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Die
Erfindung betrifft einen Pulsationsdämpfer nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Hintergrund
der Erfindung
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Pulsationsdämpfer kommen
bekanntermassen zur Dämpfung
von Flüssigkeitsdruckschwankungen
in Flüssigkeitsleitungen
und Kraftstoffleitungen zum Einsatz.
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So
beschreibt die
DE
195 28 737 A1 einen Bypass-Druckregler für eine Kraftstoffzuführanlage, der
eine in einem Gehäuse
zwischen einer druckentlastenden ersten Kammer und einer flüssigen Kraftstoff
enthaltenden zweiten Kammer angeordnete Membran besitzt. In der
DE 41 43 507 C2 ist
ein Druckimpulsdämpfer
in Form eines kegelstumpfförmigen Torus
beschrieben, der mit Druckluft gefüllt ist und der innerhalb des
Druckraums der Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Aus der
DE 44 31 770 A1 ist ein
Druckimpulsdämpfer
für eine
Kraftstoffpumpe zu entnehmen, der aus einem dünnwandigen Schlauch aus flexiblem
und elastischem Kunststoff hergestellt ist. Vorzugsweise sind aus
Gründen
der Betriebssicherheit mehrere gasgefüllte Kammern vorgesehen. In
der
DE 44 43 623 ist
ein Balgförmiger
Druckimpulsmodulator vorgesehen, der in Verbindung mit dem Kraftsstoff-Durchgangskanal
steht, sodass vorhandene Druckschwankungen weitgehend vernichtet
werden, und das Pumpengeräusch
sehr stark verringert werden kann.
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Derartige
Anordnungen, die für
den eher rauen Einsatz in Kraftstoffleitungen vorgesehen sind, sind
hingegen nicht geeignet, hochfrequente Pulsationen und/oder Druckschwankungen
mit geringen Amplituden zu dämpfen.
Druckregler, die, wie oben beschrieben, Membrane für die druckelastische
Absorption vorsehen, erweisen sich für den Einsatz bei Pumpen, die
in der Beschichtungs- oder Labortechnik verwendet werden, zu träge und können die
gewünschte
Dämpfung
nicht erreichen.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, einen Pulsationsdämpfer zur Verfügung zu
stellen, der beispielsweise selbst bei den als weitgehend pulsationsfrei
geltenden volumetrischen Pumpen, wie Mono- bzw. Exzenterschneckenpumpen die Druckkonstanz
noch weiter verbessert. Der Pulsationsdämpfer soll auch bei Vibrations-anfälligen Rohr-
und Schlauchsystemen einzusetzen sein. Die in solchen Systemen auftretenden
Vibrationen sind im wesentlichen hochfrequenter Natur, der Einsatz bekannter
Pulsationsdämpfer
erweist sich aufgrund der Trägheit
der verwendeten Membrane als unbefriedigend.
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Auch
bei den zum Fördern
von Fluiden verwendeten volumetrischen Membran- oder Zahnradpumpen
treten Druckschwankungen und damit Schwankungen der Fördermenge
auf; durch den Einsatz des erfindungsgemässsen Pulsationsdämpfers können diese
Schwankungen minimiert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Alternative bzw, bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Dadurch,
dass die wenigstens zwei, insbesondere aber eine Mehrzahl, hermetisch
dichter Dämpfungselemente
des erfindungsgemässen
Pulsationsdämpfers,
welche aus einer flexiblen und elastischen Membran bestehen und
die ein kompressibles fluides Medium enthalten, voneinander über einen
Zwischenraum getrennt sind, der von dem Fluid, dessen Druckschwingungen
gedämpft
werden sollen, durchsetzt wird, wird die Aufnahme der Pulsationsenergie
praktisch über
die gesamte Oberfläche des
Dämpfungselements
ermöglicht.
