

Definitions

  • a fluid rotary union acts as a rotating interface for a fluid line between stationary and rotating devices.
  • the transferred fluid can be a liquid or a gas with positive or negative pressure.
  • Fluid rotary feedthroughs have the technical disadvantage that significant waste heat is generated during operation, whereby waste heat is thermal energy that is generated, for example, by friction between the stationary and rotating components. The thermal energy is transferred to the fluid to be transferred and also to the structure itself. In addition, leakage occurs during operation of the fluid rotary feedthroughs, which must be dissipated accordingly. In addition, the fluid heats up additionally when used in the machine connected to the rotary union.
  • rotary feedthrough is an electrical rotary transformer, also known as a slip ring transformer, which acts as a rotating interface between stationary and rotating devices to enable the transmission of power and/or data streams.
  • Another electrical rotary transformer can be designed primarily for the transmission of power currents and thus for "power supply".
  • Wear is usually to be expected due to the abrasion of the slip ring contacts, so that this type of slip ring transformer has a high level of wear and does not last long. This means that the worn slip ring transformers have to be replaced in operation by using a new electrical rotary transformer.
  • Such different rotary feedthroughs and rotary joints can be configured together to form a combined system.
  • a combined system can consist, for example, of a fluid rotary feedthrough, an electrical rotary transformer for transmitting data streams and an electrical rotary transformer for “power supply”.
  • Such combined systems are known in the art but are large and unwieldy.
  • the fluid rotary feedthrough helps the electrical rotary transformer to heat up to transmit data streams.
  • the electronics of this rotary transformer continue to heat up together with a warm ambient temperature, so that the maximum permissible operating temperature can be reached and even exceeded. This leads to a failure of the rotary joint and thus to an overall failure of the combined system. Since combined systems are often used in safety-critical applications such as wind turbines, controlling the operating temperature of the electrical rotary transformer for transmitting data streams is particularly important. Another challenge is preventing leakage from the fluid rotary feedthrough from penetrating into the electrical rotary transformer.
  • due to the very low electromagnetic compatibility of the electrical rotary transformer this in turn is very sensitive to the electrical smog the electrical rotary transformer emits for the "power supply”.
  • the Electrical rotary transformers can also be protected from abrasion of the sliding contacts from the electrical rotary transformer for the “power supply”.
  • the specialist uses the two electrical rotary transformers as a single unit, as this is the only way they are available on the market.
  • the disadvantage here is that the electrical rotary transformer for “power supply” wears out more quickly than the electrical rotary transformer for “data transmission”.
  • the expert since the expert usually only uses these two rotary joints as one unit, it is not intended to replace them separately and must therefore be replaced as a whole unit. This makes such a unit expensive. A cost-effective use of the combined system according to this prior art is therefore not possible.
  • the object of the present invention is to provide a combined rotary feedthrough with stationary and rotating system parts for the passage of fluids, data and electrical energy, which at least partially overcomes the disadvantages present in the prior art.
  • the combined rotary feedthrough of the present invention makes it possible to design an electrical rotary feedthrough for "power supply" as a type of disposable slip ring that can be replaced when worn out independently of the rest of the system. This makes the combined rotary feedthrough system easier to maintain, more durable and also more cost-effective than the known rotary feedthroughs from the State of the art.
  • the invention relates to a combined rotary feedthrough with the features of patent claim 1.
  • the combined rotary feedthrough according to the invention can be designed with stationary and rotating system parts for the passage of fluids, data and electrical energy.
  • the combined rotary feedthrough according to the invention can be designed with a housing that includes a fluid unit and at least one communication unit.
  • the combined rotary feedthrough can also have at least one supply unit.
  • This arrangement has the advantage that the fluid unit and the at least one communication unit can be formed together with the at least one supply unit in a compact design in the form of the combined rotary feedthrough according to the invention.
  • the housing can advantageously be designed in one piece, with a multi-part, in particular two-part, design of the housing also being possible.
  • the housing can advantageously protect the at least one communication unit, which is formed in the housing, from electrical and magnetic interference caused by the at least one supply unit.
  • the fluid unit can be designed as a rotary feedthrough for the fluid connection in a connection-side region of the housing with at least one supply and discharge connection of a rotatable shaft.
  • the fluid unit is thus a fluid rotary feedthrough.
  • the supply and discharge connections can be attached radially to the housing and/or also coaxially to the axis of rotation of the fluid unit.
  • a coaxial alignment of the connections can be provided both on the end face in the connection-side area of the fluid unit and on the cylindrical surface of the housing.
  • the supply and discharge connections are also designed as connections for supplying and discharging fluid that is required for the fluid unit.
  • the at least one communication unit can be designed as a rotary feedthrough for transmitting electrical signals in an operating-side area of the housing with at least one electronic connection.
  • the at least one electronic connection can be a connection for transmitting electronic signals such as data.
  • the first electronic connection can be used to connect an Ethernet cable. This has the advantage that high transmission rates are possible.
  • the at least one supply unit can be designed as a rotary feedthrough on the front side of the operator-side area of the housing with at least one electrical connection for the transmission of electrical energy.
  • the electrical connection has the advantage that currents and voltages can be transmitted and can therefore supply the communication unit, the fluid unit and also the stationary and rotating system parts with current and voltage.
  • the combined rotary feedthrough according to the invention can be characterized in that at least one intermediate element between the fluid unit and the communication unit can be formed in the housing of the rotary feedthrough according to the invention.
  • the arrangement of the intermediate element advantageously prevents neither leakage nor waste heat from the fluid unit from reaching the communication unit, so that the communication unit is thermally decoupled from the fluid unit and thus the operating temperature does not increase significantly and the electronic components within the communication unit do not come into contact with it Leakage of the fluid unit comes into contact.
  • At least one transition can be formed between the operating area of the housing and the supply unit arranged on the front side outside the housing.
  • the transition can protect the at least one communication unit in the housing from electromagnetic loads from the at least one supply unit.
  • the inventors have advantageously found that the supply unit operates independently of the fluid and fluid system mounted in the housing when it wears out Communication unit, can be replaced.
  • This enables a cost-effective combined rotary feedthrough according to the invention, which also has a long service life.
  • the communication unit can be mounted on the shaft of the fluid unit in the operating-side area of the housing.
  • the shaft can also be a split shaft, so that the communication unit is mounted on the split shaft.
  • the housing in the area of the communication unit can be formed in at least two parts.
  • a two-part housing in the form of a unit with a compact design, protects the communication unit from leakage from the fluid unit and is also decoupled from the waste heat of the fluid unit.
  • the influence of electrical and magnetic interference from the slip ring can be kept to a minimum.
  • the housing can have at least one plug connection element.
  • This plug connection element can be connected to the contacts of the shaft via at least one cable.
  • the plug connection element can be electrically connected to the contacts of the communication unit via at least one cable.
  • the at least one plug connection element can be attached to the housing, preferably to the The plug connection element can be attached to the front side of the connection side and the operating side of the housing at the level of the supply unit. This has the advantage that a supply unit can be connected to the communication unit immediately without having to connect individual cables.
  • This arrangement has the advantage that the at least one supply unit can be attached particularly easily to the housing in which the fluid and communication units are housed. This makes it possible to have a very maintenance-friendly combined rotary union, since the wear-prone supply unit can be replaced with a simple "plug and play" movement.
  • the supply unit also has a plug-in connection element at the corresponding point on its opposite end face, which is the counterpart to the other plug-in connection element. This allows the supply unit to be replaced quickly and easily in the event of wear and tear, and thus maintenance of the entire combined rotary union.
  • At least one sealing element can be arranged in a region between the intermediate element and the communication unit in order to prevent leakage from the fluid unit into the communication unit.
  • a sealing element can help ensure that leakage from the fluid unit does not flow into the communication unit or at least only in a very small amount. or can penetrate.
  • the communication unit is thus protected and a long service life of the communication unit can be achieved.
  • the at least one sealing element is at least partially made of an elastomer material.
  • the intermediate element can at least partially provide thermal decoupling in one area.
  • the intermediate element can dissipate thermal energy with a passive element.
  • the passive element can be a ventilation element for flow through the intermediate element.
  • One end of the at least one passive element can be attached to the shaft.
  • the passive element can represent a curve in a cross section as a spiral or in helical lines that runs around the shaft and moves away from the shaft as the center in the radial direction of the housing, from that of the shaft. This has the advantage that at low shaft speeds, a large amount of air or waste heat can still be transported out of the intermediate element.
  • a passive element in the form of a blade-shaped wing can also provide a high conveying capacity.
  • two or more passive elements in blade-shaped wing form can be attached to the shaft, especially two blade-shaped, overlapping wings like a Savonius rotor.
  • the intermediate element within the housing can form a spatial separation and a sealed transition between the fluid unit and the communication unit.
  • the spatial separation advantageously ensures that the fluid and communication unit are thermally decoupled.
  • the communication unit can be particularly effectively insulated from the thermal energy, in particular the waste heat of the fluid unit.
  • leakage from the fluid unit cannot penetrate into the communication unit due to the sealed transition.
  • Another advantage is that passive elements, through which advantageous rotor blades can be attached within the spatial separation of the intermediate element, and thus the waste heat can be transported away from the communication unit even more effectively from the housing.
  • a compact design of the combined rotary feedthrough according to the invention with different assemblies within a housing, such as the fluid and communication unit, is therefore possible because thermal decoupling can be ensured.
  • the intermediate element can be formed with an air gap in the housing between the fluid unit and the communication unit.
  • the inventors have advantageously determined a thermal decoupling of the fluid and communication unit in experiments, whereby the air gap can be used to particularly efficiently insulate the communication unit from the thermal energy, in particular the waste heat of the fluid unit.
  • a further advantage is that if additional passive elements such as ventilation elements or rotor blades are installed within the air gap, the waste heat from the fluid unit can be transported away from the housing of the communication unit even more effectively.
  • This enables a compact design of the combined rotary feedthrough according to the invention with different components within a housing, such as the fluid and communication unit.
  • the intermediate element can be filled with an insulating material from the housing until it reaches the passive element.
  • the intermediate element can discharge a leakage from the fluid unit to the outside via at least one opening formed radially in the housing.
  • the at least one opening can be formed in the housing part that covers the intermediate element. This has the advantage that leakage can escape to the outside via the intermediate element and thus a flow towards the communication unit or even penetration of the leakage into the communication unit can be prevented. The communication unit is thereby effectively protected from leakage from the fluid unit and the service life of the communication unit is thereby increased.
  • the opening can be a valve and/or membrane to allow leakage and warm air to escape the housing.
  • a ventilation system can be provided in the area of the intermediate element.
  • the ventilation system can, for example, be a cooling system, in which case connections for cooling the customer can be provided on the housing.
