DE102007003724A1

DE102007003724A1 - Druckbehälter, insbesondere Hydrospeicher

Info

Publication number: DE102007003724A1
Application number: DE102007003724A
Authority: DE
Inventors: Herbert Baltes; Markus Lehnert
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-07-31
Also published as: ATE534824T1; JP5319551B2; EP2126368A1; US20100071792A1; US8418726B2; JP2010516964A; EP2126368B1; WO2008089812A1

Abstract

Bei einem Druckbehälter, insbesondere Hydrospeicher (3, 5), mit einem im Behälter einen Raum (11) für ein erstes, insbesondere gasförmiges, Arbeitsmedium von einem Raum für ein zweites Arbeitsmedium, insbesondere ein Fluid, trennenden, nachgiebigen und unter Verformung bewegbaren Trennelement (1), das eine von einem ringförmigen Rand (13) ausgehende, gewölbte Haupt-Trennfläche definiert, ist das Trennelement (1) aus einem ein Fluor-Kunststoffmaterial aufweisenden Werkstoff, vorzugsweise einem zur Gänze aus Fluor-Kunststoffmaterial bestehenden Werkstoff, gefertigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter, insbesondere auf einen Hydrospeicher, mit einem im Behälter einen Raum für ein erstes, insbesondere gasförmiges, Arbeitsmedium von einem Raum für ein zweites Arbeitsmedium, insbesondere ein Fluid, trennenden, nachgiebigen und unter Verformung bewegbaren Trennelement, das eine von einem ringförmigen Rand ausgehende, gewölbte Haupt-Trennfläche definiert.
Ein Druckbehälter dieser Art in Form eines Hydrospeichers ist in der DE 28 52 912 A1 offenbart. Das nachgiebige Trennelement, das bei dem bekannten Hydrospeicher aus einem gummiartigen Werkstoff (Synthesekautschuk, wie Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) besteht, bildet eine durch Verformen bewegbare Membran, die im Speichergehäuse eine Gasseite von einer Flüssigkeitsseite trennt. An das Betriebsverhalten von Hydrospeichern mit derartigen durch Verformen bewegbaren Membranen sind zwei Hauptforderungen zu stellen. Zum einen muss Impermeabilität der Membran gewährleistet sein, um Gasdiffusion zu vermeiden. Zum anderen sind entsprechende mechanische Eigenschaften der Membran erforderlich, insbesondere leichte Beweglichkeit und hohe Biegewechselfestigkeit, die auch unter dem Einfluss aggressiver Medien erhalten bleiben.
Bei dem erwähnten, bekannten Hydrospeicher sind diese Forderungen dahingehend nur teilweise erfüllt. Um die Undurchlässigkeit der gummiartigen Membran zu verbessern, sind bei dem bekannten Druckspeicher ringwulstartige Erhöhungen, die aus der Haupt-Trennfläche vorspringen, in dichter Aufeinanderfolge vorgesehen. Weil die Erhöhungen die durchschnittliche Wanddichte vergrößern, ergibt sich zwar eine Verbesserung der Diffusionsdichtheit, die wesentliche Erhöhung der Wanddicke führt jedoch zu einer beträchtlichen Versteifung und demzufolge zu einer Verschlechterung der Beweglichkeit.
Im Hinblick auf diesen Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Druckbehälter, insbesondere Hydrospeicher, zur Verfügung zu stellen, der sich demgegenüber durch ein wesentlich verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Druckbehälter gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Dadurch, dass erfindungsgemäß im Druckbehälter ein Trennelement vorgesehen ist, das aus einem ein Fluor-Kunststoffmaterial aufweisenden Werkstoff hergestellt ist oder vorzugsweise zur Gänze aus Fluor-Kunststoffmaterial besteht, ist zum einen eine hervorragende Diffusionsdichtigkeit gewährleistet, während zum anderen ein Trennelement zur Verfügung steht, das die für den Einsatz als Membran in Hydrospeichern optimalen mechanischen Eigenschaften wie extreme Biegewechselfestigkeit besitzt. Es können daher sehr geringe Wanddicken benutzt werden, was zu der gewünschten leichten Beweglichkeit der Membran führt. Aufgrund des resultierenden guten Ansprechverhaltens ist der Druckbehälter daher in besonderen Maße für eine Verwendung als Pulsationsdämpfer geeignet.
