DE102006045445A1

DE102006045445A1 - Druckbehälteranordnung

Info

Publication number: DE102006045445A1
Application number: DE102006045445A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dantlgraber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Offenbart sind eine Druckbehälteranordnung und ein dafür geeigneter Druckbehälter für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere Hydrospeicher, der aus einer Vielzahl von einzelnen, ineinander gesetzten Behälterschalen ausgebildet ist, die jeweils mit einem Stützdruck beaufschlagt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckbehälteranordnung für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere einen Hydrospeicher, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen dafür geeigneten Druckbehälter.
Druckbehälter werden beispielsweise als Hydrospeicher in hydraulischen Schaltungen eingesetzt, wie sie in der Druckschrift „Der Hydrauliktrainer", Band 1, Mannesmann Rexroth GmbH, 1991, Seiten 164 ff beschrieben sind. Üblicher Weise werden diese Hydrospeicher in einer geschweißten Ausführung oder einer geschraubten Ausführung aus Stahl hergestellt, wobei aufgrund der hohen Innendrücke erhebliche Wandstärken erforderlich sind. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass die aus dem Innendruck resultierenden Spannungen in dem dickwandigen Behältermantel nach außen hin abnehmen, so dass die äußeren Bereiche nur einen vergleichsweise geringen Beitrag zur Druckfestigkeit leisten. Des Weiteren ist das Gewicht dieser Behälter äußerst hoch.
In jüngster Zeit werden auch gewickelte Behälter verwendet, die je nach Anwendungsfall aus Stahl oder aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Diese gewickelten Behälter sind wesentlich leichter als die vorbeschriebenen geschweißten oder geschraubten Ausführungen, da die Wickelverfahren jedoch sehr aufwändig sind, sind derartige gewickelte Behälter wesentlich teurer als herkömmliche Systeme.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise leichte und kostengünstig herstellbare Druckbehälteranordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Druckbehälteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß besteht der Druckbehälter aus einer Vielzahl von ineinander gesetzten Behälterschalen, zwischen denen jeweils Druckräume ausgebildet sind, in denen ein Stützdruck wirkt. Über diesen Stützdruck werden die einzelnen Behälterschalen abgestützt, wobei der Stützdruck in Abhängigkeit von den auftretenden Spannungen gewählt ist.
Eine derartige Lösung lässt sich äußerst einfach herstellen und durch geeignete Einstellung des Stützdruckes an unterschiedliche Bedingungen anpassen.
Da bei Druckbehältern die außen liegenden Wandungsbereiche vergleichsweise geringer belastet sind, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Stützdruck nach außen hin verringert.
Die Stützdrücke sind dabei so gewählt, dass jede Behälterschale etwa mit der gleichen Druckdifferenz beaufschlagt ist, die jeweils nur einen Bruchteil der Druckdifferenz zwischen dem Behälterinnenraum und der Behälteraußenseite beträgt.
Der Stützdruck in jedem Druckraum lässt sich über jeweils ein Stützventil einstellen, dessen Regelkolben in einer Regelposition einerseits von der Kraft einer Feder und vom Druck im zugeordneten Druckraum und andererseits vom Druck im benachbarten Druckraum beaufschlagt ist, so dass sich ein in Abhängigkeit von der Kraft der Feder einstellbarer Stützdruck einstellt.
Bei einer konkreten Lösung der Erfindung begrenzt der Regelkolben zwei Ringräume, die mit dem Druck im benachbarten Druckraum bzw. dem Druck in einem Hydrospeicher beaufschlagt sind, so dass bei einer Verschiebung des Regelkolbens aus seiner mittleren Regelposition der entsprechende Druck im Federraum wirksam wird.
Der erfindungsgemäße Druckbehälter lässt sich besonders einfach herstellen, wenn die Behälterschalen becherförmig tief gezogen sind und jeweils einen vom Boden entfernten, radial vorspringenden Flansch haben, der von Spannelementen zur Verbindung der Behälterschalen durchsetzt ist.
