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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Speicher
mit einer erhöhten
Speicherkapazität.
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Hydropneumatische
Speicher sind beispielsweise aus Hydrauliksystemen von Fahrzeugen
bekannt. Ein bekannter hydropneumatischer Speicher ist beispielsweise
ein Druckgefäß mit zwei
Medienanschlüssen,
wobei im Druckgefäß zwei Räume vorgesehen
sind, welche durch ein elastisches Material getrennt sind. Die Medienanschlüsse sind
ein Gasventil und ein Hydraulikventil, so dass ein Raum mit einem Gas,
z. B. Luft oder Stickstoff, auf einen vorbestimmten Fülldruck
vorgefüllt
ist und mittels des Gasventils abgeschlossen ist. Der andere Raum
des Druckgefäßes ist
für eine
Hydraulikflüssigkeit
vorgesehen. Bei Einleiten einer Hydraulikflüssigkeit durch das Hydraulikventil
wird das Volumen des gasgefüllten Raums
reduziert und das darin eingeschlossene Gas komprimiert. Der hierbei
entstehende Gegendruck entspricht einem Förderdruck der Hydraulikflüssigkeit.
Die Kompressibilität
des Gases ermöglicht
dabei die Speicherung einer großen
Menge von Hydraulikflüssigkeit
unter hohem Druck. Derartige Druckgefäße finden beispielsweise als
Druckspeicher zur Abdeckung von Leistungsspitzen oder zum Ausgleich von
Druckschwankungen in Hydrauliksystemen Verwendung. Auch können derartige
Druckgefäße als Energiespeicher
verwendet werden.
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Derartige
Druckgefäße weisen
jedoch den Nachteil auf, dass bei einer schnellen Befüllung oder Entleerung
Wärme entsteht,
wodurch die Temperatur des Gases beim Verdichten stark ansteigt
und entsprechend beim Entspannen stark sinkt. Die Temperaturerhöhung des
Gases führt
dabei zu einem wieder erhöhten
Volumenbedarf des Gases, so dass bei einer schnellen Befüllung des
Hydraulikraumes die Betriebsgrenzen des Druckspeichers durch den
herrschenden Druck und die ansteigende Temperatur schnell erreicht
sind. Somit ist der Druckspeicher nicht in der Lage, die eigentlich
maximal aufnehmbare Hydraulikflüssigkeit
in dem Hydraulikraum aufzunehmen.
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Um
eine möglichst
große
Füllung
des Speichers zu ermöglichen,
wäre es
nun möglich,
den Speicher von außen
zu kühlen,
um das nutzbare Volumen zu erhöhen.
Dies bedeutet jedoch einerseits einen erhöhten Energiebedarf für die Kühlung und andererseits
einen großen
baulichen Aufwand. Ferner weisen derartige Speicher einen schlechten
Wirkungsgrad auf.
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Vorteile der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßer hydropneumatischer Speicher
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass ein Nutzvolumen des Speichers signifikant erhöht werden kann.
Dadurch kann der erfindungsgemäße Speicher einen
verbesserten Wirkungsgrad aufweisen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass der hydropneumatische Speicher einen ersten Raum,
einen zweiten Raum, ein Trennelement, welches den ersten Raum vom
zweiten Raum trennt, und einen Latentwärmespeicher umfasst. Das Trennelement
ist vorzugsweise flexibel. Der Latentwärmespeicher übernimmt
dabei die Wärmespeicherung
des während
der Verdichtung des Gases auftretenden Temperaturanstiegs. Mit anderen
Worten sorgt der Latentwärmespeicher
dafür,
dass ein Temperaturanstieg und ein Druckanstieg des Gases in einem
der Räume reduziert
werden kann. Der Latentwärmespeicher
ist dabei ein Stoff, welcher bei einer bestimmten Temperatur einen
Phasenübergang
von einer ersten Phase zu einer zweiten Phase erfährt. Insbesondere
wird ein Phasenübergang
von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase oder von einer
flüssigen
Phase zu einer festen Phase oder von einer flüssigen Phase zu einer gasförmigen Phase
oder einer gasförmigen Phase
zu einer flüssigen
Phase bevorzugt. Die dabei benötigte
Wärme für den Phasenübergang (Schmelzwärme oder
Erstarrungswärme)
wird dabei ohne Temperaturänderung
des Gases in dem Stoff gespeichert. Die Komprimierung des Gases
im ersten Raum wird dabei durch das flexible Trennelement sichergestellt,
wenn in dem zweiten Raum eine Flüssigkeit
zugeführt
wird.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist der Latentwärmespeicher im
ersten Raum angeordnet.
