-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher zur Reduzierung
von Druckschwankungen in insbesondere kompressiblen strömenden Fluiden
innerhalb eines pneumatisch betriebenen Fluiddosier- und Fördersystems,
in dem ein Ventilstutzen mit einer Zu- und Ableitung für
das strömende Fluid vorgesehen ist, um das Fluid dem Druckspeicher
zur Homogenisierung des Förderstroms des Fluids zuzuführen
und dort temporär zu speichern.
-
Ferner
betrifft die Erfindung einen Ventilstutzen zum Einsatz in einem
erfindungsgemäßen Druckspeicher sowie ein pneumatisch
betriebenes Fluiddosier- und Fördersystem mit einem erfindungsgemäßen
Druckspeicher.
-
Druckspeicher
der oben genannten Art kommen in pneumatisch betriebenen oder pneumatisch unterstützen
Fluiddosier- und Fördersystemen in fast allen Industriezweigen
zum Einsatz oder auch in kompressorbetriebenen Sprühpistolensystemen
wie beispielsweise Airbrushsystemen und sind insbesondere für
den Einbau in kompressorbetriebenen Vorrichtungen mit Rohrleitungssystemen
bekannt, in denen vorrangig durch die Förderung der Transportmedien
hervorgerufene Druckpulsationen auftreten. Die bekannten Druck speicher
dienen dazu, die von einer Verdichtereinheit zur Verfügung
gestellte Druckluft zwischenzuspeichern und unabhängig
von dessen aktuellem Betriebszustand bereitzustellen. Hierdurch werden
die Laufzeiten des Kompressors reduziert und die Anzahl der den
Verschleiß erhöhenden Start/Stop-Phasen wird verringert.
Darüber hinaus wird bei Verbrauchern mit sehr hohem Druckluftbedarf
die Dauerlaufleistung erhöht, so dass das Gerät auch
längere Zeit ohne Pause betrieben werden kann.
-
Druckspeicher
werden im Allgemeinen dazu eingesetzt, die Druckversorgung eines
Druckgasverbrauchers möglichst konstant zu halten und möglichst
durch einen unteren und einen oberen Extremwert zu begrenzen. Der
Wirkungsgrad des Druckspeichers steht dabei in direktem Zusammenhang mit
dem darin vorherrschenden Druck. Zu hohe Gasdrücke bergen
zum Beispiel bei Unfällen ein hohes Gefahrenpotential.
Bei Unterschreitung der unteren Betriebsdruckgrenzen ist ein homogener
und kontinuierlicher Betrieb des durch das Fluidfördersystem zu
versorgenden Druckgasverbrauchers nicht mehr gewährleistet.
Die untere Betriebsdruckgrenze steht in direktem Zusammenhang mit
einer im Druckgasspeicher mitgeführten, aber nicht nutzbaren
Restgasmenge.
-
Meist
ist der Gasentnahmedruck geringer als der von dem Kompressor erzeuge
Gasfülldruck. Um diese niedrigen Drücke realisieren
zu können, ist aus dem Stand der Technik bekannt, handelsüblich
federbelastete Druckminderer oder geregelte Magnetventile zur Regelung
des Gasentnahmesystems einzusetzen.
-
Ein
Fluidfördersystem ist beispielsweise in der
DE 3 311 822 beschrieben. Der in dieser
Druckschrift offenbarte in das Fluidfördersystem eingesetzte
Druckspeicher hat zur Aufgabe, Druckpulsationen in Strömungsmitteln,
die durch ein rohrartiges Element gebildet werden, zu dämpfen.
Dazu wird der Druckspeicher mit einem aus einem aus nachgiebigen
Material bestehenden Innenraumkörper und einen aus steifem
Material bestehenden Außenraumkörper ausgebildet.
Innen- und Außenraumkörper sind so relativ zueinander
angeordnet, dass sich zwischen ihnen eine ringförmige Ausgleichskammer ausbildet.