  • the ventilation system can also be an electrically driven ventilation wheel, which can advantageously be formed in the intermediate element.
  • the ventilation system thermally decouples the fluid and communication unit and thus enables a compact design, since the waste heat of the fluid unit is compensated by the ventilation system.
  • the inventors have advantageously found in tests that the thermal energy, in particular the waste heat of the fluid unit, can be transported particularly effectively out of the housing of the communication unit using a ventilation system. This enables a compact design of the combined rotary feedthrough according to the invention with different components, such as the fluid and communication unit.
  • the supply unit can continue to transmit electrical signals.
  • the supply unit can further transmit electrical signals optically.
  • the housing can be made of metal.
  • the inventors have advantageously found that a metal housing helps to form a Faraday cage. In this way, despite the compact design, the communication unit can achieve a low sensitivity to interference, particularly in relation to electrical smog from the supply unit. This leads to error-free functioning of the combined rotary union.
  • the fluid unit and the at least one communication unit can be arranged next to one another in the housing of the rotary feedthrough on an axis of the shaft.
  • the shaft can form an inner shaft through the cables from the front side in the operating side area to the front side in the connection side area, similar to a hollow axis.
  • This arrangement advantageously leads overall to a compact and maintenance-friendly design of the combined rotary union with the low-wear fluid and communication unit within a housing and the wearing element, the supply unit, separated from it via the operator-side area and easily accessible for replacement.
  • a cooling device can be provided in the area of the intermediate element for cooling the at least one communication unit.
  • the inventors have found that it is further advantageous to enhance the effect of thermal separation of the fluid and separation unit by additionally providing a Cooling of the communication unit.
  • the communication unit is kept at an optimal intended operating temperature, which extends the service life of the communication unit.
  • the fluid unit and communication unit can be arranged in one housing without the risk of having to replace both due to the short service life of one unit.
  • the cooling device in the intermediate element can be a bore formed parallel to the wall of the intermediate element, which runs from an opening in the housing to just before the shaft 8 and thus directs cool ambient air into the intermediate element, which mixes with the waste heat and is then transported out of the intermediate element and out of the housing again.
  • the cooling device thus helps the intermediate element to ensure a high thermal decoupling between the fluid unit and the communication unit.
  • the bore with the opening in the housing can run parallel to the wall of the intermediate element, but instead of inside the intermediate element, the cooling device can run inside the communication unit. This also lowers the interior temperature of the communication unit.
  • a wall parallel to the intermediate element is also sufficient to form an annular channel equivalent to the bore in the sense of a pipe. In this case, the wall of the intermediate element would be the second wall.
  • the communication unit can transmit the electrical signals as data.
  • the communication unit can transmit the electrical signals without contact.
  • the inventors have advantageously found that contactless data transmission in a compact design of the combined rotary feedthrough prevents contact transfer surfaces in the communication unit from wearing out. A particularly long service life of the communication unit can thus be achieved and it becomes possible to hold the fluid and communication unit in one unit.
  • the communication unit can transmit the electrical signals capacitively.
  • One advantage of capacitive transmission of electrical signals is that in a compact design of the combined rotary union, the communication unit does not form any contact surfaces that are subject to wear. This means that the communication unit can have a particularly long service life and it is possible to keep the fluid and communication unit in one unit.
  • transmission of electrical signals from a first communication unit can be capacitive and transmission of electrical signals from a second communication unit can be optical.
  • This arrangement has the advantage that two communication units are formed in a combined rotary feedthrough according to the invention, so that the redundancy and thus the reliability of the combined rotary feedthrough can be increased. This makes an overall compact design possible with the communication unit within a housing with the fluid unit.
  • the fluid unit can form at least one channel in which the fluid flows between the rotating and stationary body.
  • This arrangement has the advantage that the fluid can reach the system and be used there to regulate and control actuators or actuators.
  • a device for generating and providing an interior excess pressure can be provided in the housing.
  • the inventors have found that it is advantageous if it can be ensured in a compact design that the communication unit is not attacked by the leakage from the fluid unit. By providing an interior pressure, it is advantageously achieved that leakage can be led out of the housing and thus the communication unit is protected. This ensures the compact design and accommodation of the fluid and communication unit within a housing.
  • the combined rotary union can be used to control and regulate systems, in particular seismic measuring systems, Wind turbines, centrifuges, filling systems, rotary indexing tables and rotating clamping systems through to robots.
  • Fluids within the meaning of the invention are liquid media such as oil, water, grease and emulsion, whereby in the present case compressed air and gases are also to be understood as fluids within the meaning of the invention.
  • Leakage is the unwanted escape of fluid from the fluid unit towards the communication unit.
  • connection-side region of the housing is, according to the present invention, the region that is closer to the system parts, wherein the front side of the housing in the connection-side region can be in contact with the system and can be connected to it via a flange.
  • the operating-side area of the housing is the area which, as viewed from the system, is after the connection-side area and is closer to the operator.
  • the operating side is therefore the shaft side of the combined rotary union.
  • Rotary unions for transmitting electrical signals are used either to transmit signals, i.e. for example to transmit sensor signals in order to record and measure any state variables of a rotating machine part, and/or they consist of control signals with which electrically operated units on the stationary and/or rotating machine part are controlled, or they are power lines that supply electrical energy with which electrical units and the like are operated.
  • Electrical energy is electrical current and voltage.
  • different voltage ranges can be transmitted as electrical energy; known voltage ranges are in the range -400V to 400V for three-phase alternating current (colloquially known as three-phase or power current), preferably in the range -230V to 230V, more preferably in the range -24V to 24V and in particular in the range -12V to 12V.
  • Sensor signals and control signals can also be transmitted as data and typically have a voltage range between -6V and 6V.
  • Various well-known communication protocols from industry can be used to transmit the data. For example, the RS-485 standard for duplex communication should be mentioned here.
  • electrical signals is intended to encompass all of these types of electrical currents or voltages.
  • Passive elements for dissipating thermal energy within the meaning of the invention are, for example, elements such as rotor blades that are attached to already rotating components, such as the shaft of a rotary feedthrough. In this way, they help to transport the thermal energy, especially the waste heat of the fluid unit, out of the housing.
  • the passive elements in the form of rotor blades can take on any shape, preferably bent and matched to the intermediate element.
  • a ventilation system in the area of the intermediate element can be referred to as an active element.
  • the ventilation system can, for example, be a cooling system, in which case connections for the cooling are provided on the housing, to which customers can connect cooling units, or it can be an electrically driven ventilation wheel, which can preferably be formed in the intermediate element.
  • Figure 1 shows a combined rotary feedthrough according to the invention
  • Figure 2 shows schematically another combined rotary feedthrough according to the invention
  • Figure 3 shows schematically an alternative combined rotary feedthrough according to the invention
  • FIG. 4 shows schematically another combined rotary union according to the invention
  • Figure 5 shows schematically an alternative combined rotary union according to the invention
  • Figure 1 shows an example of a combined rotary union 1 of the invention.
  • This combined rotary union consists of a housing 2 with a fluid unit 3, a communication unit 9 and an intermediate element 15 which is arranged for thermal insulation between the fluid unit 3 and the communication unit 9.
  • the intermediate element 15 in Figure 1 is accommodated in the housing 2 and forms a narrow layer of insulating material, preferably heat-resistant plastic or elastomer with a low thermal conductivity.
  • the communication unit 9 is a rotary feedthrough for transmitting electrical signals and the supply unit 12 is a rotary feedthrough for transmitting electrical energy.
  • the fluid unit 3 which is a rotary feedthrough for fluids, is located in the housing 2 in a connection-side area 4, and the communication unit 9 is located in the operator-side area 10.
  • the communication unit 9 is connected in the operator-side area 10 by means of a fastening means 1011, preferably the screw 101, via the intermediate element 15 to an end face of the fluid rotary feedthrough 3.
  • the communication unit 9 and the fluid unit 3 are arranged in Figure 1 by means of bearing elements 102, 103 and bearing elements 202, 203, mounted around the shaft 8 of the fluid unit 3.
  • the communication unit 9 and the housing 2 with the housing part 211 and the parts connected thereto are mounted on the shaft 220 via the bearing elements 102, 103.
  • the shaft 220 is supported on the shaft 8 via a holding element 230, preferably a pin.
  • An alternative embodiment, not shown in Figure 1, is to connect the shaft 220 to the shaft 8.
  • the fastening means 101 preferably the screw
  • the housing part 211 of the communication unit 9 is supported by at least one connecting element 260 on the housing part 210 of the fluid unit 3 in such a way that no static overdetermination occurs.
  • the connecting element 260 can be designed as a pin inside the housing or attached to the outside of the housing 2 and bridge the intermediate element 15 from the housing part 210 of the fluid unit 3 and engage in the housing part 211 of the communication unit 9, preferably in the form of a retaining clip.
  • the fluid unit 3 in Figure 1 has a fluid connection P for the supply of the fluid and a fluid connection T for the return, which can be formed both coaxially to the shaft 8 in the direction of the machine part, and radially on the housing part 210 of the fluid unit 3.
  • the fluid connections P for the supply of the fluid and T for the return which can be formed both coaxially to the shaft 8 in the direction of the machine part, and radially on the housing part 210 of the fluid unit 3.
  • at least one circumferential sealing element 22 of the fluid unit 3 is shown in order to keep fluid leakage in the direction of the intermediate element 15 and communication unit 9 as low as possible.
  • the combined rotary feedthrough according to the invention in Figure 1 also shows that the fluid unit 3 is contained in the housing part 210 of the housing 2 and the communication unit 9 is contained in the housing part 211 of the housing 211 and the intermediate element 15 is contained in the housing 2 and thus forms a unit.
  • the supply unit 12 Separate from this, but part of the combined rotary feedthrough 1 according to the invention, is the supply unit 12, which is attached to the side of the housing 2. Since the supply unit 12 is designed to be highly wear-resistant independently of the resilient fluid unit 12 and, above all, the communication unit 9, the supply unit 12 can be replaced quickly and inexpensively independently of the rest of the combined rotary feedthrough 1.
  • Figure 2 shows an example of a combined rotary feedthrough of the invention, which is similar to the structure in Figure 1, but with the difference that the intermediate element 15 is wider.
  • the intermediate element 15 is optionally filled with an insulating material as in Figure 1.
  • the wider design increases the effect of the thermal insulation between the fluid unit 3 and the communication unit 9.
  • air can also be used as the insulating material.
  • the intermediate element 15 contains an air gap.
  • the fluid unit 3, the communication unit 9 and the intermediate element 15 are further arranged in a housing 2.
  • the intermediate element 15 forms a spatial separation and a sealed transition between the fluid unit 3 and the communication unit 9.