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Besonders
bevorzugt ist das Trennelement elastisch und insbesondere eine Blase.
Hierdurch kann der hydropneumatische Speicher besonders einfach
und kostengünstig
bereitgestellt werden. Alternativ ist das Trennelement ein Kolben.
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Weiter
bevorzugt ist der Latentwärmespeicher
an einer Innenseite des Gehäuses
des Speichers im ersten Raum angeordnet. Somit ist der Latentwärmespeicher
unmittelbar mit dem Gas in Kontakt und es kann eine direkte Wärmeübertragung
bei einer Komprimierung des Gases vom Gas zum Latentwärmespeicher
erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Latentwärmespeicher flächig an
einer Außenseite
des Gehäuses
angeordnet. Dadurch wird ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem
Gas und dem Latentwärmespeicher
verhindert. Das Gehäuse
ist dabei besonders bevorzugt aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten,
z. B. einem Metall, hergestellt, um eine schnelle und ausreichende
Wärmeübertragung
vom Gas auf den Latentwärmespeicher
zu ermöglichen.
Es sei angemerkt, dass der hydropneumatische Speicher selbstverständlich auch
einen Latentwärmespeicher
im Inneren des ersten Raums und an der Außenseite des Gehäuses aufweisen
kann.
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Besonders
bevorzugt ist der Latentwärmespeicher
in einem porösen
Aufnahmeelement umfasst, in welchem ein Latentwärmespeicher-Material angeordnet
ist. Durch das poröse
Aufnahmeelement kann ein großflächiger Kontakt
zwischen dem Latentwärmespeicher
und dem Gas bereitgestellt werden. Das Latentwärmespeicher-Material ist dabei
vorzugsweise im porösen
Aufnahmeelement angeordnet, welches bei Auftreten einer flüssigen Phase
vorzugsweise gekapselt ist. Das Latentwärmespeicher-Material wird vorzugsweise
ausgewählt
aus der Gruppe der Parafine, der Salz-Wasser-Eutektika, der Gashydrate
und deren Mischungen, der Salzhydrate und deren Mischungen, der
Zucker-Alkohole
und der Salze und deren eutektischen Mischungen. Auch sind beliebige
Kombinationen der vorgenannten Stoffe möglich.
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Weiter
bevorzugt umfasst das poröse
Aufnahmeelement eine Vielzahl von feinen Kapillaren und ist weiter
bevorzugt aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten, insbesondere
einem Metall oder einem Metall enthaltenen Material hergestellt.
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Vorzugsweise
weist das Gehäuse
an der Außenseite
eine Wärmedämmung auf
oder ist selbst aus einem wärmedämmenden
Material hergestellt. Dadurch kann ein Verlustwärmestrom zur Umgebung minimiert
werden und ein Wirkungsgrad des Speichers weiter erhöht werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das poröse Aufnahmeelement
Röhren
und/oder Kapillaren auf, welche parallel zueinander oder spiralförmig zueinander
angeordnet sind. Die Röhren
und/oder Kapillaren können an
der Gehäusewand
anliegen und/oder in einem Raum des Speichers angeordnet sein. Alternativ kann
das poröse
Aufnahmeelement auch eine schwammartige Struktur mit undefinierten
porösen Öffnungen
aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Latentwärmespeicher vollständig oder
teilweise am flexiblen Trennelement angeordnet. Dadurch kann insbesondere
auch eine Wärmeübertragung
aus dem mit Flüssigkeit
aufgefüllten
zweiten Raum auf den Latentwärmespeicher erfolgen.
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Der
Latentwärmespeicher
ist vorzugsweise flächig
an der Innenseite und/oder Außenseite
des Gehäuses
bzw. des Trennelements angeordnet. Wenn der Latentwärmespeicher
auch am Trennelement angeordnet ist, muss eine Trägerstruktur
des Latentwärmespeichers
ebenfalls flexibel sein und beispielsweise eine schaumstoffartige
Schwammstruktur aufweisen.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines hydropneumatischen Speichers gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht eines hydropneumatischen Speichers gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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3 eine
schematische Schnittansicht eines hydropneumatischen Speichers gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 ein hydropneumatischer
Speicher 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst der hydropneumatische
Speicher 1 einen ersten Raum 2 und einen zweiten
Raum 3, welche durch ein elastisches, flexibles Trennelement 4 getrennt
sind. Der erste Raum 2 und der zweite Raum 3 sind
in einem festen Gehäuse 5 angeordnet.