Zwischen den Flanschen benachbarter Behälterschalen sind dann vorzugsweise Distanzringe aufgenommen, in denen ein zum jeweiligen Druckraum führender Kanal ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die einzelnen Behälterschalen aus Stahl gefertigt sind.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden ein bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen mehrschaligen Druckbehälter;
2 einen Diagonalschnitt durch den Druckbehälter aus 1;
3 ein hydraulisches Schaltschema einer erfindungsgemäßen Druckbehälteranordnung und
4 eine vergrößerte Darstellung eines Stützventils der Druckbehälteranordnung aus 3.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Druckbehälter 1, wie er bei einer Druckbehälteranordnung gemäß 3 einsetzbar ist. Der Druckbehälter 1 besteht aus einer Vielzahl von Behälterschalen, wobei in 1 beispielhaft drei Behälterschalen 2a, 2b, 2c dargestellt sind. Jede dieser etwa becherförmigen Behälterschalen 2a, 2b, 2c ist aus Stahl im Tiefziehverfahren hergestellt und hat eine gegenüber herkömmlichen Druckbehältern wesentlich verringerte Wandstärke a, die die Herstellung im Tiefziehverfahren erleichtert. Jede Schale 2 hat einen Boden 4, an den sich eine etwa rechtwinklig dazu verlaufende zylinderförmige Seitenwandung 6 anschließt. Der vom Boden 4 entfernte Endabschnitt jeder Behälterschale 2 ist durch einen mit Bezug zur Mittelachse 10 radial vorspringenden Flansch 8 gebildet. Die einzelnen Behälterschalen 2a, 2b, 2c haben gemäß 1 eine unterschiedliche Axiallänge, die nach innen, d.h. zur Achse 10 hin zunimmt, wobei die Längenabstufung zwischen jeweils benachbarten Behälterschalen jeweils gleich ist. Die einzelnen Behälterschalen 2 sind gemäß 1 so in einander gestapelt, dass zwischen benachbarten Behälterschalen 2a, 2b, 2c Druckräume 12a bzw. 12b verbleiben, die sich im Bereich der Flansche 8 zu Flanschräumen 14a bzw. 14b erweitern. Wie anhand von 3 noch näher erläutert wird, können diese Druckräume 12, 14 mit einem Stützdruck beaufschlagt werden.
Zwischen jeweils benachbarten Flanschen 8 der Behälterschalen 2a, 2b bzw. 2b, 2c sind umlaufende Stützringe 16a, 16b angeordnet, deren Axiallänge dem Abstand zwischen den benachbarten Flanschen 8 entspricht. An der außen liegenden Ringfläche des Flansches 8 der Behälterschale 2c ist ein Abschlussring 18 angeordnet und den stirnseitigen Abschluss des Druckbehälters 1 bildet ein Deckel 20, der auf den Flansch 8 der inneren Stützschale 2a aufgesetzt ist. Wie weiterhin aus 1 entnehmbar ist, ist die Radiallänge der Flansche von innen nach außen hin abnehmend ausgeführt, so dass diese bündig mit den genannten Stützringen 16, dem Abschlussring 18 und dem Deckel 20 enden. Die Verbindung der einzelnen Behälterschalen 2a, 2b, 2c erfolgt über eine Vielzahl von achsparallel verlaufenden, am Außenumfang verteilten Spannschrauben 22, die die Flansche 8 sowie die Ringe 16, 18 durchsetzen und beispielsweise in ein Gewinde des Deckels 20 eingreifen oder auch diesen durchsetzen und dann über eine nicht dargestellte Mutter gekontert sind.
Ein derartiger Druckbehälter 1 zeichnet sich durch ein äußerst geringes Gewicht aus und ist auf einfache Weise herstellbar.
2 zeigt einen vereinfachten Schnitt entlang der Linie A-A in 1, aus dem der mehrschalige Aufbau des Druckbehälters 1 mit einer Wanddicke 6 der einzelnen Schalen ersichtlich ist.