  • a circumferential sealing element 21 is also shown on the right edge of the intermediate element 15 on the shaft 8. This reduces and/or minimizes the amount of leakage that could possibly penetrate from the fluid unit 3 via the separating element 15 into the communication unit 9.
  • at least one opening such as the openings I, 271 from FIGS. 3 and 4 is necessary. These are not shown in Figure 2, but must also be formed radially in the housing in the area of the intermediate element 15. Via the intermediate element 15 and the at least one opening, corresponding to the opening TI, 271, any heated leakage that may occur escapes from the fluid unit 3 together with the waste heat (hot air) to the outside of the housing 2.
  • Figure 2 further shows a separately designed component, which is the supply unit 12 from Figure 1.
  • the supply unit 12 transmits electrical energy, such as current and voltage of different sizes and voltage levels, from the operating-side area 10 to system parts in the connection-side area 4, to which the combined rotary feedthrough of the invention is connected.
  • the current/voltage supply takes place via the electrical connection 14 by means of an electrical slip ring transformer located in the supply unit 12 and a further connection, which is advantageously designed as a plug-in connection element 17 between the communication unit 9 and the supply unit 12.
  • the cables 25 shown in Figure 2 are electrically connected to the plug connection 17 and transmit the necessary current and voltage through the shaft 8 to the system parts in the connection-side area 4.
  • FIG. 2 Also shown in Figure 2 is how the supply unit 12 supplies the communication unit with current and voltage via the electrical connection 14, the plug connection 17 and at least one cable 19.
  • the cable 19 electrically connects a second side 282 of the transmission unit 28 to the plug connection 17.
  • an electronic connection 11 is shown, which is located on the housing 2.
  • the electronic connection 11 is formed in the operating area 10 on the front side 13 of the communication unit 9 and is preferably designed as an Ethernet connection, which is suitable for transmitting at least 5 gigabits per second.
  • a cable 72 preferably an Ethernet cable, runs inside the shaft 8 from the connection-side area to the communication unit 9 and there contacts a first side 281 of a transmission unit 28.
  • the transmission unit 28 transmits the electrical signals and / or data from the first side 281 the second page 282 capacitive or optical.
  • An intermediate cable 92 electrically connects the second side 283 to the electronic connection 11.
  • electrical signals from system parts to evaluation computing units, such as computers, are transmitted operator-side area 10 (not shown in Figure 2).
  • the cables 25 also run in the shaft 8, which is hollow on the inside.
  • the cables 25 can run in a separate channel that is formed in the fluid unit 3, but not inside the shaft 8.
  • a first and a second communication unit can be formed one behind the other in the housing 2. In this case, both communication units and their corresponding transmission units transmit an electrical signal capacitively or optically. This creates redundancy and the combined rotary feedthrough becomes even more durable and fail-safe.
  • Figures 3 and 4 build on Figure 2 and show further examples of the combined rotary feedthrough of the invention.
  • a passive element 23 is formed in the intermediate element 15.
  • the separating element can contain an air gap.
  • the intermediate element 15 can consist of the known solid insulating materials as in Figure 2.
  • a corresponding recess for the passive element 23 and connecting holes from the passive element 23 to the opening 27 in the material of the intermediate element 15 would be provided in order to enable free air circulation.
  • the passive element 23 is attached to the shaft 8 and extends radially.
  • the passive element 23 rotates with the shaft 8.
  • the passive element 23 is shown schematically and is at least schematically a rotor blade or a ventilation element. The exact shape and length vary depending on the application; due to the low number of revolutions of the shaft, a passive element is preferred that can transport as large a quantity of air as possible due to the area used by the passive element.
  • a cooling device 48 in the intermediate element 15 is a tube formed by a bore 38 parallel to the wall of the intermediate element 15, which runs from an opening 29 in the housing 2 to just in front of the shaft 8 and thus directs cool ambient air into the intermediate element 15 , in which the rotating passive element sucks in the air.
  • the passive element 23 transports the air out of the housing 2 via the opening 29 in the housing 2 by rotating in the intermediate element 15.
  • only one opening 29 is shown as an example, but several of the openings 29 can be formed all around on the lateral surface of the housing 2.
  • the cooling device carries 48 and the rotating passive element 23 contributes to the fact that the intermediate element 15 can ensure adequate thermal decoupling between the fluid unit 3 and the communication unit 9.
  • the bore 38 can alternatively run with the opening 29 in the housing 2 parallel to the wall of the intermediate element 15, but instead of running inside the intermediate element 15, the cooling device 48 can run in the communication unit 9. This also lowers the interior temperature of the communication unit 9 and prevents the maximum permitted operating temperature from being exceeded.
  • a lateral through hole 381 from the communication unit to the intermediate element 15 is necessary.
  • the circumferential sealing element 21 is accordingly arranged offset in order to give the through hole 381 the necessary space.
  • a wall parallel to the separating element 15 is also sufficient to create an annular channel equivalent to the bore 38.
  • the wall of the separating element 15 would be the second wall.
  • Figure 5 builds on Figures 2, 3 and 4 and shows another example of the combined rotary feedthrough of the invention.
  • a further connection 26 is shown on the housing 2 in the area of the communication unit 9.
  • many elements, features and components from Figures 1 to 4 have been omitted, but these can easily be combined with the connection 26 in order to keep the operating temperature of the communication unit 9 as low as possible.
  • the passive element 23 such as the rotor has been omitted in Figure 5.
  • the connection 26 serves to generate a cool air flow and an overpressure inside the communication unit 9 using air from outside the housing 2. In this way, the temperature in the communication unit (9) is lowered.
  • the connection 26 for generating an overpressure can be combined with all examples of the combined rotary feedthrough.

Landscapes

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  • Quick-Acting Or Multi-Walled Pipe Joints (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Drehdurchführung mit stehenden und rotierenden Anlageteilen zur Durchleitung von Fluiden, Daten und elektrischer Energie, aufweisend ein Gehäuse, das eine Fluideinheit als Drehdurchführung für die Fluidverbindung im anschlussseitigen Bereich des Gehäuses mit jeweils wenigstens einem Zuführ- und Abführanschluss und einer drehbaren Welle umfasst und das Gehäuse weiter zumindest eine Kommunikationseinheit als Drehdurchführung für eine Übertragung elektrischer Signale in einem bedienseitigen Bereich des Gehäuses mit wenigsten einem elektronischen Anschluss umfasst. Die kombinierte Drehdurchführung weist des Weiteren zumindest eine Versorgungseinheit zur Übertragung elektrischer Energie als Drehdurchführung an der Stirnseite des bedienseitigen Bereichs des Gehäuses mit wenigsten einem elektrischen Anschluss auf, und wobei im Gehäuse wenigstens ein Zwischenelement zwischen der Fluideinheit und der Kommunikationseinheit ausgebildet ist und zumindest ein Übergang zwischen dem bedienseitigen Bereich des Gehäuses und der stirnseitig, außerhalb des Gehäuses angeordneten Versorgungseinheit ausgebildet ist.

Description

Einheit zur Übertragung von Fluiden und elektrischen Signalen mit thermischer Entkopplung
Eine Fluid-Drehdurchführung, oft auch als klassische Drehdurchführung bezeichnet, fungiert als rotierende Schnittstelle für eine Fluid-Leitung zwischen stationären und rotierenden Geräten. Bei dem übertragenen Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Gas mit Überdruck oder Unterdrück handeln.
Fluid-Drehdurchführungen haben den technischen Nachteil, dass eine signifikante Abwärme während des Betriebs entsteht, wobei Abwärme thermische Energie ist die bspw. durch Reibung zwischen den stationären und rotierenden Komponenten entsteht. Die thermische Energie überträgt sich auf das zu übertragende Fluid und auch auf den Baukörper selbst. Darüber hinaus während des Betriebs der Fluid-Drehdurchführungen Leckage aus, die entsprechend abgeführt werden muss. Außerdem erwärmt sich das Fluid beim Verwenden in der an die Drehdurchführung angeschlossenen Maschine zusätzlich.
Eine weitere bekannte Art von Drehdurchführung ist ein elektrischer Drehübertrager, auch als Schleifringübertrager bekannt, die als rotierende Schnittstelle zwischen stationären und rotierenden Geräten fungiert, um die Übertragung von Leistungs- und/oder Datenströmen zu ermöglichen.
Wenn es sich um einen elektrischen Drehübertrager handelt, die vor allem Datenströme überträgt und verarbeitet, so bestehen für die interne Elektronik Grenzen der Einsatzfähigkeit bezüglich der Temperatur, insbesondere erhöhten Temperaturen, und auch die elektromagnetische Verträglichkeit dieser elektrische Drehübertrager beeinflusst einen ungestörten Betrieb. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die empfindliche Elektronik in einer trockenen Umgebung gehalten wird. Insbesondere Leckage (ungewollt austretende Fluide aus benachbarten Baugruppen) sollten möglichst nicht in den elektrischen Drehübertrager eintreten können. Hierbei ist es problematisch, dass ein abgeschlossenes Gehäuse der elektrische Drehübertrager zu einer Temperaturerhöhung im Inneren führt und sich negativ auf die Elektronik auswirkt. Zusätzlich erwärmt sich dieser elektrische Drehübertrager über die Umgebungstemperatur, so dass die Betriebstemperatur des Drehübertragers weiter ansteigt.
Ein weiterer elektrischer Drehübertrager kann vor allem auf die Übertragung von Leistungsströmen und somit zur „Stromversorgung" ausgelegt sein. In diesem Fall ist üblicherweise mit Verschleiß aufgrund des Abriebs der Schleifringkontakte zu rechnen, sodass diese Art von Schleifringübertrager einen hohen Verschleiß haben und nicht lange halten. Das führt dazu, dass die abgenutzten Schleifringübertrager im Betrieb ersetzt werden müssen in dem ein neuer elektrischer Drehübertrager verwendet wird.
Diese unterschiedlichen Drehdurchführungen und Drehübertrager können zu einem kombinierten System miteinander konfiguriert werden. Dementsprechend kann solch ein kombiniertes System bspw. aus einer Fluid-Drehdurchführung, einem elektrischen Drehübertrager zur Übertragung von Datenströmen und einem elektrischen Drehübertrager zur „Stromversorgung" bestehen. Solche kombinierten Systeme sind im Stand der Technik bekannt aber groß und unhandlich.
Kombinierte Systeme in einer kompakten Bauweise herzustellen, ohne dass sich die verschiedenen Baugruppen gegenseitig negativ beeinflussen, ist eine große technische Herausforderung. Vor allem ein kombiniertes System, das aus der Fluid- Drehdurchführung, dem elektrischen Drehübertrager für Datenströme sowie einem Drehübertrager, der ausschließlich zur Stromversorgung gedacht ist, hat die große technische Herausforderung, dass auch alle oben genannten Nachteile der einzelnen Drehdurchführungen und Drehübertrager in ein System kombiniert werden. Insbesondere der Vertrieb der beiden einzelnen elektrischen Drehübertrager als eine Einheit erhöht unnötig die Kosten, wenn aufgrund des Verschleißes eigentlich statt nur den einen Drehübertrager zur „Stromversorgung" zu ersetzt, die gesamte Einheit ersetzt werden muss.