Der Druck wird nicht, wie beispielsweise bei den bekannten Membrandämpfungsgliedern,
abgeleitet, sondern es steht praktisch die gesamte Oberfläche der
Dämpfungselemente
in Kontakt mit dem Fluid, der Druck auf die Membranwand der Dämpfungselemente
bleibt konstant. Der Druck innerhalb des Dämpfungselements und der Aussendruck
bleiben im wesentlichen immer gleich gross. Auch sehr dünne und
damit reaktionsfreudige Membranen als Wandmaterial für die Dämpfungselemente
werden damit problemlos einsetzbar, Ermüdungsrisse in der Membranfläche können dadurch
weitgehend vermieden werden
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Die
Dämpfungselemente
des Pulsationsdämpfers
können
in einem Gehäuse
angeordnet sein, als By-Pass-Anordnung, mit der Fluid-Leitung über eine Öffnung verbunden,
durch die das Fluid im wesentlichen ungehindert in das Gehäuse ein-
und aus diesem wieder austreten kann. Dazu kann, um die Dämpfungselemente
in dem Gehäuse
positioniert zu halten, eine Gitterartige Abdeckung der Öffnung vorgesehen
sein.
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Käfig-artige
Strukturen können
auch direkt der Innenwand der Fluid-Leitungen zugeordnet werden, wobei diese
Strukturen dann die Dämpfungselemente
direkt vom Fluid-Strom umspült
in der Fluid-Leitung halten – beispielsweise
ringförmig
an der Innenwand angeordnet.
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Gerade
bei Spezialanwendungen von Pumpen, die z.B. zum exakten Dosieren
von Medien eingesetzt werden, wie Exzenterschneckenpumpen, kann
durch den Einsatz des erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers deren
Dosiergenauigkeit wesentlich verbessert werden. Die Grösse und
Anzahl der Dämpfungselemente
kann in Abhängigkeit
von dem in den Fluid-Leitungen gegebenen Druckverhältnissen
und Druckschwankungen gewählt
werden. Die Form der Hohlkörper – idealerweise
kugelförmig – bestimmt
sich aus dem Verhältnis
von Oberfläche
zu Volumen, welches möglichst
gross sein sollte, um praktisch verzögerungsfrei auf Druckschwankungen
reagieren zu können.
Unter „im
wesentlichen kugelförmig" sollen im Rahmen
der Erfindung auch Linsen-, Krapfen- oder Kissenförmige Hohlkörper verstanden
werden.
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Für relativ
niedrige Druckverhältnisse
von wenigen bar, wie beispielsweise bei Pumpen, die in der Labor-
oder. Beschichtungstechnik eingesetzt werden, sind die Dämpfungselemente
vorzugsweise – schon
allein aus wirtschaftlichen Gründen – mit Luft mit
Atmosphärendruck
gefüllt,
als Material für
die Dämpfungselement-Membranen
hat sich Polypropylen oder hochdichtes Polyethylen bewährt. PTFE
beispielweise kommt bevorzugt beim Einsatz für mit aggressiven Medien versetzten
Fluiden zur Verwendung.
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Bei
grösseren
Maschinen, von denen Leitungen abgehen bzw. zu denen Leitungen führen, kommt
es zu Vibrationen in den Leitungen bzw. der Leitungen selbst, die
entstehenden Druckschwankungen können
sich negativ auf die Genauigkeit und die Standzeiten der Systeme
auswirken, frühzeitiger Verschleiss
und unnötige
Reparaturkosten können resultieren.
Weiters negativ ist die damit verbundene Geräuschbelastung des Personals.
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Bei
höheren
Drücken
von ca. 10 bar, wie sie beispielsweise auch in Wasserleitungen auftreten, sind
die Dämpfungselemente
mit Druckluft gefüllt, um
eine ausreichende Vorspannung vorzusehen.
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Die
einzelnen Hohlkörper
können
in einfacher und wirtschaftlicher Weise aus mit dem fluiden Medium,
wie Luft bzw. Druckluft, gefüllten
Kunststoff-Schläuchen hergestellt
werden, indem jeweils kissenartige Abteilungen durch Wärmeversiegelung oder
Verklebung geschaffen werden. Die solcherart erzeugten Dämpfungselemente
werden vorzugsweise voneinander getrennt, oder es werden – falls
eine zuverlässige
Relativ-Positionierung der einzelnen Dämpfungselemente in der Fluid-Leitung
erforderlich sein sollte – die
Verbindungsteile zwischen den Dämpfungselementen
mit Öffnungen,
beispielsweise in Form von Perforationen, versehen, um die Dämpfungselemente
zuverlässig
durch das Fluid zu umspülen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen rein beispielhaft
beschrieben.