Als besonders geeigneter Werkstoff erweist sich Polytretafluorethylen.
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist wegen seiner sehr hohen Schmelzviskosität nicht plastisch formbar, und der jeweils gewünschte Formkörper aus diesem Material wird aus pulverförmigem Rohstoff mit 200 bis 400 bar kalt gepreßt und bei 370° bis 380° drucklos gesintert. Sofern man Folien erhalten möchte, werden diese regelmäßig von zylindrischen Massivblöcken abgeschält. Polytetrafluorethylen kommt demgemäß regelmäßig in Form starrer Festkörper in den Handel wie Platten, Stäbe, Röhren etc.. Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Membrantechnik überraschend, dass er trotzdem zur Gänze oder teilweise aus Polytetrafluorethylen-Material hergestellte Trennelemente erhalten kann, die eine derart hohe Beweglichkeit aufweisen, dass sie sogar die Funktion einer flexiblen Rollmembran übernehmen können.
Da PTFE-Materialien außerdem eine besonders gute chemische Beständigkeit aufweisen, ist der erfindungsgemäße Druckbehälter auch für einen Einsatz bei Vorhandensein chemisch aggressiver Medien geeignet.
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen definiert das Trennelement eine gewölbte Haupt-Trennfläche, an deren bezogen auf die Wölbung innenliegender Seite ringwulstartige Erhöhungen vorspringend ausgebildet sind. Durch Benutzung einer derart gewölbten Membran steht im Druckbehälter eine verhältnismäßig großflächige Trennwand zur Verfügung, die bei leichter Verformbarkeit eine verhältnismäßig große Volumenänderung der angrenzenden Arbeitsräume im Druckbehälter bewirken kann.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind aufeinanderfolgende Erhöhungen jeweils durch flache, entlang der Haupt-Trennfläche verlaufende Wandabschnitte voneinander getrennt. Daher befindet sich zwischen benachbarten Erhöhungen jeweils ein Freiraum, der für Relativbewegungen benachbarter Erhöhungen zur Verfügung steht, so dass, ohne dass aneinander angrenzende Ringwülste sich gegenseitig abstützen und die Struktur versteifen würden, sich dass Trennelement in der Art einer Rollmembran verformen kann.
Vorzugsweise besitzen die Scheitel der ringwulstartigen Erhöhungen eine kreisrunde Wölbung, so dass Kerbwirkungen vermieden sind.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen sind die ringwulstartigen Erhöhungen durch Falten gebildet, die an der außenliegenden Seite offen sind und hier ringnutartige Vertiefungen in der Haupt-Trennfläche bilden. Entsprechend der Höhe der Falten steht bei einer derart ausgebildeten Membran, ähnlich wie dies bei einem Faltenbalg der Fall ist, eine besonders große Länge der Materialbahn zur Verfügung, die bewegt werden kann, um die Membran einzurollen oder auszuziehen.
Vorzugsweise ist die Anordnung hierbei so getroffen, dass die vom offenen Ende bis zum Scheitel der Falten entlang von deren Hochachse gemessene Höhe von zumindest einer Falte gegenüber der Höhe anderer Falten unterschiedlich ist.
Wie sich gezeigt hat, ergeben sich besonders gute mechanische Eigenschaften, wenn die dem ringförmigen Rand nächstgelegene erste Falte eine geringere Höhe als die sich anschließenden weiteren Falten aufweist.