Gemäß den folgenden Ausführungen zu 3 sind der Druck im Innenraum 24 des Druckbehälters 1 und in den Druckräumen 12a, 12b so aufeinander abgestimmt, dass die Druckdifferenz Δp zwischen den benachbarten Druckräumen 24, 12a, 12b im Wesentlichen gleich ist, so dass die einzelnen Behälterschalen 2a, 2b, 2c optimal abgestützt sind und die auch bei hohen Innendrücken auftretenden Spannungen aufnehmen können.
3 zeigt eine Möglichkeit, diese Stützdrücke in den Druckräumen 12a, 12b einzustellen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckbehälter 1 mit vier Behälterschalen 2a, 2b, 2c und 2d ausgeführt, wobei entsprechend zwischen den Flanschen 8 drei Distanzringe 16a, 16b, 16c und an der außen liegenden Stirnfläche des Flansches 8 der außen liegenden Behälterschale 2d ein Abschlussring 18 vorgesehen sind. Den stirnseitigen Abschluss bildet wiederum der Deckel 20. Zur Abdichtung zu den jeweiligen Druckräumen 12a, 12b, 12c zwischen den einzelnen Behälterschalen 16 sind im Bereich der Anlageflächen der Dichtringe 16, des Distanzringes 18 und des Deckels 20 an die Flansche 8 Dichtelemente 26 vorgesehen.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die radiale Breite B der Dichtringe 16a, 16b, 16c an die Abmessungen der Flansche 8 angepasst, so dass entsprechend der Dichtring 16a mit einer größeren Breite B ausgeführt ist, wie die den radial außen liegenden Behälterschalen 2b, 2c zugeordneten Dichtringe 16b, 16c.
In jedem der Dichtringe 16a, 16b, 16c ist ein Kanal 28a, 28b bzw. 28c ausgebildet, der einerseits in den Flanschräumen 14a, 14b bzw. 14c mündet und andererseits an eine Ventilanordnung zur Einstellung eines Stützdrucks in den genannten Druckräumen angeschlossen ist. In entsprechender Weise ist im Deckel 20 ein Deckelkanal 30 vorgesehen, der einerseits mit der genannten Ventilanordnung hydraulisch verbunden ist und andererseits im Innenraum 24 des Druckbehälters mündet. Es sei beispielsweise angenommen, dass dieser Druckbehälter 1 einen Hydrospeicher ausbildet, in dem ein Innendruck von 300 bar wirksam ist. Die vorgenannte Ventilanordnung 32 ist – wie bereits bei 2 erläutert – so ausgelegt, dass zwischen benachbarten Druckräumen 12a, 12b und 12c stets die gleiche Druckdifferenz Δp wirkt. So kann beispielsweise diese Druckdifferenz Δp 75 bar betragen, so dass bei einem Innendruck von 300 bar im Innenraum 24 der Druck im Druckraum 12a 225 bar und entsprechend der Druck im Druckraum 12b 150 bar und im außen liegenden Druckraum 12c 75 bar (siehe 3) beträgt.
Die Ventilanordnung 32 ist zur Einstellung dieser Druckdifferenzen Δp mit mehreren Stützventilen 34a, 34b, 34c ausgeführt, wobei jeweils eines dieser Stützventile einem der genannten Druckräume 12a, 12b bzw. 12c zugeordnet ist. Die hydraulische Anbindung der Stützventile 34a, 34b, 34c wird anhand der vergrößerten Darstellung gemäß 4 erläutert, die das Stützventil 34a zeigt. Die Anbindung der anderen Stützventile 34b, 34c ist entsprechend.
Jedes Stützventil 34 hat zwei Eingangsanschlüsse P, S und einen Ausgangsanschluss A, der mittels Verstellung eines Schiebers 36 absperrbar oder mit einem der Anschlüsse P, S verbindbar ist.