In der Ausgleichskammer ist ein Druckmittel vorgesehen, dessen Druck
in Abhängigkeit von der druckpulsationsbedingten Verformung
des inneren Körpers variierbar ist. Der Aufbau dieser Vorrichtung
ist sehr aufwendig und damit kostenintensiv.
-
Ein
großes Problem bei dem Betrieb eines Fluidfördersystems,
an dem Verbraucher angeschlossen sind, die zum ordnungsgemäßen
Betrieb Druckluft mit einem möglichst konstanten Druck
benötigen, ist ein vom Kolbenhub des Kompressors verursachter,
ungleichmäßiger Druckverlauf mit je nach Betriebszustand
hohen Druckspitzen. Hierdurch kann eine kontinuierliche Gaszufuhr
zu einem an dem Fluidfördersystem angeschlossenen Druckverbraucher
nicht gewährleistet werden, was sich z. B. als eine nicht
exakt einzustellende oder zu bestimmende Gasmenge darstellen kann.
Bei einem Airbrush-System z. B. kann eine solche durch Druckpulsation
hervorgerufene Druckschwankung ggf. einen unregelmäßigen
Farbaustrag aus einer Sprühpistole und damit ein unregelmäßiges
Auftragsergebnis hervorrufen.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen,
die auf einfache Weise pulsationsbedingte Schwingungen und Schallabstrahlungen
durch das Rohrleitungssystem bzw. die einzelnen Elemente vermeidet
oder zumindest verringert.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass an dem Ventilstutzen des Druckspeichers mindestens ein eine
separate Kammer bildendes Separiermittel vorgesehen ist, welches
durch einen doppelten Querschnittssprung bei Ein- und Austritt des
Fluides im Fluid vorhandene Druckspitzen eliminiert, um ein gerichtetes
Zu- bzw. Abführen des Fluides in den bzw. aus dem Druckspeicher
zu gewährleisten.
-
Der
erfindungsgemäße Druckspeicher nutzt ein im Bereich
von Schalldämpfern eingesetztes Prinzip des doppelten Querschnittssprungs,
d. h. eine Querschnittsvergrößerung beim Eintritt
in den Druckspeicher sowie eine Querschnittsreduzierung bei Austritt
aus dem Druckspeicher. Das eintretende Fluid ist dabei mit dem austretenden
Fluid quasi in Reihe geschaltet und nicht wie im Stand der Technik parallel
geschaltet, was zu einem wesentlich homogeneren Zusammentreffen
von Eintritts- und Austrittsfluidstrom führt und Druckspitzen
innerhalb des Fördersystems zumindest vermindert. Im Unterschied
zu Schalldämpfern von Klimaanlagen oder Kraftfahrzeugen
dient das Prinzip im erfindungsgemäßen Druckspeicher
jedoch nicht primär der Schalldämmung, diese wird
nur indirekt über Reduzierung der Schwingungen des Rohrsystems
erreicht, sondern vordergründig der Reduktion von Druckschwankungen.
Der erfindungsgemäß Druckspeicher erfüllt somit
bestimmungsgemäß eine Doppelfunktion, die Druckgasspeicherung
und die Druckschwankungsminderung.
-
Eine
besonders einfache Ausbildungsmöglichkeit einer entsprechenden
separaten Kammer wird dadurch erreicht, dass das Separiermittel
durch eine insbesondere rohr- oder schlauchförmige Hülse gebildet
ist.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es
zur weiteren Homogenisierung des Druckflusses auch möglich,
das Separiermittel durch eine in dem Druckspeicher ausgebildete
oder eingesetzte Trennwand zu bilden, die in einem bestimmten Bereich
mit einer Öffnung oder einem Öffnungsspalt versehen
ist, über den die durch das Separiermittel gebildete Kammer
und die durch die Innenwandung des Druckspeichers gebildete Kammer
miteinander kommunizieren können. Durch eine weitere Kaskadierung
mehrerer hintereinander geschalteter Kammern kann ein noch kontinuierlicherer
Druckfluss erreicht werden.