In dieser Hinsicht ist es auch vorteilhaft, wenn der vom ringförmigen Rand bis zur nächstgelegenen ersten Falte verlaufende Wandabschnitt eine Wandstärke besitzt, die am ringförmigen Rand den Größtwert besitzt und bis zur ersten Falte hin auf den Wert der Wanddicke der Wandabschnitte zwischen den Falten abfällt. Die so gebildete Randverdickung begünstigt, ohne die Nachgiebigkeit der übrigen Membran zu beeinträchtigen, die Einspannung der Membran am zugeordneten Gehäuseelement des Druckbehälters und die Ausbildung einer Dichtverbindung an der Einspannstelle.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen abgebrochen und leicht schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Druckbehälters in Form eines Hydrospeichers, wobei lediglich der Bereich des Gehäuseunterteiles und ein angrenzender Teil des Gehäuseoberteiles zu sehen sind;
2 einen gegenüber 1 vergrößert und halbseitig gezeichneten Längsschnitt nur des als Rollmembran ausgebildeten Trennelementes des Ausführungsbeispieles von 1 und
3 eine gegenüber 2 weiter vergrößerte Teilansicht des in 2 mit III gekennzeichneten Bereiches.
Von einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckbehälters in Form eines Hydrospeichers sind in 1 lediglich ein Gehäuseunterteil 3 mit einem zur Gehäuselängsachse 7 konzentrischen, bodenseitigen Fluidanschluss 9 sowie ein an das Gehäuseunterteil 3 angrenzendes Teilstück des Gehäuseoberteiles 5 dargestellt. An der Verbindungsstelle zwischen Gehäuseunterteil 3 und Gehäuseoberteil 5 ist der offene, ringförmige Rand 13 eines Trennelementes in Form einer als Ganzes mit 1 bezeichneten Rollmembran festgespannt. Dabei stützt sich eine Randverdickung 21 der Rollmembran 1 einerseits an einer Ringfläche 22 des Gehäuseunterteiles 3 ab und liegt andererseits an einem O-Ring 15 an, der wiederum in einer Ringnut 20 an einem axial vorstehenden Ringkörper 14 des Gehäuseoberteiles 5 sitzt.
1 und 2 zeigen die Rollmembran 1 in einem voll ausgerollten oder ausgezogenen Zustand, bei dem der in 1 oberhalb der Membran 1 gelegene Raum 11, die Gasseite des Hydrospeichers, das größte Volumen besitzt und am Fluidanschluss 9 kein Fluiddruck herrscht, so dass sich die Membran 1 an die Innenwand des Gehäuseunterteiles 3 anlegt, wobei ein zentraler Verstärkungswulst 29 der Membran 1 den Rand des Fluidanschlusses 9 übergreift und so eine mechanische Sicherung gegen ein Eindrücken der Membran 1 in den Fluidanschluss 9 bei fehlendem Fluiddruck bildet.
2 und 3 verdeutlichen nähere Einzelheiten der aus einem PTFE-Material hergestellten Rollmembran 1. Wegen der sehr guten Diffusionsdichtigkeit des PTFE-Materials und der besonders guten Festigkeitseigenschaften ist für die Rollmembran 1 lediglich eine geringe Wanddicke der Membran in ihrem vom ringförmigen Rand 13 ausgehenden Verlauf erforderlich, der die gewölbte Haupt-Trennfläche definiert. Aus dieser Haupt-Trennfläche springen aufeinanderfolgende ringwulstartige Erhöhungen nach innen vor, die beim gezeigten Beispiel nicht durch Wülste in Form von Vollkörper gebildet sind, sondern durch Falten gebildet sind, von denen eine erste, dem Rand 13 nächstgelegen Falte mit 17 bezeichnet ist und die sich daran anschließenden Falten jeweils mit 19 bezeichnet sind. Wie aus 1 zu ersehen ist, verändert sich, ausgehend von der Wandverdickung 21 am ring förmigen Rand 13, die Wanddicke in der Weise, dass die Wanddicke bis zur ersten Falte 17 hin abnimmt, und zwar auf den Dickenwert von flachen Wandabschnitten 23, die sich jeweils zwischen den Falten 17 und 19 befinden. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel fällt dabei die Wanddicke von der Verdickung 21 bis zur ersten Falte 17 hin von einem Wert von 1,2 mm auf den Wert von 0,5 mm ab, der an den aufeinanderfolgenden Wandabschnitten 23 zwischen den Falten 17 und 19 jeweils gegeben ist. Wie 2 ebenfalls zeigt, bildet die Randverdickung 21 an der Innenseite eine Art Schalenform, die eine Teilumfassung des in 2 nicht gezeigten O-Ringes 15 bildet.