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1a und 1b zeigen
die schematische Darstellung der Hohlkörperelemente eines erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers;
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2 zeigt
By-Pass-Anordnungen des erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers in
einem Fluid-führenden
Rohr- und Schlauchsystem;
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3 zeigt
eine mögliche
Anordnung des Pulsationsdämpfers
innerhalb einem Fluid-führenden Rohr-
und Schlauchsystem;
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4a und 4b zeigen
den Druckverlauf (p in bar) einer Mischkomponente bei Förderung
in einer Exzenterschneckenpumpe ohne und mit Einsatz eines erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1a und 1b zeigen – jeweils
im Querschnitt – einerseits
ein einzelnes Dämpfungselement 1a und
andererseits Dämpfungselemente 1b,
die miteinander über
ein Verbindungsteil verbunden sind. Die Dämpfungselemente 1a bzw. 1b sind
annähernd Kugel-,
Linsen- oder Krapfen-förmige
Hohlkörper,
die Hüllfläche ist
aus einem elastischen, flexiblen Material geformt, wie beispielsweise
Polypropylen oder hochdichtes Polyethylen. Der Innenraum 2 der
erfindungsgemässen
Hohlkörper 1a, 1b ist – je nach
dem vorgesehenen Einsatz – mit
einem kompressiblen, fluiden Medium gefüllt, praktischerweise Luft
bei Atmosphärendruck
für Anwendungen
in Fluid-Leitungen,
in denen Drücke
von wenigen bar herrschen, bzw. Druckluft für Anwendungen, bei denen Drücke von
ca. 10 bar und auch mehr auftreten. Wie aus 1b zu
ersehen ist, können
die Dämpfungselemente
auf einfache und ökonomische
Weise aus einem länglichen,
mit dem Medium gefüllten
Schlauch hergestellte werden, indem dieser segmentweise zugeschweisst
wird. Danach werden die einzelnen Dämpfungselemente an den dabei
entstehenden Verbindungsteilen 3 voneinander getrennt,
oder aber, und das kann beispielsweise eine Anordnung entsprechend 3 vereinfachen,
es werden Öffnungen 4 angeordnet,
die derart dimensioniert sind, dass ein nahezu ungehinderter Durchtritt
des Fluids gegeben ist. Wie insbesondere 1a erkennen
lässt, werden
Druckschwankungen, die in dem das Dämpfungselement 1a umgebenden
Fluid auftreten, über die
gesamte Oberfläche
des Dämpfungselements aufgenommen,
im wesentlichen allseitig gleichverteilt. Die Druckimpulse werden
von dem Dämpfungselement
gesamthaft aufgenommen und durch Kompression des enthaltenen Mediums
absorbiert. Die Geometrie des Dämpfungselements
bewirkt, dass die Membranhülle
jeweils mit gleicher Druckdifferenz beaufschlagt ist, Ermüdungserscheinungen
werden minimiert, die Lebensdauer des Pulsationsdämpfers wird
erheblich erhöht.
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2 zeigt
Anordnungen von erfindungsgemässen
Pulsationsdämpfern 8 an
Rohr- bzw. Schlauchsystemen 6 bzw. 7. Die in ein
Gehäuse 10 einzeln
und locker eingebrachten Dämpfungselemente 1a sind
mit der Fluid-Leitung über
ein Bypass-Verbindungsstück 11 verbunden,
durch das das Fluid ungehindert in das Gehäuse einströmen und die Dämpfungselemente
allseitig umströmen
kann. Damit die Dämpfungselemente 1a – falls
der Querschnitt des Verbindungsstückes 11 entsprechend gross
gewählt
wird – in
dem Gehäuse 10 gehalten bleiben,
wird die Eintrittsöffnung
von Verbindungsstück 11 ins
Gehäuse 10 mit
einem Gitter abgedeckt, das den im wesentlichen ungehinderten Durchtritt des
Fluids erlaubt. Es könnten
auch mehrere Verbindungsöffnungen
zwischen Fluid-Leitung und Gehäuse
vorgesehen sein, gegebenenfalls leitungsauf- und leitungsabwärts, wodurch
eine verbesserte Durchströmung
des Gehäuses
möglich
wird.