-
Das
Separiermittel kann auch an dem Ventilstutzen befestigbar sein,
dies hat zum Vorteil, dass durch Austausch des Ventilstutzens auch
das Separiermittel austauschbar ist und somit verschiedene Separiermittel
für verschiedene Anwendungsfälle in den gleichen
dadurch wiederverwendbaren und flexibel einsetzbaren Druckspeicher
genutzt werden können.
-
Eine
gegen Leckage und Undichtigkeiten besonders unempfindliche Ausbildung
der Erfindung sieht vor, das Separiermittel einteilig mit dem Ventilstutzen
auszubilden.
-
In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das
Separiermittel längenveränderbar ausgebildet.
Durch die Möglichkeit der Veränderung der Länge
durch Veränderung der geometrischen Abmessung des Separiermittels
können die Abmessungen der durch das Separiermittel gebildeten
mindestens eine Kammer ebenfalls verändert werden, was
dazu führt, dass der Druckspeicher auch als Schwingungssystem ähnlich
einem Feder/Dämpfersystem ausgebildet werden kann und über
die Längenänderung die Resonanzfrequenz des Druckspeichers
einstellbar ist. Dadurch wird erreicht, dass der erfindungsgemäße
Druckspeicher sowohl als Dämpfungsmittel als auch als Schwingungsverstärker
eingesetzt werden kann.
-
Eine
besonders preisgünstige Ausbildung der Erfindung sieht
vor, den Druckspeicher aus einer Monoblockdose, insbesondere einer
Aerosoldose zu bilden. Durch Einsetzen eines an die Anschlüsse
des Fördersystems angepassten in die Monoblockdose einzusetzenden
Adapters kann so auf einfache Weise eine preisgünstige
und weit verbreitete Vorrichtung zu einem Druckschwankungen reduzierenden Druckspeicher
umfunktioniert werden.
-
Eine
die Dämpfungswirkung steigernde Ausbildungsform der vorliegenden
Erfindung sieht vor, das Separiermittel aus einem insbesondere schlauchförmigen,
flexiblen und vor allem dehnbaren Material auszubilden. In diesem
elastischen Material kann es zu einer Dissipation von akustischer
Energie in Wärmeenergie und damit zu einer zusätzlichen Schalldämpfung
kommen.
-
Eine
weitere Steigerung der Schalldämpfung wird erreicht, indem
die Innenwandungen des Druckspeichers mit einer Struktur wie beispielsweise
einer Riffelung versehen wird. Die Schallreduktion wird dadurch
hervorgerufen, dass der Wechseldruck der Pulsationsspitzen in den
Riffeln aufgenommen wird, wobei die Riffelung bei einem Druckausgleich
als eine akustische Rundumauskleidung in einem Kanal wirkt. Auch
Schwingungen und Schallabstrahlungen durch das Rohrleitungssystem
können durch entsprechende Ausbildung des Gehäuses
weitestgehend vermieden werden.
-
Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden
Zeichnungen verwiesen.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Fluidfördersystems;
-
2 eine
Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Druckspeichers
im Schnitt;
-
3 eine
Darstellung des erfindungsgemäßen Ventilkopfes
für einen Druckspeicher mit eingebrachter Schalldämpfereinheit;
-
4 eine
Darstellung des erfindungsgemäßen Druckspeichers
mit eingebrachter Schalldämpfereinheit im Schnitt; und
-
5 eine
schematische Darstellung eine Fluidfördersystems mit Schalldämpfereinheit.
-
Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
pneumatisch betriebenen Fluiddosier- und Fördersystems 1,
an welches ein Druckgasverbraucher 2, angeschlossen ist.
Das Fluiddosier- und Fördersystem 1 weist eingangsseitig
einen Kompressor 3 auf, der über eine Rohrleitung 4 mit
einer zur Rohrleitung 4a komplemen tär ausgebildeten
Zuleitung 5 eines Ventilstutzens 6 eines Druckspeichers 7 gasdicht
verbunden ist.