Dabei trägt die Fluid-Drehdurchführung dazu bei, dass sich der elektrische Drehübertrager zur Übertragung von Datenströmen erwärmt. Im Betrieb erwärmt sich die Elektronik dieses Drehübertragers zusammen mit einer warmen Umgebungstemperatur weiter, sodass die maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht und sogar überstiegen werden kann. Dies führt zu einem Ausfall des Drehübertragers und somit zu einem Gesamtversagen des kombinierten Systems. Da kombinierte Systeme häufig in sicherheitskritischen Anwendungen wie beispielsweise Windkraftanlagen verwendet werden, ist eine Kontrolle der Betriebstemperatur des elektrischen Drehübertragers zur Übertragung von Datenströmen besonders wichtig. Eine weitere Herausforderung ist auch das Verhindern von Eindringen der Leckage aus der Fluid-Drehdurchführung in den elektrischen Drehübertrager. Dazu kommt, dass aufgrund der sehr niedrigen elektromagnetischen Verträglichkeit des elektrischen Drehübertragers, diese wiederum sehr empfindlich gegenüber dem Elektro-Smog den elektrische Drehübertrager zur „Stromversorgung" emittiert. Darüber hinaus muss der elektrische Drehübertrager auch vor dem Abrieb der Schleifkontakte aus dem elektrischen Drehübertrager zur „Stromversorgung" geschützt werden.
Dabei verwendet der Fachmann die beiden elektrischen Drehübertrager als eine Einheit, da diese am Markt nur so erhältlich sind. Nachteilig dabei ist, dass sich der elektrische Drehübertrager zur „Stromversorgung" schneller abnutzt als der elektrische Drehübertrager zur „Datenübertragung". Da der Fachmann diese beiden Drehübertrager jedoch meistens nur als eine Einheit verwendet, ist es nicht vorgesehen diese getrennt voneinander auszutauschen und müssen deshalb als eine Gesamteinheit erneuert werden. Das macht eine solche Einheit teuer. Somit ist eine kostengünstige Verwendung des kombinierten Systems nach diesem Stand der Technik nicht möglich.
Besonders in Windkraftanlagen ist es von besonderer Bedeutung, ein möglichst geringes Baumaß eines kombinierten Systems an Drehdurchführungen mit Drehübertragern zu ermöglichen verschleißarme Bauelemente zu gruppieren und unabhängig von dem Bauteilen mit hohem Verschleiß auszubilden, um einen einfachen und günstigen Austausch der relevanten Bauelemente zu ermöglichen.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kombinierte Drehdurchführung mit stehenden und rotierenden Anlageteilen zur Durchleitung von Fluiden, Daten und elektrischer Energie, bereitzustellen, die die im Stand der Technik vorliegenden Nachteile mindestens teilweise überwindet.
Insbesondere ist es eine Aufgabe eine kombinierte Drehdurchführung in kompakter Bauweise bereitzustellen, die es ermöglicht die Übertragung der Abwärme zwischen den einzelnen Drehdurchführungen und Drehübertragern zu reduzieren und die elektromagnetische Empfindlichkeit zu verbessern. Darüber hinaus ermöglicht die kombinierte Drehdurchführung der vorliegenden Erfindung eine elektrische Drehdurchführung zur „Stromversorgung" als eine Art Wegwerfschleifring auszubilden, der unabhängig vom restlichen System bei Verschleiß ersetzt werden kann. Dadurch wird das kombinierte Drehdurchführungssystem wartungsfreundlicher, langlebiger und auch kostengünstiger als die bekannten Drehdurchführungen aus dem Stand der Technik.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung beschrieben. Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine kombinierte Drehdurchführung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung kann mit stehenden und rotierenden Anlageteilen zur Durchleitung von Fluiden, Daten und elektrischer Energie ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung mit einem Gehäuse, das eine Fluideinheit und zumindest eine Kommunikationseinheit umfasst, ausgebildet sein. Dabei kann die kombinierte Drehdurchführung auch noch zumindest eine Versorgungseinheit aufweisen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Fluideinheit und die zumindest eine Kommunikationseinheit zusammen, mit der zumindest einen Versorgungseinheit in einer kompakten Bauweise in Form der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung ausgebildet werden können. Vorteilhafterweise kann das Gehäuse einteilig ausgebildet sein, wobei auch eine mehrteilige, insbesondere zweiteilige, Ausgestaltung des Gehäuses möglich ist.
Das Gehäuse kann in vorteilhafter Weise die zumindest eine Kommunikationseinheit, die im Gehäuse ausgebildet ist, vor elektrischer und magnetischer Störung, durch die zumindest eine Versorgungseinheit schützen.
Die Fluideinheit kann als eine Drehdurchführung für die Fluidverbindung in einem anschlussseitigen Bereich des Gehäuses mit jeweils wenigstens einem Zuführ- und Abführanschluss einer drehbaren Welle ausgebildet sein. Somit ist die Fluideinheit eine Fluid-Drehdurchführung.
Vorteilhafterweise können die Zuführ- und Abführanschlüsse radial am Gehäuse angebracht sein und/oder auch koaxial zur Drehachse der Fluideinheit. Eine koaxiale Ausrichtung der Anschlüsse kann sowohl an der Stirnseite im anschlussseitigen Bereich der Fluideinheit vorgesehen sein wie auch an der zylinderartigen Oberfläche des Gehäuses. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Zuführ- und Abführanschlüsse auch als Anschlüsse zum Zuführen und Abführen von Fluid, das für die Fluideinheit benötigt wird, ausgebildet sind.
Die zumindest eine Kommunikationseinheit kann als eine Drehdurchführung für eine Übertragung elektrischer Signale in einem bedienseitigen Bereich des Gehäuses mit wenigstens einem elektronischen Anschluss ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung modular aufgebaut ist und besonders wartungsfreundlich ist. Der zumindest eine elektronische Anschluss kann ein Anschluss sein, um elektronische Signale wie Daten zu übertragen. Der erste elektronische Anschluss kann dazu dienen ein Ethernet-Kabel anzuschließen. Dies hat den Vorteil, dass hohe Übertragungsraten möglich sind.
Die zumindest eine Versorgungseinheit kann zur Übertragung elektrischer Energie als Drehdurchführung an der Stirnseite des bedienseitigen Bereichs des Gehäuses mit wenigstens einem elektrischen Anschluss ausgebildet sein.
Der elektrische Anschluss hat den Vorteil, dass damit Ströme und Spannungen übertragen werden können und somit die Kommunikationseinheit, die Fluideinheit und auch die stehenden sowie rotierenden Anlageteile mit Strom und Spannung versorgen kann.
Die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass in dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Drehdurchführung wenigstens ein Zwischenelement zwischen der Fluideinheit und der Kommunikationseinheit ausgebildet sein kann.
Die Anordnung des Zwischenelements verhindert in vorteilhafter Weise, dass weder Leckage noch Abwärme der Fluideinheit zur Kommunikationseinheit gelangt, sodass die Kommunikationseinheit von der Fluideinheit thermisch entkoppelt ist und sich somit die Betriebstemperatur nicht stark erhöht und auch die elektronischen Komponenten innerhalb der Kommunikationseinheit nicht in Kontakt mit der Leckage der Fluideinheit in Berührung gelangt.
Außerdem kann zumindest ein Übergang zwischen dem bedienseitigen Bereich des Gehäuses und der stirnseitig, außerhalb des Gehäuses angeordneten Versorgungseinheit ausgebildet sein.
In vorteilhafter Weise kann der Übergang die zumindest eine Kommunikationseinheit im Gehäuse vor elektromagnetischen Belastungen aus der zumindest einen Versorgungseinheit schützen.
Des Weiteren haben die Erfinder durch die Anordnung der Versorgungseinheit außerhalb des Gehäuses in vorteilhafter Weise herausgefunden, dass die Versorgungseinheit bei Verschleiß unabhängig von der im Gehäuse angebrachten Fluid- und Kommunikationseinheit, ausgetauscht werden kann. Das führt dazu, dass die langlebigen und vergleichsweise teuren Bauteile, wie die Fluid- und Kommunikationseinheit, in der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung erhalten bleiben und im Gegensatz dazu nur das vergleichsweise günstige Verschleiß-Bauteil, die Versorgungseinheit, ausgetauscht werden muss. Dadurch wird eine kostengünstige erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung ermöglicht, die darüber hinaus auch eine hohe Lebensdauer aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kommunikationseinheit auf der Welle der Fluideinheit im bedienseitigen Bereich des Gehäuses lagernd angeordnet sein. Die Welle kann auch eine geteilte Welle sein, sodass die Kommunikationseinheit auf der geteilten Welle lagernd angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass eine besonders kompakte Bauweise möglich ist, in dem über eine Schraubverbindung die Kommunikationseinheit mit der Fluideinheit gehäuseseitig verbunden und/oder die Schraubverbindung die Kommunikationseinheit wellenseitig verbunden werden kann. Somit ist eine zuverlässige Kommunikationseinheit gewährleistet ist. Eine statische Überbestimmt wird in der jeweilige Ausführungsform durch ein Haltelement, vorteilhafterweise ein Stift, vermieden. Eine statische Überbestimmtheit wird in der jeweiligen Ausführungsform durch ein Haltelement, vorteilhafterweise ein Stift, vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse im Bereich der Kommunikationseinheit zumindest zweiteilig ausgebildet ist.
Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweise festgestellt, dass durch ein zweiteiliges Gehäuse, in Form einer Einheit mit kompakter Bauweise, die Kommunikationseinheit vor Leckage aus der Fluideinheit geschützt ist und auch von der Abwärme der Fluideinheit entkoppelt ist. Darüber hinaus kann weiterhin der Einfluss der elektrischen und magnetischen Störung des Schleifrings auf ein Minimum gehalten werden.