An der Innenseite des Gehäuses 5 ist
auch das Trennelement 4 fixiert und trennt den ersten Raum 2 vom
zweiten Raum 3. Das Trennelement 4 ist beispielsweise
eine Blase aus einem Kunststoffmaterial oder eine undurchlässige Membran.
Das Trennelement 4 kann beispielsweise mittels Kleben an
der Innenseite des Gehäuses 5 fixiert
werden, so dass die Räume 2, 3 fluiddicht
voneinander getrennt sind.
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Im
ersten Raum 2 kann über
einen Gasanschluss 7 ein Gas eingeleitet werden. Über ein
nicht dargestelltes Gasventil kann der erste Raum 2 abgeschlossen
werden, wobei je nach Anwendungsfall ein vorbestimmter Gasdruck
im ersten Raum 2 vorgegeben wird. Als Gas kann beispielsweise
Stickstoff oder Luft verwendet werden. Der zweite Raum 3 ist
mit einer Flüssigkeit,
insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit,
gefüllt.
Die Hydraulikflüssigkeit
kann über
einen Hydraulikanschluss 8, wie durch den Pfeil H angedeutet,
zugeführt
und abgelassen werden. 1 zeigt dabei den Zustand des
hydropneumatischen Speichers 1, in welchem nur eine geringe
Menge an Hydraulikflüssigkeit
im zweiten Raum angeordnet ist.
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Der
hydropneumatische Speicher 1 umfasst ferner einen Latentwärmespeicher 6,
welcher an der Innenseite des Gehäuses 5 im ersten Raum 2 angeordnet
ist. Der Latentwärmespeicher 6 befindet
sich somit in direktem Kontakt mit dem Gas im ersten Raum 2.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Latentwärmespeicher 6 flächig an
der Innenseite des Gehäuses 2 in
Form einer Halbkugel angeordnet. Der Gasanschluss 7 geht
dabei durch eine im Latentwärmespeicher 6 vorgesehene Öffnung.
Der Latentwärmespeicher 6 umfasst
ein poröses
Aufnahmeelement, an dessen Oberfläche ein Latentwärmespeicher-Material,
wie z. B. ein Parafin enthaltenes Material oder ein Salz enthaltenes
Material, angeordnet ist. Die poröse Struktur des Aufnahmeelements
ermöglicht
dabei, dass eine möglichst
große
Oberfläche
des Latentwärmespeichers 6 mit
dem Gas in Kontakt kommt.
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Die
Funktion des hydropneumatischen Speichers 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist dabei wie folgt: Wenn eine Hydraulikflüssigkeit, wie durch den Pfeil
H angedeutet, zum zweiten Raum 3 zugeführt wird, wird das im ersten
Raum 2 eingeschlossene Gas komprimiert und das Trennelement 4 in
Richtung des Gasanschlusses 7 verschoben. Der entstehende
Gegendruck im mit Gas gefüllten ersten
Raum 2 entspricht dabei einem Förderdruck der Hydraulikflüssigkeit.
Wenn nun die Hydraulikflüssigkeit
schnell in den zweiten Raum 3 zugeführt wird, tritt auch eine schnelle
Komprimierung des Gases im ersten Raum 2 auf, so dass ein
großer
Temperaturanstieg des Gases auftritt. Da das Gas jedoch mit dem
Latentwärmespeicher 6 in
Kontakt ist, erfährt das
Latentwärmespeicher-Material
ab einer materialabhängigen
Temperatur einen Phasenübergang,
insbesondere von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase, wobei die für den Phasenübergang
benötigte Wärme (Schmelzwärme) ohne
Temperaturänderung in
dem Latentwärmespeicher-Material
gespeichert wird. Hierbei wird, wenn die Gastemperatur die Schmelztemperatur
des Latentwärmespeicher-Materials
erreicht, bis zum vollständigen
Schmelzen des Latentwärmespeicher-Materials
die Gastemperatur kaum über
die Schmelztemperatur angehoben. Insofern wird die durch die Komprimierung
entstandene Wärme
im Latentwärmespeicher 6 gespeichert.