-
Der
Druckspeicher 7 ist hier aus einer Monoblockdose gebildet
und weist auslassseitig eine Ableitung 8 in dem in die
Monoblockdose ggf. über einen nicht dargestellten Adapter
eingesetzten Ventilstutzen 6 auf, über die ein
temporär gespeichertes komprimierbares Fluid, hier Luft, über
eine weitere Rohrleitung 4b dem Verbraucher 2 zugeführt
wird.
-
Zur
Belieferung von Druckluft wird zunächst im Kompressor 3 über
die Rohrleitung 23 angesaugte Umgebungsluft auf einen Betriebsdruck
komprimiert und über den Ventilstutzen 6 dem Druckspeicher 7 zugeführt.
-
Wie
in den 1 und 2 zu sehen ist, schließt
sich an die Zuleitung 4a ein in dem Ventilstutzen 6 eine
separate Kammer 10 bildendes Separiermittel in Form eines
Rohres 11, hier z. B. aus elastischem Kunststoff an.
-
Die
Länge des Rohres 11 ist so gewählt, dass
die komprimierte Druckluft zunächst eine erhebliche Strecke
innerhalb des Druckspeichers 7 zurücklegt, bevor
es mit der bereits in dem Druckspeicher 7 vorhandenen Druckluft
in Interaktion treten kann. Durch diese Reihenschaltung wird das
geförderte Medium anders als bei einer dem Stand der Technik entsprechenden
Parallelschaltung einem doppelten Querschnittsprung ausgesetzt,
nämlich einer Querschrnitts erweiterung bei Eintritt in
den Druckspeicher und einer Querschnittsreduzierung bei Austritt
aus dem Druckspeicher in das zum Verbraucher führende Rohrleitungssystem,
der je nach geometrischen Gegebenheiten abhängig vom Rohrquerschnitt und/oder
dem Querschnitt und Volumen des Druckspeichers die Druckspitzen
in hohem Maße wegfiltert. Die Zuleitung 4a weist
gegenüber dem Druckspeicher 7 einen deutlich geringeren
Durchmesser auf. Vom Kompressor 3 verursachte Stoßwellen
erfahren beim Austritt aus dem engen Querschnitt der Zuleitung 4a über
den Anschluss 5 aus dem Ventilstutzen 6 in den
Druckspeicher 7 mit vergleichsweise großem Querschnitt
einen erheblichen Abfall eines dort herrschenden Strömungswiderstandes.
Beim Wiedereintritt in den Ventilstutzen 6 über
den Anschluss 8 steigt der Strömungswiderstand
wieder erheblich an. Verringerung und Anstieg des Strömungswiderstandes
lässt den Druckspeicher 7 als ein teilweise geschlossenes
Gefäß erscheinen. Durch den kompressiblen Charakter
des Fluids wirkt es innerhalb des Gefäßes wie
eine Feder.
-
Die
in den Druckspeicher 7 eingetretenden Stoßwellen
erfahren eine Verminderung des Amplitude durch die erhebliche Verringerung
des Strömungswiderstandes. Das Fluid kann sich entspannen.
Das sich im Druckspeicher befindende kompressible Fluid wirkt für
die einzelnen Stoßwellen wie eine Feder, da das Gas durch
die abflussseitige Querschnittsverjüngung nicht ungehindert
entweichen kann, sondern erst den erhöhten Strömungswiderstand
am Druckspeicherausgang überwinden muss. Der Eintritt in
das ver braucherseitige Rohrsystem über den Ventilstutzen 6 und
den Anschluss 8 an den Druckgasverbraucher 2 erfolgt
dann mit den durch die Federwirkung der vom Druckspeicher 7 umschlossenen
Fluidmenge verursachten, deutlich reduzierten Druckspitzen.