In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse zumindest ein Steckverbindungselement aufweisen. Diese Steckverbindungselement kann über zumindest ein Kabel mit den Kontakten der Welle verbunden sein. Darüber hinaus kann das Steckverbindungselement über zumindest ein Kabel mit den Kontakten der Kommunikationseinheit elektrisch verbunden sein. Vorteilhafter Weise kann das zumindest eine Steckverbindungselement jeweils am Gehäuse, bevorzugt an der Stirnseite des anschlussseitigen und bedienseitigen Bereichs des Gehäuses ausgebildet sein. Das Steckverbindungselement kann an der Stirnseite im bedienseitigen Bereich des Gehäuses auf Höhe der Versorgungseinheit angebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass eine Versorgungseinheit ohne extra einzelne Kabel anschließen zu müssen, sofort mit der Kommunikationseinheit verbunden werden kann.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die zumindest eine Versorgungseinheit besonders einfach an dem Gehäuse, in dem die Fluid- und Kommunikationseinheit untergebracht sind, angebracht werden kann. Somit ist eine sehr wartungsfreundliche kombinierte Drehdurchführung möglich, da die verschleißanfällige Versorgungseinheit mit einem einfachen Handgriff per „Plug and Play" ersetzt werden kann. In diesem Fall hat die Versorgungseinheit an entsprechender Stelle ihrer gegenüberliegenden Stirnseite ebenfalls ein Steckverbindungselement ausgebildet, dass das Gegenstück zu dem anderen Steckverbindungselement darstellt. Dies erlaubt einen schnellen, unkomplizierten Austausch der Versorgungseinheit bei Verschleiß und somit eine Wartung der gesamten kombinierten Drehdurchführung.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann in einem Bereich zwischen dem Zwischenelement und der Kommunikationseinheit zumindest ein Dichtungselement angeordnet sein, um Leckage aus der Fluideinheit in die Kommunikationseinheit zu verhindern.
Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweise erkannt, dass durch die kompakte Bauweise und Zusammenführung der Fluid- und Kommunikationseinheit in ein Gehäuse, ein Dichtungselement dazu beitragen kann, dass Leckage aus der Fluideinheit nicht oder zumindest nur in sehr geringer Menge in die Kommunikationseinheit vor- und/oder eindringen kann. Somit ist die Kommunikationseinheit geschützt und eine lange Lebensdauer der Kommunikationseinheit kann erreicht werden. Dies führt dazu, dass die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung lange ungestört im Betrieb sein kann. Des Weiteren ist das zumindest eine Dichtungselement zumindest zu einem Anteil aus einem Elastomer-Werkstoff ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform kann in einem Bereich das Zwischenelement wenigstens teilweise eine thermische Entkopplung bereitstellen.
Dies hat den Vorteil, dass die Abwärme der Fluideinheit sich nicht auf die Kommunikationseinheit überträgt und somit die Kommunikationseinheit in einer optimalen niedrigeren Betriebstemperatur arbeiten kann. Dadurch ist die Langlebigkeit der Kommunikationseinheit, insbesondere der internen elektronischen Komponenten gewährleistet. Somit kann die Fluid- und Kommunikationseinheit in einem Gehäuse zusammengefasst werden und es bleibt nur die Versorgungseinheit als Verschleißteil der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung übrig, die aber jederzeit ohne großartigen technischen Aufwand und vor allem kostengünstig ersetzt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform kann das Zwischenelement thermische Energie mit einem Passiv-Element abführen. Das Passiv-Element kann ein Belüftungselement zum Durchströmen des Zwischenelements sein. Dabei kann ein Ende des zumindest einen Passiv-Elements an der Welle befestigt sein. Das Passiv-Element kann in einem Querschnitt als Spirale oder in Schneckenlinien eine Kurve darstellen, die um die Welle verläuft und sich von der Welle als Zentrum in radialer Richtung des Gehäuses, von dem der Welle entfernt. Dies hat den Vorteil, dass bei geringer Drehzahl der Welle, trotzdem eine große Menge an Luft bzw. Abwärme aus dem Zwischenelemente befördern kann. Eine ebenfalls hohe Förderleistung kann ein Passiv-Element in Form eines schaufelförmigen Flügel erbringen. Des Weiteren können zwei oder mehr Passiv- Elemente in schaufelförmigen Flügel Form an der Welle angebracht werden, vor allem zwei schaufelförmigen, einander überlappende Flügel wie ein Savonius Rotor.
Dies hat den Vorteil, dass das Zwischenelement die Fluid und Kommunikationseinheit thermisch entkoppelt. Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweise festgestellt, dass durch ein Passiv-Element, die thermische Energie, insbesondere die Abwärme der Fluideinheit besonders effektiv aus dem Gehäuse von der Kommunikationseinheit weggeleitet werden kann. Somit ist eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung mit unterschiedlichen Baugruppen, wie der Fluid- und Kommunikationseinheit möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Zwischenelement innerhalb des Gehäuses eine räumliche Trennung und einen abgedichteten Übergang zwischen der Fluideinheit und der Kommunikationseinheit ausbilden.
Durch die räumliche Trennung wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Fluid und Kommunikationseinheit thermisch entkoppelt sind. Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweise festgestellt, dass durch eine räumliche Trennung, die Kommunikationseinheit besonders effektiv vor der thermischen Energie, insbesondere der Abwärme der Fluideinheit isoliert werden kann. Darüber hinaus ist es auch von Vorteil, dass Leckage aus der Fluideinheit aufgrund des abgedichteten Übergangs nicht in die Kommunikationseinheit vordingen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass Passiv-Elemente, durch dem Zweckgemäß vorteilhafte Rotorblätter innerhalb der räumlichen Trennung des Zwischenelements angebracht werden können und somit die Abwärme noch effektiver aus dem Gehäuse von der Kommunikationseinheit wegbefördert werden können. Somit ist eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung mit unterschiedlichen Baugruppen innerhalb eines Gehäuses, wie der Fluid- und Kommunikationseinheit möglich, weil eine thermische Entkopplung sichergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Zwischenelement mit einem Luftspalt im Gehäuse zwischen der Fluideinheit und der Kommunikationseinheit ausgebildet sein.
Durch den Luftspalt haben die Erfinder in Versuchen vorteilhafterweise eine thermische Entkopplung der Fluid und Kommunikationseinheit festgestellt, wobei durch den Luftspalt die Kommunikationseinheit besonders effizient vor der thermischen Energie, insbesondere der Abwärme der Fluideinheit, isoliert werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass wenn zusätzlich Passiv-Elemente, wie Belüftungselemente bspw. Rotorblätter innerhalb des Luftspalts angebracht werden und die Abwärme der Fluideinheit noch effektiver aus dem Gehäuse von der Kommunikationseinheit wegbefördert werden kann. Somit ist eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung mit unterschiedlichen Baugruppen innerhalb eines Gehäuses, wie der Fluid- und Kommunikationseinheit möglich.
Das Zwischenelement kann alternativ vom Gehäuse bis zum Erreichen des Passiv- Elements, mit einem Isoliermaterial gefüllt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Zwischenelement eine Leckage aus der Fluideinheit über zumindest eine in dem Gehäuse radial ausgebildete Öffnung nach außen abführen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass trotz der kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung und der Unterbringung der Fluid- und Kommunikationseinheit in einem Gehäuse, es möglich ist zu verhindern, dass Leckage, die aus der Fluideinheit austritt und in die Kommunikationseinheit eindringt, da die Leckage über das Zwischenelement aus dem Gehäuse geführt wird. Dadurch wird die Lebensdauer der Kommunikationseinheit und letztendlich insgesamt der kombinierten Drehdurchführung erhöht, da eine Beschädigung der Kommunikationseinheit durch die Leckage verhindert werden kann. In vorteilhafter Weise kann die zumindest eine Öffnung in dem Gehäuseteil ausgebildet sein, der das Zwischenelement überdeckt. Dies hat den Vorteil, dass Leckage über das Zwischenelement nach außen treten kann und somit ein Fluss in Richtung der Kommunikationseinheit oder sogar ein Eindringen der Leckage in die Kommunikationseinheit verhindert werden kann. Die Kommunikationseinheit wird dadurch effektiv vor der Leckage aus der Fluideinheit geschützt und dadurch wird Lebensdauer der Kommunikationseinheit erhöht. Die Öffnung kann dabei ein Ventil und/oder Membran sein um Leckage und warme Luft nach außen aus dem Gehäuse zu lassen.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Belüftungssystem im Bereich des Zwischenelements vorgesehen sein. Das Belüftungssystem kann beispielsweise eine Kühlung sein, wobei in diesem Fall am Gehäuse Anschlüsse für die Kühlung des Kunden bereitgestellt sein können. Das Belüftungssystem kann auch ein elektrisch angetriebenes Lüftungsrad sein, welches vorteilhafterweise im Zwischenelement ausgebildet sei kann.
Dies hat den Vorteil, dass das Belüftungssystem die Fluid und Kommunikationseinheit thermisch entkoppelt und somit eine kompakte Bauweise ermöglicht, da die Abwärme der Fluideinheit durch das Belüftungssystem kompensiert wird. Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweise festgestellt, dass durch ein Belüftungssystem, die thermische Energie, insbesondere die Abwärme der Fluideinheit besonders effektiv aus dem Gehäuse von der Kommunikationseinheit wegbefördert werden kann. Somit ist eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung mit unterschiedlichen Baugruppen, wie der Fluid- und Kommunikationseinheit möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Versorgungseinheit weiterhin elektrische Signale übertragen.
Dies hat den Vorteil, dass eine besonders kompakte Drehdurchführung ausgebildet werden kann, da die elektrischen Signale über die Versorgungseinheit zur Fluid- und Kommunikationseinheit gelangen kann und auch gleichzeitig über die Versorgungseinheit zurückfließen kann und dort beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit, wie einen mit der kombinierte Drehdurchführung verbundenen Rechner, ausgewertet/bearbeitet und kontrolliert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Versorgungseinheit weiterhin elektrische Signale optisch übertragen. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders kompakte kombinierte Drehdurchführung ausgebildet werden kann, da die elektrischen Signale über die Versorgungseinheit zur Fluid- und Kommunikationseinheit gelangen kann und auch gleichzeitig über die Versorgungseinheit zurückfließen kann und dort beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit, wie einen mit der kombinierte Drehdurchführung verbundenen Rechner, ausgewertet/bearbeitet und kontrolliert werden kann.
In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse aus Metall ausgebildet sein.
Die Erfinder haben vorteilhafterweise festgestellt, dass ein Gehäuse aus Metall dazu beiträgt, einen Faraday'schen Käfig auszubilden. Somit kann trotz kompakter Bauweise eine niedrige Störempfindlichkeit der Kommunikationseinheit insbesondere gegenüber Elektro-Smog aus der Versorgungseinheit erreicht werden. Dies führt zu einer fehlerfreien Funktionsweise der kombinierten Drehdurchführung.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Fluideinheit und die zumindest eine Kommunikationseinheit in dem Gehäuse der Drehdurchführung auf einer Achse der Welle nebeneinander angeordnet sind. Dabei kann die Welle einen inneren Schacht durch die Kabel von der Stirnseite im bedienseitigen Bereich zu der Stirnseite im anschlussseitigen Bereich ähnlich einer Hohlachse ausbilden.