Wie aus 2 ebenfalls erkennbar ist, ist die entlang der Hochachse 25 gemessene Faltenhöhe bei der ersten Falte 17 geringer als bei den darauffolgenden Falten 19, die jeweils die gleiche Höhe besitzen, wobei sämtliche Falten 17 und 19 an ihrem Scheitel kreisrund gewölbt sind. Die Falten 17 und 19 sind an der bezogen auf die Wölbung außenliegenden Seite offen, so dass ringnutartige Vertiefungen 27 (siehe insbesondere 3) gebildet werden, die jeweils Unterbrechungen im Wölbungsverlauf der Haupt-Trennfläche zwischen den Wandabschnitten 23 bilden. Wie besonders aus 3 zu erkennen ist, ist die lichte Weite der ringnutartigen Vertiefungen 27 am offenen Ende der Falten 17, 19 jeweils wesentlich geringer als die entlang der Hochachse 25 gemessene Faltenhöhe, und zwar ist beim dargestellten Beispiel die Höhe der Falten 19 etwa um den Faktor 4 größer.
Wie ebenfalls aus 3 deutlich ersichtlich ist, verlaufen die Innenseiten der Vertiefungen 27 der Falten 17, 19 zum offenen Ende hin leicht divergierend, so dass das offene Ende der Vertiefungen 27 eine größere Weite besitzt als der Grund der Vertiefungen 27 am Scheitelbereich der Falten. Wie 2 zeigt, verlaufen die Hochachsen 25 der Spalten 19 jeweils in etwa senkrechter Richtung zur Tangentialebene an die benachbarten Wandabschnitte 23, während die Hochachse 25 der ersten Falte 17 zu dieser Tangentialebene leicht geneigt verläuft, wobei die Hochachse 25 der ersten Falte 17 mit der Ebene des ringförmigen Randes 13 einen Winkel von etwa 10° einschließt. Bei den darauffolgenden Falten 19 sind die Hochachsen 25 von Falte zu Falte zunehmend steiler zur Ebene des Randes 13 geneigt.
Beim vorliegenden Beispiel sind die an der Innenseite der Membran 1 vorstehenden ringwulstartigen Erhöhungen durch Falten 17 und 19 gebildet, wodurch sich eine besonders leichte Beweglichkeit für das Einrollen der Membran ergibt. Jedoch könnten auch als Vollkörper ausgebildete, ringwulstartige Erhöhungen vorgesehen sein. Es können ungefüllte PTFE-Werkstoffe benutzt werden oder solche mit Füllstoff und/oder Füllstoffkombinationen, wie sie in an sich bekannter Weise bei PTFE-Materialien vorgesehen sein können, beispielsweise wenn extreme Temperaturbeständigkeit oder andere besondere Eigenschaften erwünscht sind. Glasfasermaterialien, Kohlenstoff oder metallische Füllstoffe können unter anderem in Betracht kommen.