-
Der
Druckspeicher 7 wirkt in der hier vorgestellten Anordnung
wie ein Stoßdämpfer, aus dem die Druckluft durch
den Ventilstutzen 6 in einem wesentlich homogeneren Zustand
mit nahezu konstantem Druck und konstanter Fließgeschwindigkeit
an der Ableitung 8 austritt und über die Rohrleitungen 4b dem
Verbraucher zugeführt wird. Bei Airbrushsystemen wird auf
diese Weise, insbesondere bei Verwendung älterer Kompressoren
mit niedriger Hubfrequenz ein deutlich gleichmäßigerer
Farbauftrag erreicht.
-
2 zeigt
eine Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Druckspeichers 7 in
Form einer Monobloc-Dose, die als Aerosoldosen im Markt breite Verwendung
finden und eine gegenüber dem bisher im Markt angebotenen
dedizierten Druckspeichern deutlich kostengünstigere Ausführungsvariante
darstellen. Die Abbildung zeigt einen Ventildeckel 12,
auf dem ein Ventilstutzen 6 mit einer Gegenverschraubung 14 befestigt
ist. Innerhalb des Ventilstutzens 6 sind die Zuleitung 5 und
der Anschluss 8 ausgebildet, wobei diese zur Bildung einer
gasdichten Verbindung mit den Rohrleitungen 4a bzw. 4b mit
dem Anschluss 8 über Verschraubungen oder auch über
handelsübliche Stecksysteme verbunden sind.
-
An
die Zuleitung 4a schließt sich über den Anschluss 5 das
oben bereits näher beschriebene Separiermittel in der Form
eines Rohres 11 an, um durch Vorsehen einer Reihenschaltung
einen gerichteten und kontrollierten Ein- und Austritt der komprimierten
Druckluft in den Druckspeicher 7 bzw. aus ihm heraus zu
gewährleisten.
-
Natürlich
ist es in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch möglich,
die Druckluft direkt in den Druckspeicher 7 einzuführen
und ein entsprechendes Separiermittel in Form eines Rohres 11 an der
Ableitung 8 vorzusehen. Die Homogenisierung erfolgt dann
dadurch, dass die Druckluft zunächst die komplette Strecke
der Höhe des Druckspeichers 7 durchlaufen muss,
um an der Bodenfläche in die durch das Rohr 11 gebildete
Kammer 10 einzufließen und den Druckspeicher 7 über
die separate Kammer 10 zu verlassen.
-
In
einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Separiermittel durch eine in dem Druckspeicher ausgebildeten
Trennwand gebildet. Die beiden voneinander separaten Kammern sind über
einen durch die Innenwandung des Druckspeichers und die Unterkante
der Trennwand gebildeten Spalt miteinander verbunden und kommunizieren
miteinander. Auch hier treffen die zugeführte komprimierte
Druckluft und die noch im Druckspeicher vorhandene Druckluft erst
nach Durchlaufen des Druckspeichers in Längsrichtung aufeinander, sind
also in Reihe geschaltet und können somit auch erst zu
diesem Zeitpunkt interagieren.
-
In
beiden beschrieben Ausführungsbeispielen weist das Separiermittel
eine Länge auf, die im wesentlichen der im Innenbereich
des Druckspeichers 7 ausgebildeten Höhe entspricht.
Um den Druckspeicher 7 als gezieltes Schwingungssystem mit
einer bestimmten Resonanzfrequenz auszubilden, kann die Länge
des Rohres 11 bzw. je nach Ausbildung des Separiermittels
die Länge der Trennwand auch kürzer gewählt
werden, um so eine Schwingung beispielsweise mit der Resonanzfrequenz
des Systems hervorzurufen bzw. zu verstärken. Dabei ist
davon auszugehen, dass die Resonanzfrequenz eines großen
Druckspeichers niedriger sein wird als bei kompakteren Druckspeicherbauweisen
und mit der Hubfrequenz des Kolbens korrespondiert. Eine Abstimmung
dieses einem Feder-Massesystem gleichzusetzenden Aufbaus kann durch
Variation der Länge des Separiermittels erfolgen. Das Separiermittel
ist in diesem oben ausgeführten Ausführungsbeispiel
austauschbar, so dass bei Druckspeichern mit Wechselventilstutzen
auch ein verschiedenartiger Betrieb – mit dämpfenden
oder mit schwingungserregenden Eigenschaften – möglich ist.