Diese Anordnung führt vorteilhafterweise insgesamt zu einer kompakten und wartungsfreundlichen Bauweise der kombinierten Drehdurchführung mit der verschleißarmen Fluid- und Kommunikationseinheit innerhalb eines Gehäuses und das Verschleißelement, die Versorgungseinheit, davon getrennt über den bedienseitigen Bereich leicht zugänglich für eine Austausch erreichbar ist.
Dies hat den Vorteil, dass eine besonders effektive thermische Trennung zwischen der Fluid- und Trenneinheit erreicht werden kann, obwohl diese innerhalb desselben Gehäuses angeordnet sind, da bspw. die Abwärme aus dem Gehäuse herausgeführt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Kühlvorrichtung im Bereich des Zwischenelements zum Kühlen der zumindest einen Kommunikationseinheit vorgesehen sein.
Die Erfinder haben festgestellt, dass es weiterhin vorteilhaft ist, um den Effekt der thermischen Trennung der Fluid- und Trenneinheit zu verstärken zusätzlich noch eine Kühlung der Kommunikationseinheit vorzunehmen. Insbesondere wird die Kommunikationseinheit in einer optimalen vorgesehenen Betriebstemperatur gehalten, was die Lebensdauer der Kommunikationseinheit verlängert. Dadurch können die Fluideinheit und Kommunikationseinheit in einem Gehäuse angeordnet werden, ohne dass das Risiko besteht auf Grund von niedriger Betriebslebensdauer einer Einheit beide ersetzen zu müssen. Vorteilhafter Weise kann die Kühlvorrichtung in dem Zwischenelement eine parallel zu der Wand des Zwischenelement ausgebildete Bohrung sein, dass von einer Öffnung im Gehäuse bis kurz vor die Welle 8 verläuft und so kühle Umgebungsluft in das Zwischenelement leitet, das sich mit der Abwärme vermischt und dann aus dem Zwischenelement wieder aus dem Gehäuse herausbefördert wird. So trägt die Kühlvorrichtung dazu bei, dass das Zwischenelement eine hohe thermische Entkopplung zwischen Fluideinheit und Kommunikationseinheit gewährleisten kann. Alternativ kann die Bohrung mit der Öffnung im Gehäuse parallel zur Wand des Zwischenelements verlaufen aber anstatt im Inneren des Zwischenelements kann die Kühlvorrichtung in der Kommunikationseinheit verlaufen. Dadurch wird die Innenraumtemperatur der Kommunikationseinheit auch bereits abgesenkt. Statt einer Bohrung ist auch eine zum Zwischenelement parallele Wand ausreichend, um einen Ringkanal äquivalent zur Bohrung im Sinne eines Rohrs auszubilden. In dem Fall wäre die Wand des Zwischenelements eine die zweite Wand.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kommunikationseinheit die elektrischen Signale als Daten übertragen.
Dies ist besonders vorteilhaft, da aufgrund des Platzmangels in einer kompakten Bauweise der kombinierten Drehdurchführung sichergestellt werden kann, dass die Funktionsweise der kombinierten Drehdurchführung weiterhin erhalten bleibt, um eine präzise Ansteuerung zu ermöglichen, bspw. eines Stellglieds einer Windkraftanlage.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kommunikationseinheit die elektrischen Signale kontaktlos übertragen.
Die Erfinder haben in Versuchen vorteilhafterweisen festgestellt, dass eine kontaktlose Datenübertragung in einer kompakten Bauweise der kombinierten Drehdurchführung verhindert, dass Kontaktübertragungsflächen in der Kommunikationseinheit verschleißen. Somit kann eine besonders hohe Lebensdauer der Kommunikationseinheit erreicht werden und es wird möglich die Fluid- und Kommunikationseinheit in einer Einheit festzuhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Kommunikationseinheit die elektrischen Signale kapazitiv übertragen.
Ein Vorteil einer kapazitiven Übertragung von elektrischen Signalen ist es, dass in einer kompakten Bauweise der kombinierten Drehdurchführung, die Kommunikationseinheit keine verschleißbaren Kontaktflächen ausbildet. Somit kann eine besonders hohe Lebensdauer der Kommunikationseinheit erreicht werden und es wird möglich die Fluid- und Kommunikationseinheit in einer Einheit festzuhalten.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Übertragung elektrischer Signale einer ersten Kommunikationseinheit kapazitiv sein und eine Übertragung elektrischer Signale einer zweiten Kommunikationseinheit optisch sein.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass zwei Kommunikationseinheiten in einer erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung ausgebildet werden, sodass die Redundanz und somit die Ausfallsicherheit der kombinierten Drehdurchführung erhöht werden kann. Dadurch wird insgesamt eine kompakte Bauweise mit der Kommunikationseinheit innerhalb eines Gehäuses mit der Fluideinheit möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Fluideinheit wenigstens einen Kanal ausbilden, in dem das Fluid zwischen dem rotierenden und feststehenden Körper fließt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Fluid zur Anlage gelangen kann und dort zur Regelung und Steuerung von Stellgliedern bzw. Aktuatoren verwendet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur Erzeugung und Bereitstellung eines Innenraumüberdrucks im Gehäuse vorgesehen sein.
Die Erfinder haben festgestellt, dass es von Vorteil ist, wenn in einer kompakten Bauweise sichergestellt werden kann, dass die Kommunikationseinheit durch die Leckage von der Fluideinheit nicht angegriffen wird. Durch Bereitstellen eines Innenraumdrucks wird auf vorteilhafter Weise erreicht, dass Leckage aus dem Gehäuse herausgeführt werden kann und somit die Kommunikationseinheit geschützt wird. Dadurch werden die kompakte Bauweise und Unterbringung der Fluid- und Kommunikationseinheit innerhalb eines Gehäuses sichergestellt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die kombinierte Drehdurchführung zum Ansteuern und Regeln von Anlagen, insbesondere seismischen Messsystemen, Windturbinen, Zentrifugen, Abfüllanlagen über Rundtakttische und rotierende Spannsysteme bis hin zu Robotern verwendet werden.
Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der kompakten Bauweise und hohe Lebensdauer bzw. sehr einfachen Wartungsmöglichkeit die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden kann.
Fluide im Sinne der Erfindung sind flüssige Medien wie Öl, Wasser, Fett und Emulsion, wobei im vorliegenden Fall auch Druckluft und Gase unter Fluide im Sinne der Erfindung verstanden werden soll.
Leckage ist der ungewollte Austritt von Fluid aus der Fluideinheit in Richtung der Kommunikationseinheit.
Der anschlussseitige Bereich des Gehäuses ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, der Bereich, der näher an den Anlageteilen ist, wobei die Stirnseite des Gehäuses im anschlussseitigen Bereich im Kontakt mit der Anlage sein kann und über einen Flansch mit dieser verbunden sein kann.
Der bedienseitige Bereich des Gehäuses ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Bereich, der von der Anlage aus gesehen nach dem anschlussseitigen Bereich ist und näher am Bediener ist. Somit ist die Bedienseite die Wellenseite der kombinierten Drehdurchführung.
Drehdurchführungen zur Übertragung elektrischer Signale dienen entweder zur Übertragung von Signalen, d.h. zum Beispiel für die Übertragung von Sensorsignalen, um irgendwelche Zustandsgrößen eines drehenden Maschinenteils zu erfassen und zu messen, und/oder sie bestehen aus Steuersignalen, mit welchen elektrisch betriebene Aggregate am Stehenden und/oder am Drehenden Maschinenteil angesteuert werden, oder aber es handelt sich um Stromleitungen, welche elektrische Energie zuführen, mit der elektrische Aggregate und dergleichen betrieben werden. Bei der elektrischen Energie handelt es sich um elektrischen Strom und Spannung. Dabei kann je nach anwendungsfall unterschiedliche Spannungsbereiche als elektrische Energie übertragen werden, bekannte Spannungsbereiche sind im Bereich -400V bis 400V für Dreiphasenwechselspannung (Umgangssprachlich Dreh- oder Kraftstrom), bevorzugt im Bereich -230V bis 230V, weiter bevorzugt im Bereich -24V bis 24V und insbesondere im Bereich -12V bis 12V. Sensorsignale und Steuersignale sind auch als Daten übertragbar und haben typischerweise eine Spannungsbereich zwischen -6V bis 6V. Zur Übertragung der Daten können unterschiedliche bekannte Kommunikationsprotokolle aus der Industrie verwendet werden. Hier sei bspw. der Standard R.S-485 für eine Duplex Kommunikation erwähnt.
Der Begriff "elektrische Signale" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle diese Arten elektrischer Ströme bzw. Spannungen umfassen.
Passive-Elemente zum Abführen von thermischer Energie im Sinne der Erfindung sind beispielsweise Elemente, wie Rotorblätter, die an bereits rotierenden Bauelementen, wie die Welle einer Drehdurchführung, befestigt werden. Dadurch tragen sie bei die thermische Energie, vor allem die Abwärme der Fluideinheit aus dem Gehäuse zu befördern. Die Passiv-Elemente in Form von Rotorblättern können dabei beliebige Formen annehmen, bevorzugt gebogen und auf das Zwischenelement abgestimmt. Im Gegensatz dazu kann ein Belüftungssystem im Bereich des Zwischenelement als Aktiv- Element bezeichnet werden. Das Belüftungssystem kann beispielsweise eine Kühlung sein, wobei in dem Fall am Gehäuse Anschlüsse für die Kühlung bereitgestellt sind, an welche Kunden Kühlaggregate anschließen können, oder auch ein elektrisch angetriebenes Lüftungsrad sein, welches sich bevorzugt im Zwischenelement ausgebildet sein kann.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserung oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungs-beispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 zeigt eine kombinierte Drehdurchführung gemäß der Erfindung
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere kombinierte Drehdurchführung gemäß der Erfindung Figur 3 zeigt schematisch eine alternative kombinierte Drehdurchführung gemäß der Erfindung
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere kombinierte Drehdurchführung gemäß der Erfindung
Figur 5 zeigt schematisch eine alternative kombinierte Drehdurchführung gemäß der Erfindung
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche, und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Insbesondere bauen Figuren 1 bis 5 aufeinander auf weshalb gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - der Übersichtshalber nicht vollständig mit Bezugszeichen versehen. Ein Fachmann erkennt allerdings, dass es sich um gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten handelt und kann die entsprechenden Bezugszeichen aus der vorangegangenen Figur ergänzen.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten und/oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine kombinierte Drehdurchführung 1 der Erfindung. Diese kombinierte Drehdurchführung besteht aus einem Gehäuse 2 mit einer Fluideinheit 3, einer Kommunikationseinheit 9 und einem Zwischenelement 15, dass zur thermischen Isolierung zwischen der Fluideinheit 3 und Kommunikationseinheit 9 angeordnet ist. Das Zwischenelement 15 in Figur 1 ist im Gehäuse 2 untergebracht und bildet eine schmale Schicht aus Isoliermaterial aus, bevorzugt hitzebeständiges Plastik oder Elastomer mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit. Bei der Kommunikationseinheit 9 handelt es sich um eine Drehdurchführung zur Übertragung von elektrischen Signalen und bei der Versorgungseinheit 12, um eine Drehdurchführung zur Übertragung elektrischer Energie.