Eine in 4 unten liegende Steuerfläche 38 des Schiebers 36 ist in der dargestellten Regelposition des Schiebers 36 über eine an den Deckelkanal 30 angeschlossene Druckleitung 40 mit dem Druck im Innenraum 24 beaufschlagt. Eine am anderen Endabschnitt des Schiebers 36 ausgeführte Steuerfläche 42 ist dann über eine mit dem Kanal 28a verbundenen Leitung 44 mit dem im Kanal 28a wirksamen Druck beaufschlagt. Des Weiteren greift an der Steuerfläche 42 eine Feder 46 an, deren Federkraft der einzustellenden Druckdifferenz Δp entspricht. Der Schieber 36 ist mit zwei Kolbenhälsen ausgeführt, so dass ein mittiger Steuerbund 48 verbleibt, der zwei Ringräume 50, 52 von einander trennt. Die beiden Anschlüsse P, S münden im Bereich dieser Ringräume 50 bzw. 52 ein. Durch den Steuerbund 48 werden zwei Steuerkanten 54, 56 ausgebildet, über die bei einer Verschiebung des Schiebers 48 aus seiner in 4 dargestellten Regelposition der Ringraum 52 oder der Ringraum 50 mit dem Arbeitsanschluss A verbindbar ist. Dieser mündet über eine Arbeitsleitung 58 in die Leitung 44 ein, so dass je nach Verschiebung des Steuerschiebers 48 in der Leitung 44 der Druck am Anschluss P oder der Druck am Anschluss S wirksam wird. Dieser Druck liegt dann entsprechend im Federraum des Stützventils 34 an und beaufschlagt somit die Steuerfläche 42 in Richtung der Kraft der Feder 46.
Wie des Weiteren aus 4 hervorgeht, ist der Arbeitsanschluss P über eine Druckzweigleitung 60 mit der Druckleitung 40 und der Anschluss S über eine Speicherleitung 62 mit einem Niederdruck führenden Hydrospeicher 64 (siehe 3) verbunden.
In der dargestellten Regelposition ist der Anschluss A gegenüber den beiden Eingangsanschlüssen P, S abgesperrt und der Schieber 36 befindet sich in einer Gleichgewichtsposition, in der die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Innenraum 24 des Behälters und im benachbarten Druckraum 12a zwischen den Behälterschalen 2a und 2b der Kraft der Feder 46 entspricht.
In dem Fall, in dem beispielsweise der Druck in dem Druckraum 12a zu hoch ist, wirkt dieser erhöhte Druck über die Leitung 44 auf die Steuerfläche 42, so dass der Schieber 36 gegen den auf die untere Steuerfläche 38 wirksamen Innendruck nach unten verschoben wird und über die Steuerkante 56 die Verbindung zwischen dem Anschluss A und dem Anschluss S aufgesteuert wird, so dass Druckmittel zum Niederdruckspeicher 64 hin abströmen kann und der Druck im Druckraum 12a und entsprechend der auf die obere Steuerfläche 42 wirksame Druck absinkt, bis der Steuerschieber 48 wieder seine Regelposition einnimmt.
Bei einem zu niedrigen Druck im Druckraum 12a wird entsprechend der Schieber 36 nach oben verschoben, so dass über die Steuerkante 54 der Anschluss A mit dem Anschluss P verbunden wird, so dass der Druck im Druckraum 12a ansteigt bis die Regelposition erreicht ist und die Verbindung zwischen P und A abgesperrt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steuerbund 48 mit positiver Überdeckung ausgeführt, so dass aus der dargestellten Regelposition ein gewisser Hub erforderlich ist, um die vorgenannten Verbindungen des Anschlusses A mit P oder S aufzusteuern.
Die beiden anderen Stützventile 34b und 34c sind entsprechend ausgeführt, wobei die in der Darstellung unten liegende Steuerfläche 38 in der Regelposition mit dem höheren Druck im benachbarten Druckraum und die oben liegende Steuerfläche 42 mit dem Druck im zugeordneten Druckraum beaufschlagt ist. Weitere Ausführungen zu den beiden Stützventilen 34b und 34c sind unter Verweis auf die vorstehende Beschreibung des Stützventils 34a entbehrlich.