-
2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Druckspeicher 7,
der mit Absorptionsmaterial 21, von fasriger oder poröser
Beschaffenheit wie Filz, PU- oder Melamin-Schaum oder anderen zur
Schalldämmung geeigneten Materialien ausgekleidet ist.
Diese Auskleidung führt zu einer weiteren Redu zierung der Druckschwankungen
und bietet, je nach Einsatzzweck darüber hinaus eine Wirkung
als breitbandiger Schalldämpfer.
-
3 und 4 zeigen
eine alternative Ausführungsform eines Ventilstutzens 15 bzw.
eines erfindungsgemäßen Druckspeichers 7 mit
einer Schalldämpfereinheit 16, die vorwiegend
zum Einsatz kommt wenn besonders hohe Schalldämmung auf kompaktem
Raum gewünscht ist. In dieser Ausführung ist der
Druckspeicher 7 mit einem als 4-fach Ventilstutzen 15 ausgeführten
Anschlusseinheit ausgestattet, die zusätzlich zu der Zu-
und Ableitung 5, 8 jeweils einen korrespondierend
ausgebildeten Leitungsaus- bzw. -eingang 5a und 8a für
den Pulsabsorber aufweist. Zusätzlich verfügt
der Ventilstutzen 15 über den Ein-/Ausgang 17 und
den Aus-/Eingang 18 und die jeweils korrespondierenden
Leitungsaus- bzw. -eingänge 17a und 18a zum
Anschluss eines Ansaugschalldämpfers.
-
Die
Schalldämpfereinheit 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel
drei untereinander angeordnete Dämmungskammern 19a, 19b, 19c auf,
die über Kammerwandelemente 20 voneinander getrennt
sind und mit Absorbermaterial 21 ausgekleidet sind. Um einen
möglichst geräuscharmen Betrieb des Druckspeichers 7 zu
erzielen, sind die drei Dämmungskammern 19a, 19b, 19c über
Luftkanäle 22a, 22b, 22c, 22d miteinander
kommunizierend verbunden. Die über die Ansaugrohrleitung 23a (siehe 5) und
den Luftanschluss 18 vom Kompressor 3 über den
Luftkanal 22a angesaugte Luft wird zunächst in die
untere Dämmungskammer 19c geführt. Anschließend
wird sie über den Luftkanal 22b in die oberste Dämmungskammer 19a geleitet
um dann über den Luftkanal 22c von der mittleren
Dämmungskammer 19b schließlich durch
einen Luftkanal 22d, den Anschluss 17 und die
Rohrleitung 23b zum Kompressor 3 geführt
und nach Verdichtung wieder vom Ventilstutzen 15, über
den Anschluss 5 und die Rohrleitung 10 sowie den
Anschluss 8 in den Druckspeicher 7 und schließlich
dem Druckgasverbraucher 2 zugeführt zu werden.
Die kaskadierten Querschnittssprünge und in hochbedämpfte
Dämmungskammern 19a, 19b, 19c führen
zu einer starken Dämpfung der andernfalls vom Kompressor 3 ungedämpft
an die Umgebung abgegebenen Ansauggeräusche.
-
Ein
entsprechendes Anschlussschema ist in 5 gezeigt.
In dieser Anschlussvariante wird die Saugseite des Kompressors 3 über
das saugseitige Anschlussrohr 23b mit dem Anschluss 17 des
Ventilstutzens 15 verbunden und durchläuft die
in der 4 gezeigte Schalldämpfereinheit 16 um
dann über den Ausgang 18 und der Ansaugleitung 23a mit der
Umgebungsluft verbunden zu werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-