Im Gehäuse 2 in einem anschlussseitigen Bereich 4 befindet sich die Fluideinheit 3, die eine Drehdurchführung für Fluide ist, und im bedienseitigen Bereich 10 befindet sich die Kommunikationseinheit 9. Die Kommunikationseinheit 9 ist im bedienseitigen Bereich 10 mittels eines Befestigungsmittels 1011, bevorzugt der Schraube 101, über das Zwischenelement 15 mit einer Stirnseite der Fluid-Drehdurchführung 3 verbunden. Die Kommunikationseinheit 9 und die Fluideinheit 3 sind in Figur 1 mittels Lagerelemente 102, 103 und Lagerelemente 202, 203, um die Welle 8 der Fluideinheit 3 gelagert angeordnet.
Die Kommunikationseinheit 9 und das Gehäuse 2 mit dem Gehäuseteil 211 und die damit verbundenen Teile sind über die Lagerelemente 102, 103 auf der Welle 220 gelagert. Die Welle 220 ist an Welle 8 über ein Halteelement 230, bevorzugt ein Stift, abgestützt.
Eine alternative Ausführung, in Figur 1 nicht gezeigt, ist die Welle 220 auf Welle 8 miteinander zu verbinden. Dazu wird beispielsweise das Befestigungsmittel 101, bevorzugt die Schraube, statt wie in Figur 1 gezeigt das Gehäuse 2 zu verbinden, dazu verwendet die Welle 220 mit der Welle 8 zu verbinden. In dieser Alternative stützt sich der Gehäuseteil 211 der Kommunikationseinheit 9 mittels zumindest einem Verbindungselements 260 am Gehäuseteil 210 der Fluideinheit 3 so ab, dass keine statische Überbestimmtheit auftritt. Das Verbindungselement 260 kann innerhalb des Gehäuses als ein Stift ausgebildet sein oder außen am Gehäuse 2 angebracht sein und von dem Gehäuseteil 210 der Fluideinheit 3 das Zwischenelement 15 überbrücken und in den Gehäuseteil 211 der Kommunikationseinheit 9 eingreifen, bevorzugt in Form einer Halteklammer.
Die Fluideinheit 3 in Figur 1 hat jeweils einen Fluidanschluss P für die Zuführung des Fluids und einen Fluidanschluss T für die Rückführung, die sowohl koaxial zur Welle 8 in Richtung des Maschinenteils ausgebildet, als auch radial am Gehäuseteil 210 der Fluideinheit 3 ausgebildet sein können. In Figur 1 angedeutet sind die in der Fluideinheit 3 ausgebildeten Kanäle 24, 241 zwischen den koaxialen Fluidanschlüssen 7, 71 und den radialen Fluidanschlüssen 5, 6. Weiter ist zumindest ein umlaufendes Dichtungselement 22 der Fluideinheit 3 gezeigt, um einen Fluidaustritt in Richtung Zwischenelement 15 und Kommunikationseinheit 9 möglichst gering zu halten.
Details der Überführung von Fluid über die in der Figur 1 lediglich angedeuteten Kanäle 24, 241 bzw. Bohrungen sowie der Lagerung und Abdichtung der Welle 8 in der Fluideinheit 3 sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht weiter erläutert.
Die erfindungsgemäße kombinierte Drehdurchführung in Figur 1 zeigt außerdem, dass die Fluideinheit 3 im Gehäuseteil 210 des Gehäuses 2 und die Kommunikationseinheit 9 im Gehäuseteil 211 des Gehäuses 211 und das Zwischenelement 15 in dem Gehäuse 2 umfasst sind und somit eine Einheit ausbilden. Davon getrennt, jedoch Teil der erfindungsgemäßen kombinierten Drehdurchführung 1 ist die Versorgungseinheit 12, die seitlich an das Gehäuse 2 angebracht ist. Da die Versorgungseinheit 12 mit hohem Verschleiß unabhängig von der widerstandsfähigen Fluideinheit 12 und vor allem Kommunikationseinheit 9 ausgebildet ist, kann ein Austausch der Versorgungseinheit 12 unabhängig vom Rest der kombinierten Drehdurchführung 1 schnell und kostengünstig erfolgen.
Figur 2 zeigt beispielhaft eine kombinierte Drehdurchführung der Erfindung, die ähnlich zu dem Aufbau aus Figur 1 ist, jedoch mit dem Unterschied, dass das Zwischenelement 15 breiter ausgebildet ist. Das Zwischenelement 15 ist wahlweise mit einem Isoliermaterial wie in Figur 1 ausgefüllt. Durch die breitere Ausführung, erhöht sich der Effekt der thermischen Isolierung zwischen der Fluideinheit 3 und der Kommunikationseinheit 9. Statt dem oben genannten Isoliermaterialen im Zwischenelement 15 kann auch Luft als Isoliermaterial verwendet werden. In diesem Fall enthält das Zwischenelement 15 einen Luftspalt.
Die Fluideinheit 3, die Kommunikationseinheit 9 und das Zwischenelement 15 sind weiterhin in einem Gehäuse 2 angeordnet. Das Zwischenelement 15 bildet eine räumliche Trennung und einen abgedichteten Übergang zwischen der Fluideinheit 3 und der Kommunikationseinheit 9 aus. In Figur 2 ist darüber hinaus ein umlaufendes Dichtungselement 21 am rechten Rand des Zwischenelements 15 an der Welle 8 gezeigt. Dies verringert und/oder minimiert die Menge an Leckage die eventuell aus der Fluideinheit 3 über das Trennelement 15 in die Kommunikationseinheit 9 vordringen könnte. Im Fall, dass als Isoliermaterial Luft im Zwischenelement 15 verwendet wird, ist zumindest eine Öffnung wie die Öffnungen I , 271 aus Figuren 3 und 4 notwendig. Diese sind in Figur 2 nicht gezeigt, aber müssen ebenfalls im Bereich des Zwischenelements 15 radial im Gehäuse ausgebildet ist. Über das Zwischenelement 15 und der zumindest einen Öffnung, entsprechend der Öffnung TI , 271, entweicht die eventuell auftretende erwärmte Leckage aus der Fluideinheit 3 zusammen mit der Abwärme (heißen Luft), nach außen aus dem Gehäuse 2.
Figur 2 zeigt weiter ein davon getrenntes separat ausgebildetes Bauelement, welches die Versorgungseinheit 12 aus Figur 1 ist. Die Versorgungseinheit 12 überträgt elektrische Energie, wie Strom und Spannung unterschiedlicher Größen und Spannungslevel aus dem bedienseitigen Bereich 10 an Anlageteile im anschlussseitigen Bereich 4, an die die kombinierte Drehdurchführung der Erfindung angeschlossen ist. Dabei erfolgt die Strom- /Spannungsversorgung über den elektrischen Anschluss 14 mittels einem in der Versorgungseinheit 12 befindlichen elektrischen Schleifringübertrager und einem weiteren Anschluss, der vorteilhafterweise als Steckverbindungselement 17 zwischen der Kommunikationseinheit 9 und der Versorgungseinheit 12 ausgebildet ist. Die in Figur 2 gezeigten Kabel 25 sind elektrisch mit der Steckverbindung 17 verbunden und übertragen den nötigen Strom und Spannung durch die Welle 8 zu den Anlageteilen im anschlussseitigen Bereich 4.
Ebenfalls in Figur 2 gezeigt ist, wie die Versorgungseinheit 12 über den elektrischen Anschluss 14, die Steckverbindung 17 und zumindest dem einen Kabel 19 die Kommunikationseinheit mit Strom und Spannung versorgt. Insbesondere verbindet das Kabel 19 eine zweiten Seite 282 der Übertragungseinheit 28 elektrisch mit der Steckverbindung 17. Darüber hinaus ist ein elektronischer Anschluss 11 gezeigt, der sich am Gehäuse 2 befindet. In Figur 2 ist der elektronische Anschluss 11 im bedienseitigen Bereich 10 an der Stirnseite 13 der Kommunikationseinheit 9 ausgebildet und ist bevorzugt als Ethernet-Anschluss ausgebildet, der geeignet ist zumindest 5 Gigabits pro Sekunde zu übertragen. Ein Kabel 72, bevorzugt ein Ethernet-Kabel, verläuft im Inneren der Welle 8 vom anschlussseitigen Bereich zur Kommunikationseinheit 9 und kontaktiert dort eine erste Seite 281 einer Übertragungseinheit 28. Die Übertragungseinheit 28 überträgt die elektrischen Signale und/oder Daten von der ersten Seite 281 zu der zweiten Seite 282 kapazitiv oder optisch. Ein Zwischenkabel 92 verbindet elektrisch die zweiten Seite 283 mit dem elektronischen Anschluss 11. Auf diese Weise werden elektrische Signale von Anlageteilen, an Auswerte-Recheneinheiten, wie Computer, im bedienseitigen Bereich 10 (in Figur 2 nicht gezeigt) übertragen. Zusätzlich verlaufen auch die Kabel 25 in der innen hohl ausgebildeten Welle 8.
In Figur 2 nicht gezeigt, können in einem weiteren Beispiel der Erfindung die Kabel 25 in einem getrennten Kanal, der in der Fluideinheit 3, aber nicht im Inneren der Welle 8, ausgebildet ist, verlaufen. Ebenfalls nicht in Figur 2 dargestellt, kann in dem Gehäuse 2 eine erste und eine zweite Kommunikationseinheit hintereinander ausgebildet sein. In diesem Fall übertragen beide Kommunikationseinheiten und ihre entsprechenden Übertragungseinheiten ein elektrisches Signal entsprechend kapazitiv oder optisch. Dadurch ist eine Redundanz geschaffen und die kombinierte Drehdurchführung wird noch langlebiger und ausfallsicherer.