Durch geeignete Wahl der Feder 46 lassen sich an den jeweiligen Innendruck des Druckbehälters 1 angepasste maximale Stützdrücke einstellen, wobei nicht notwendiger Weise die Druckdifferenz jeweils gleich sein muss – bei bestimmten Betriebsbedingungen kann es auch vorteilhaft sein, über die Federn 46 unterschiedliche Druckdifferenzen einzustellen. Über die Federn 46 lässt sich somit der maximale Differenzdruck einstellen, der auf die zugehörigen Behälterschalen 2 wirkt.
Offenbart sind eine Druckbehälteranordnung und ein dafür geeigneter Druckbehälter für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere ein Hydrospeicher, der aus einer Vielzahl von einzelnen, in einander gesetzten Behälterschalen ausgebildet ist, die jeweils mit einem Stützdruck beaufschlagt sind.

1: Druckbehälter
2: Behälterschale
4: Boden
6: Seitenwandung
8: Flansch
10: Achse
12: Druckraum
14: Flanschraum
16: Stützring
18: Abschlussring
20: Deckel
22: Spannschraube
24: Innenraum
26: Dichtelement
28: Kanal
30: Deckelkanal
32: Ventilanordnung
34: Stützventil
36: Schieber
38: Steuerfläche
40: Druckleitung
42: Steuerfläche
44: Leitung
46: Feder
48: Steuerbund
50: Ringraum
52: Ringraum
54: Steuerkante
56: Steuerkante
58: Arbeitsleitung
60: Druckzweigleitung
62: Speicherleitung
64: Hydrospeicher

Claims

Druckbehälteranordnung für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere Hydrospeicher, mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Wandung, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) in einander gesetzt und mit einander verbunden sind, so dass zwischen den einzelnen Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) zumindest abschnittsweise Druckräume (12a, 12b, 12c) ausgebildet sind, in denen ein Stützdruck wirkt.
Druckbehälteranordnung nach Patentanspruch 1, wobei der Stützdruck in den Druckräumen vom Behälterinnenraum (24) nach außen hin abnimmt.
Druckbehälteranordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Stützdrücke so gewählt sind, dass jede Behälterschale (2a, 2b, 2c, 2d) etwa mit der gleichen Druckdifferenz (Δp) beaufschlagt ist.
Druckbehälteranordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Stützdruck im Druckraum (12a, 12b, 12c) jeweils über ein Stützventil eingestellt ist, dessen Schieber einerseits von der Kraft einer Feder und vom Druck des zugeordneten Druckraums und andererseits vom Druck im benachbarten Druckraum beaufschlagt ist, wenn sich der Schieber (36) in einer Regelposition befindet.
Druckbehälteranordnung nach Patentanspruch 4, wobei jeweils ein Ringraum des Stützventils (34a, 34b, 34c) an einem gemeinsamen Niederdruckspeicher (64) und ein benachbarter Ringraum mit dem benachbarten Druckraum (12a, 12b, 12c) verbunden ist, wobei beide Ringräume (50, 52) von einem Steuerbund (48) des Schiebers (36) getrennt sind, über den eine Druckmittelverbindung zu einem die Feder (46) aufnehmenden Federraum aufsteuerbar ist.
Druckbehälteranordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) jeweils einen von einem Boden (4) entfernten Flansch (8) haben, an dem Spannelemente (22) angreifen.
Druckbehälteranordnung nach Patentanspruch 6, wobei zwischen den Flanschen (8) benachbarter Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) Distanzringe (16a, 16b, 16c) aufgenommen sind, in denen zumindest ein Kanal (28a, 28b, 28c) zum jeweiligen Druckraum (12a, 12b, 12c) ausgebildet sind.
Druckbehälteranordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) tiefgezogen sind.
Druckbehälteranordnung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d) aus Stahl hergestellt sind.
Druckbehälter für eine Druckbehälteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Vielzahl von in einander gesetzten Behälterschalen (2a, 2b, 2c, 2d), zwischen denen Druckräume (12a, 12b, 12c) zur Aufnahme eines Druckmittels vorgesehen sind.