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Wie 2 zeigt,
kann der Pulsationsdämpfer – und das
unabhängig
davon, ob die Fluidleitung als Rohr- oder Schlauchleitung ausgelegt
ist – so nahe
wie möglich
der Pumpe 5, beispielsweise Membran-, Zahnrad-, Exzenterpumpe
oder anderen Pumpenarten, oder aber auch dem Verbraucher 9, beispielsweise
einer Beschichtungsdüse,
zugeordnet sein. Für
beste Ergebnisse können
Pulsationsdämpfer
sowohl nahe der Pumpe als auch nahe dem Verbraucher vorgesehen werden.
Damit werden einerseits pumpenseitig Druckimpulse herabgesetzt und andererseits
Schwankungen der Menge des über den
Verbraucher ausgebrachten Fluids reduziert, die aufgrund von Druckschwankungen
entstehen, die dem Rohr- bzw. Schlauchsystem inhärent sind.
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Wie
aus 2 zu ersehen, enthalten die Pulsationsdämpfer 8 eine
Mehrzahl von Dämpfungselementen 1a.
Die einzelnen Elemente wirken in ihrer Gesamtheit, sind jedoch,
wie oben dargestellt, voneinander unabhängige Elemente. Selbst wenn
nun eines oder auch einige dieser Elemente defekt werden sollte,
hat dies auf die Wirkungsweise des Pulsationsdämpfers praktisch keine negative
Auswirkungen.
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3 zeigt
eine weitere Möglichkeit,
den Pulsationsdämpfer
anzuordnen. Hierbei werden die Dämpfungselemente 1a direkt
in der Fluid-Strömumg gehalten,
beispielsweise der Innenwand der Leitung 6 zugeordnet.
Dabei können
die einzelnen Dämpfungselemente 1a locker
ein- oder auch mehrlagig im wesentlichen Zylinder-förmig angeordnet
sein, eine Käfig-artige
Struktur 11a gewährleistet
das ungehinderte Durchfliessen durch diese Struktur und das Umfliessen
der Dämpfungselemente 1a mit
dem Fluid. Alternativ könnten
auch miteinander über
mit Öffnungen 4 versehene
Verbindungsteile 3 verbundenen Dämpfungselemente 1b (entsprechend 1b) ringförmig an
der Innenwand angeordnet werden. Gegebenenfalls könnte dann
eine haltende Struktur verzichtbar werden.
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Im
Folgenden wird anhand der 4a und 4b ein
beispielhafter Einsatz eines erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers beschrieben.
In 4a ist der Druckverlauf einer Komponente einer in
einer Exzenterschneckenpumpe geförderten
Komponentenmischung in Messabständen
von jeweils 5 sec gezeigt. Wie zu erkennen ist, sind die Druckschwankungen
hochfrequent im Bereich von 100 Hz und bewegen sich im Mittel um
1 %. Pumpen mit derartigen Kennlinien gelten als praktisch pulsationsfrei und
werden für
exaktes Dosieren in Mischsysteme verwendet. Für spezielle Anwendungen allerdings, wie
beispielsweise bei Einsatz als Dosierpumpe in der Beschichtungstechnik,
bewirken selbst derart geringe Druckschwankungen nicht mehr tolerierbare Dosierschwankungen.
Es hat sich gezeigt, dass bei Pumpen-nahem Anordnen eines erfindungsgemässen Pulsationsdämpfers die
Druckschwankungen um ca. 80 % auf 0.2 % reduziert werden können. In
dem betrachteten Fall war eine vierstufige Exzenterschneckenpump
zum Dosieren einer Dispersion verwendet. Die Dämpfungselemente – hier in
By-Pass-Anordnung
in einem Gehäuse
nahe der Pumpe – waren aus
einer dünnen,
handelsüblichen
High Density Polyethylen – Schicht
hergestellt, mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt und
waren in etwa kugelförmig,
mit einem Durchmesser von ca 5cm.