Somit kann im Wesentlichen eine isotherme Verdichtung des Gases
mit einem schwächeren
Anwachsen des Druckes im gasgefüllten
ersten Raum 2 erhalten werden. Dadurch wird ein höherer Wirkungsgrad
des hydropneumatischen Speichers erreicht, und eine mögliche Energiespeicherung
im hydropneumatischen Speicher vergrößert.
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Wenn
der hydropneumatische Speicher 1 wieder entleert wird,
wird die Hydraulikflüssigkeit
wieder durch den Hydraulikanschluss 8 abgelassen, wobei
die im Latentwärmespeicher 6 gespeicherte
Wärme bei
Unterschreiten der Schmelztemperatur des Latentwärmespeicher-Materials dem Gas wieder zugeführt wird.
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Es
sei auch angemerkt, dass in Abhängigkeit von
dem verwendeten Latentwärmespeicher-Material der Latentwärmespeicher
auch von dem Gas im ersten Raum 2 entkoppelt werden muss.
Dies kann beispielsweise durch Vorsehen eines Trennelements zwischen
dem Latentwärmespeicher 6 und
dem Gas im ersten Raum 2, z. B. mittels einer Folie o. Ä., erfolgen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 ein hydropneumatischer
Speicher gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
weist der hydropneumatische Speicher 1 des zweiten Ausführungsbeispiels
einen Latentwärmespeicher 6 auf,
welcher an der Außenseite
des Gehäuses 5 angeordnet
ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Latentwärmespeicher 6 dabei
im Wesentlichen im Bereich des ersten Raums 2 außen am Gehäuse 5 angeordnet.
Das Gehäuse 5 des
zweiten Ausführungsbeispiels
ist aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten, beispielsweise
einem Metall, hergestellt. Dadurch wird ein schneller Wärmeübergang
vom Gas im ersten Raum 2 zum Latentwärmespeicher 6 ermöglicht.
Der hydropneumatische Speicher 1 des zweiten Ausführungsbeispiels hat
insbesondere den Vorteil, dass der Latentwärmespeicher 6 sehr
einfach am Speicher angeordnet werden kann. Ferner kann hinsichtlich
einer Materialwahl des Latentwärmespeichers 6 ein
Material ausgewählt
werden, welches unabhängig
vom Gas im ersten Raum 2 ist. Dadurch kann der hydropneumatische
Speicher 1 des zweiten Ausführungsbeispiels besonders kostengünstig bereitgestellt
werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 ein hydropneumatischer
Speicher 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile
sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet.
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Der
hydropneumatische Speicher 1 des dritten Ausführungsbeispiels
entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels, wobei zusätzlich noch
eine Dämmung 9 an
der Außenseite
des Gehäuses 5 angeordnet
ist. Die Dämmung 9 ist
im Wesentlichen im Bereich des ersten Raumes 2 des hydropneumatischen
Speichers 1 vorgesehen und verhindert, dass Wärme zur
Außenseite
an die Umgebung abgegeben werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad
und somit das nutzbare Gasvolumen des hydropneumatischen Speichers 1 weiter
verbessert werden. Die Dämmung 9 ist
im Wesentlichen nur im Bereich des ersten Raumes 2 vorgesehen.
Es sei jedoch angemerkt, dass die Dämmung 9 auch vollständig an
der Außenseite
des Gehäuses 5 vorgesehen
ist. Alternativ könnte
eine Dämmung
auch an der Innenseite des Gehäuses 5 erfolgen
und der Latentwärmespeicher 6 könnte dann
an der Innenseite der Dämmung
angeordnet werden. Auch ist es ferner möglich, dass das Gehäuse 5 aus
einem Material hergestellt wird, welches einen schlechten Wärmeleitkoeffizienten
aufweist. Dadurch hat auch das Gehäuse 5 gewisse Dämmeigenschaften.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Der
erfindungsgemäße hydropneumatische Speicher
wird insbesondere in Verbindung mit Fahrzeugen, beispielsweise mit
hydraulischen Bremsanlagen, verwendet. Eine Verwendung des erfindungsgemäßen Speichers
kann jedoch auch beispielsweise bei gasgefüllten Stoßdämpfern oder gasgefüllten Druckdämpfern oder
gasgefüllten
Ausgleichsbehältern
erfolgen. Auch ist eine allgemeine Anwendung als Druckluftspeicher
möglich.