In Figur 3 und 4 bauen auf der Figur 2 auf und zeigen weitere Beispiele der kombinierten Drehdurchführung der Erfindung. Hierbei ist ein Passiv-Element 23 in dem Zwischenelement 15, ausgebildet. Das Trennelement kann einen Luftspalt enthalten. Alternativ kann das Zwischenelement 15 aus den bekannten festen Isoliermaterialien wie in Figur 2 bestehen. In diesem Fall würde für das Passiv-Element 23 eine entsprechende Aussparung sowie Verbindungsbohrungen von dem Passiv-Element 23 zu der Öffnung 27 in dem Material des Zwischenelements 15 vorgesehen sein, um ein freie Luftzirkulation zu ermöglichen. Das Passiv-Element 23 ist auf der Welle 8 befestigt und erstreckt sich radial. Das Passiv-Element 23 dreht sich mit der Welle 8 mit. In Figur 3 und 4 ist das Passiv-Element 23 schematisch dargestellt und ist zumindest schematisch ein Rotorblatt oder ein Belüftungselement. Die genaue Form und Länge variieren nach Anwendung, bevorzugt wird aufgrund der niedrigen Umdrehungszahl der Welle ein Passiv-Element, dass eine möglichst große Menge Luft auf Grund der verwendeten Fläche des Passiv- Elements befördern kann.
In Figur 3 ist eine Kühlvorrichtung 48 in dem Zwischenelement 15 parallel zu der Wand des Zwischenelements 15 ein durch eine Bohrung 38 ausgebildetes Rohr, dass von einer Öffnung 29 im Gehäuse 2 bis kurz vor die Welle 8 verläuft und so kühle Umgebungsluft in das Zwischenelement 15 leitet, in dem das rotierende Passiv-Element die Luft ansaugt. Das Passiv-Element 23 befördert durch Rotation im Zwischenelement 15 die Luft über die Öffnung 29 im Gehäuse 2 wieder aus dem Gehäuse 2 heraus. In der Figur 3 ist exemplarisch nur eine Öffnung 29 gezeigt, allerdings kann auf der Mantelfläche des Gehäuses 2 umlaufend mehre der Öffnungen 29 ausgebildet sein. Durch das Ansaugen kühler Luft und wieder herausbefördern aus dem Gehäuse 2 entsteht eine thermische Zirkulation, die das Zwischenelement kühlt und somit die thermische Entkopplung der Kommunikationseinheit 9 von der Fluideinheit 3 erhöht. So trägt die Kühlvorrichtung 48 und das rotierende Passiv-Element 23 dazu bei, dass das Zwischenelement 15 eine adäquate thermische Entkopplung zwischen Fluideinheit 3 und Kommunikationseinheit 9 gewährleisten können.
In Figur 4 kann die Bohrung 38 alternativ mit der Öffnung 29 im Gehäuse 2 parallel zur Wand des Zwischenelements 15 verlaufen aber anstatt im Inneren des Zwischenelements 15 kann die Kühlvorrichtung 48 in der Kommunikationseinheit 9 verlaufen. Dadurch wird die Innenraumtemperatur der Kommunikationseinheit 9 auch abgesenkt und ein Überschreiten der maximal erlaubten Betriebstemperatur vermieden. Wie Figur 4 zeigt, ist in diesem Fall eine seitliche Durchgangsbohrung 381 von der Kommunikationseinheit zum Zwischenelement 15 notwendig. Das umlaufende Dichtungselement 21 ist dementsprechend versetzt angeordnet, um der Durchgangsbohrung 381 den notwendigen Platz zu geben.
Statt einer Bohrung 38 als Kühlvorrichtung 48 in Figur 3 und Figur 4 ist auch eine zum Trennelement 15 parallele Wand ausreichend, um einen Ringkanal äquivalent zur Bohrung 38 zu schaffen. In dem Fall wäre die Wand des Trennelements 15 die zweite Wand.
In Figur 5 baut auf den Figuren 2, 3 und 4 auf ist ein weiteres Beispiel der kombinierten Drehdurchführung der Erfindung gezeigt. Hierbei ist am Gehäuse 2 im Bereich der Kommunikationseinheit 9 ein weiterer Anschluss 26 gezeigt. In Figur 5 wurden viele Elemente, Merkmale und Komponenten der Figuren 1 bis 4 weggelassen, diese können allerdings mit dem Anschluss 26 ohne weiteres kombiniert werden, um die Betriebstemperatur der Kommunikationseinheit 9 möglichst gering zu halten. So wurde in Figur 5, um die Übersicht zu wahren, auf die Darstellung des Passiv Elements 23 wie den Rotor verzichtet. Der Anschluss 26 dient dazu mittels Luft von außerhalb des Gehäuses 2 im inneren der Kommunikationseinheit 9 einen kühlen Luftstrom und einen Überdruck zu erzeugen. Auf diese Weise wird die Temperatur in der Kommunikationseinheit (9) abgesenkt werden. Der Anschluss 26 zum Erzeugen eines Überdrucks kann mit allen Beispielen der kombinierten Drehdurchführung kombiniert werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten und/oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste
1 kombinierte Drehdurchführung
2 ein Gehäuse
3 eine Fluideinheit
4 anschlussseitigen Bereich
5, 7 Zuführanschluss
6, 71 Abführanschluss
8 drehbaren Welle
9 Kommunikationseinheit
10 bedienseitigen Bereich
11 elektronischer Anschluss der Kommunikationseinheit 9
12 eine Versorgungseinheit
13 Stirnseite des bedienseitigen Bereichs 10 des Gehäuses 2
14 elektrischer Anschluss der Versorgungseinheit 12
15 Zwischenelement
16 ein Übergang
17 Steckverbindungselement
19 zumindest ein Kabel
21 umlaufendes Dichtungselement bei der Kommunikationseinheit
22 umlaufendes Dichtungselement in der Fluideinheit
24, 241 zumindest ein Kanal
25 zumindest ein Kabel
23 zumindest einem Passiv- Element
27 Öffnung
28 Übertragungseinheit
281 erste Seite der Übertragungseinheit
282 zweite Seite der Übertragungseinheit
48 Kühlvorrichtung
72 Kabel
92 Zwischenkabel 101 Befestigungsmittel, Schraube
102, 103 Lager der Kommunikationseinheit
202, 203 Lager der Fluideinheit
210 Gehäuseteil der Kommunikationseinheit 211 Gehäuseteil der Fluideinheit
220 Welle der Kommunikationseinheit
230 Halteelement, Stift
260 Verbindungselement
381 Durchgangsbohrung

Claims

Patentansprüche
1. Kombinierte Drehdurchführung (1) mit stehenden und rotierenden Anlageteilen zur Durchleitung von Fluiden, Daten und elektrischer Energie, aufweisend: ein Gehäuse (2) umfassend: o eine Fluideinheit (3) als Drehdurchführung für die Fluidverbindung im anschlussseitigen Bereich (4) des Gehäuses (2) mit jeweils wenigstens einem Zuführ- und Abführanschluss (5, 7; 6, 71) und einer drehbaren Welle (8); o zumindest eine Kommunikationseinheit (9) als Drehdurchführung für eine Übertragung elektrischer Signale in einem bedienseitigen Bereich (10) des Gehäuses (2) mit wenigsten einem elektronischen Anschluss (11); und zumindest eine Versorgungseinheit (12) zur Übertragung elektrischer Energie als Drehdurchführung an der Stirnseite (13) des bedienseitigen Bereichs (10) des Gehäuses (2) mit wenigsten einem elektrischen Anschluss (14) dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) wenigstens ein Zwischenelement (15) zwischen der Fluideinheit (3) und der Kommunikationseinheit (9) ausgebildet ist und zumindest ein Übergang (16) zwischen dem bedienseitigen Bereich (10) des Gehäuses (2) und der stirnseitig (13), außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Versorgungseinheit (12) ausgebildet ist.
2. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationseinheit (9) auf der Welle (8) der Fluideinheit (3) im bedienseitigen Bereich (10) des Gehäuses (2) lagernd angeordnet ist.
3. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) im Bereich der Kommunikationseinheit (9) zumindest zweiteilig ausgebildet ist.
4. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) zumindest ein Steckverbindungselement (17) aufweist, welches über zumindest ein Kabel (25) mit Kontakten der Welle (8) und über zumindest ein Kabel (19) mit Kontakten der Kommunikationseinheit (9) elektrisch verbunden ist.
5. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in einem Bereich zwischen dem Zwischenelement (15) und der
Kommunikationseinheit (9) zumindest ein Dichtungselement (21, 22) angeordnet ist, um Leckage in die Kommunikationseinheit zu verhindern.
6. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (15) wenigstens teilweise eine thermische
Entkopplung bereitstellt.
7. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach Anspruch 6, wobei das Zwischenelement (15) thermische Energie mit zumindest einem Passiv- Element (23), insbesondere zumindest eines Rotors, abführt.
8. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (15) innerhalb des Gehäuses (2) eine räumliche
Trennung und einen abgedichteten Übergang zwischen der Fluideinheit (3) und der Kommunikationseinheit (9) ausbildet.
9. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (15) mit einem Luftspalt im Gehäuse (2) zwischen der Fluideinheit (3) und der Kommunikationseinheit (9) ausgebildet ist.
10. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zwischenelement (15) eine Leckage aus der Fluideinheit (3) über zumindest eine in dem Gehäuse (2) radial ausgebildete Öffnung (27) nach außen abführt.
11. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Belüftungssystem im Bereich des Zwischenelements (15) vorgesehen ist.
12. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Versorgungseinheit (12) weiterhin elektrische Signale überträgt.
13. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Versorgungseinheit (12) weiterhin elektrische Signale optisch überträgt.
14. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) aus Metall ausgebildet ist.
15. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Fluideinheit (3) und die zumindest eine Kommunikationseinheit (9) in dem Gehäuse der Drehdurchführung (1) auf einer Achse der Welle (8) nebeneinander angeordnet sind.
16. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Kühlvorrichtung (48) im Bereich des Zwischenelements (15) zum
Kühlen der zumindest einen Kommunikationseinheit (9).
17. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kommunikationseinheit (9) die elektrischen Signale als Daten überträgt.
18. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kommunikationseinheit (9) die elektrischen Signale kontaktlos überträgt.
19. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kommunikationseinheit (9) die elektrischen Signale kapazitiv überträgt.
20. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Übertragung elektrischer Signale einer ersten Kommunikationseinheit kapazitiv ist und eine Übertragung elektrischer Signale einer zweiten Kommunikationseinheit optisch ist.
21. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Fluideinheit (3) wenigstens einen Kanal (24) ausbildet, in dem das Fluid zwischen dem wenigsten einem radialen (5, 6) und wenigsten einem axialen (7, 71) Fluidanschluss (P, T) fließt.
22. Kombinierte Drehdurchführung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung und Bereitstellung eines
Innenraumüberdrucks im Gehäuse (2).
23. Verwendung der kombinierten Drehdurchführung (1), zum Ansteuern und Regeln von Anlagen, insbesondere seismischen Messsystemen, Windturbinen, Zentrifugen, Abfüllanlagen über Rundtakttische und rotierende Spannsysteme bis hin zu Robotern.
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