Aus PTFE-Materialien stehen Halbzeuge in vielerlei Formen zur Verfügung, beispielsweise aus Blöcken geschälte Folien, Vollstäbe, Ronden und dergleichen. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften lassen sich Fertigerzeugnisse, wie die beim erfindungsgemäßen Druckbehälter benutzte Rollmembran, durch spanende Bearbeitung aus Formkörpern herstellen, die ihrerseits aus pulverförmigem Rohstoff gepreßt und gesintert werden. Insbesondere bei dünnwandigen Erzeugnissen kommt jedoch auch eine Formgebung durch Blasformen einer PTFE-Dispersion vor dem Sintern in Betracht. Sofern die in 1 gezeigte Membrankugelform aus einem Polytetrafluorethylen-Vollkörper erhalten ist, ist dieser dann durch spanende Bearbeitung des Rohkörpers in die gezeigte Trennmembranform zu bringen. Um den beim Zerspanungsprozeß entstehenden Polytetrafluorethylen-Abfall gering zu halten, ist vorzugsweise ein Vorformkörper als Rohling in einer Halbschalenform als Pressform herzustellen.
Das genannte Polytetrafluorethylen-Material als Fluor-Kunststoffmaterial kann sowohl reines PTFE als auch modifiziertes PTFE umfassen und sowohl ungefülltes PTFE als auch PTFE-Compounds mit einschließen. Für ein modifiziertes PTFE-Material kommen Füllstoffe, wie Bronze, Kohlestaub, MoS₂ sowie Glasfaser- und Kohlefasermaterialien in Frage. Neben PTFE lassen sich als weitere Fluor-Kunststoffmaterialien Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Ethylenchlortrifluorethylen-Copolymer (ECTFE), Polychlortrifluorethylen-Copolymer (PCTFE), Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen (FEP) einsetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2852912 A1 [0002]

Claims

Druckbehälter, insbesondere Hydrospeicher (3, 5), mit einem im Behälter einen Raum (11) für ein erstes, insbesondere gasförmiges, Arbeitsmedium von einem Raum für ein zweites Arbeitsmedium, insbesondere ein Fluid, trennenden, nachgiebigen und unter Verformung bewegbaren Trennelement (1), das eine von einem ringförmigen Rand (13) ausgehende, gewölbte Haupt-Trennfläche definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (1) aus einem ein Fluor-Kunststoffmaterial aufweisenden Werkstoff, vorzugsweise einem zur Gänze aus Fluor-Kunststoffmaterial bestehenden Werkstoff, besteht.
Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (1) eine gewölbte Haupt-Trennfläche definiert, an deren bezogen auf die Wölbung innenliegender Seite ringwulstartige Erhöhungen (17, 19) vorspringend ausgebildet sind.
Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Erhöhungen (17, 19) jeweils durch flache, entlang der Haupt-Trennfläche verlaufende Wandabschnitte (23) voneinander getrennt sind.
Druckbehälter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitel der ringwulstartigen Erhöhungen (17, 19) eine kreisrunde Wölbung besitzen.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ringwulstartigen Erhöhungen durch Falten (17, 19) gebildet sind, die an der außenliegenden Seite offen sind und hier ringnutartige Vertiefungen (27) in der Haupt-Trennfläche bilden.
Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom offenen Ende bis zum Scheitel der Falten (17, 19) entlang von deren Hochachse (25) gemessene Höhe von zumindest einer Falte (17) gegenüber der Höhe anderer Falten (19) unterschiedlich ist.
Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ringförmigen Rand (13) nächstgelegene erste Falte (17) eine geringere Höhe als die sich anschließenden weiteren Falten (19) aufweist.
Druckbehälter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Falten (17, 19) zumindest um den Faktor zwei größer ist als die am offenen Ende der Falten (17, 19) gemessene Weite der gebildeten ringnutartigen Vertiefungen (27).
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochachsen (25) aufeinanderfolgender Falten (17, 19) um kleine Winkel zueinander geneigt verlaufen.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen aufeinanderfolgenden Falten (17, 19) verlaufenden flachen Wandabschnitte (23) jeweils die gleiche Wanddicke aufweisen.
Druckbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vom ringförmigen Rand (13) bis zur nächstgelegenen ersten Falte (17) verlaufende Wandabschnitt eine Wandstärke besitzt, die am ringförmigen Rand (13) den Größtwert besitzt und bis zur ersten Falte (17) hin auf den Wert der Wanddicke der Wandabschnitte (23) zwischen den Falten (17, 19) abfällt.