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Die
Erfindung betrifft einen Membranspeicher, insbesondere zum Dämpfen
von Pulsationen in Fluidkreisläufen nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Ein
solcher Membranspeicher ist beispielsweise aus der
DE 102 15 846 A1 bekannt.
Solche Speicher umfassen ein Speichergehäuse, welches durch
eine Membran in einen Gas- und einen Fluidraum aufgetrennt sind.
Durch die Kompressibilität des Gases im Gasraum können
durch solche Membranspeicher schnelle Druckschwankungen und Pulsationen
in Fluidkreisläufen abgedämpft werden. Durch die
hierbei auftretenden schnellen Kompressions- und Entspannungszyklen
des Gases im Gasraum unterliegen Membranen solcher Membranspeicher
oftmals hohen Walkbeanspruchungen. Um einen vorzeitigen Verschleiss
der Membranen zu verhindern, sind diese daher oftmals mit gasraumseitigen
Stützrippen versehen, welche üblicherweise in besonders
stark walkbeanspruchten Bereichen der Membran angeordnet sind.
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Kommt
es jedoch zu einem Druckverlust auf der Gasseite des Membranspeichers,
so verschiebt sich der besonders walkbeanspruchte Bereich der Membran,
so dass gegebenenfalls Bereiche der Membran, welche nicht verstärkt
sind, starken Walkbeanspruchungen unterliegen und daher schnell
verschleißen. Durch die entstehenden Schadstellen kann
Betriebsmedium – also beispielsweise Hydraulikfluid – auf
die Gasseite des Membranspeichers gelangen und dort unter Umständen
eingeschlossen werden, was weitere Schäden am Membranspeicher zur
Folge haben kann.
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Dieses
Problem tritt insbesondere bei Membranspeichern auf, welche lediglich
zur Erhöhung des Benutzerkomforts von hydraulischen, pneumatischen
und hydropneumatischen Anlagen dienen und keine darüber
hinaus gehende funktionale Bedeutung haben. Bei funktional eingesetzten
Gasspeichern macht sich ein Gasdruckverlust schnell bemerkbar, so
dass im Rahmen üblicher Wartung der Gasverlust ausgeglichen
werden kann. Bei lediglich komforterhöhenden Membranspeichern
hängt eine Erkennung von Gasverlusten wesentlich von der
Toleranzschwelle des Benutzers ab, so dass eine Wartung in der Regel
erst dann stattfinden wird, wenn sich bereits deutliche Pulsationen
im Fluidkreislauf des Systems bemerkbar machen. Zu diesem Zeitpunkt
können jedoch bereits die beschriebenen Membranschäden
eingetreten sein, was einen aufwändigen und kostenintensiven
Austausch des gesamten Membranspeichers notwendig machen kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Membranspeicher
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln,
dass ein beschädigungsfreier Betrieb des Membranspeichers
auch bei deutlichen Gasdruckverlusten auf dessen Gasseite ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Membranspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Ein
solcher Membranspeicher, inklusiv Speicher, dient insbesondere zum
Dämpfen von Pulsationen in Fluidkreisläufen und
umfasst ein Speichergehäuse, welches von einer Membran
in einen Fluidraum und einen Gasraum aufgeteilt ist. Auf der gasraumseitigen
Oberfläche der Membran sind Stützrippen angeordnet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stützrippen
sich über die zumindest annähernd gesamte gasraumseitige
Oberfläche der Membran erstrecken. Damit wird eine Abstützung
von im Normalbetrieb nicht walkbeanspruchten Bereichen der Membran
erzielt und deren Verschleiß im Falle eines Gasdruckverlustes
im Gasraum des Membranspeichers unterbunden. Auch bei deutlichen
Druckverlusten auf der Gasraumseite des Membranspeichers ist somit
ein verschleißarmer und zerstörungsfreier Weiterbetrieb
des Membranspeichers möglich, so dass aufwändige
Reparaturen vermieden und Betriebskosten eingespart werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Stützrippen
Stützelemente aus einem festeren Material als ein Membranmaterial.
Diese stabilisieren die Membran vorteilhaft insbesondere gegenüber
nicht konzentrischen Walkeffekten. Solches nicht konzentrisches
Walken der Membran führt zu lokal begrenzten Überdehnungen,
die in der Folge wieder zu Beschädigungen führen
können. Stützelemente in den Stützrippen
führen die Membran zusätzlich in ihrer Bewegung
und vergleichmäßigen die Walkeffekte über
die Oberfläche der Membran, so dass die Walkbelastungen
in der Regel ausschließlich konzentrisch erfolgen. Lokale Überdehnungen werden
so vermieden und der Verschleiß der Membran reduziert.
Die Stützelemente können als geschlossene oder
offene Ringe, als sich über die ganze Membran erstreckende
Spiralen oder auch als Einzelelemente ausgeführt sein.
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Abstände
zwischen den Stützelementen hängen von der Dicke
der Membran und der jeweiligen Anwendung ab. Um Beschädigungen
der Membran durch Kräfte zwischen den Stützelementen
und der Membran zu vermeiden, dürfen diese keine scharfen
Kanten aufweisen. Solche Stützelemente können
zusätzlich oder alternativ auch im Grundkörper
der Membran, also außerhalb der Stützrippen angeordnet
sein.
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Bevorzugt
sind die Stützelemente dabei aus einem Metall und/oder
aus PTFE ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die Stützelemente zudem allseitig von dem Membranmaterial
umschlossen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zusätzliche
Stützrippen auf der fluidraumseitigen Oberfläche
der Membran vorgesehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn bereits ein Riss in der Membran aufgetreten ist. In diesem
Fall kann das hydraulische Betriebsmedium auf die Gasseite gelangen.
In ungünstigen Fällen kann sich so ein höherer
Druck auf der Gasseite als auf der Betriebsseite ergeben. Durch
außenseitige Rippen wird eine Abdichtung der Membran gegen
die Behälterwandung vermieden, so dass kritische Druckdifferenzen
abgebaut werden können. Bevorzugt weisen hierzu die Stützrippen
auf der gasraumseitigen und/oder fluidraumseitigen Oberfläche
der Membran eine Spiral- oder Labyrinthgeometrie auf, um den genannten
Druckabbau zu verbessern. Über die sich so ergebenden spiraligen
oder labyrinthförmigen Verbindungswege zwischen den über
einen Riss verbundenen beiden Räumen des Membranspeichers können
zu hohe Druckdifferenzen sanft abgebaut werden und so weitere Beschädigungen
des Membranspeichers vermieden werden. Die konkrete Ausführung
der Stützrippen und der Spiral- oder Labyrinthgeometrie
hängt wiederum von der Geometrie des gesamten Speichers
und den Betriebsbedingungen wie Druck, verwendetes Fluid, Temperatur
und dergleichen ab. Solche spiral- oder labyrinthförmigen Geometrien
können zudem auch in Form von Nuten in die fluidraumseitige
Oberfläche des Gehäuses des Membranspeichers eingebracht
werden. Ferner kann dies auch über ein Einlegeelement,
vorzugsweise aus Kunststoff, ermöglicht werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Membran ein Druckausgleichselement, welches beim Überschreiten
einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Gas- und Fluidraum eine
Durchtrittsöffnung in der Membran freigibt. Beim Entstehen
kritischer Druckdifferenzen außerhalb eines normalen Betriebszustandes
des Membranspeichers kann so durch einen kontrollierten Druckabbau eine
schwerwiegendere Beschädigung des Membranspeichers verhindert
werden.
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Das
Druckausgleichselement ist bevorzugterweise in Form eines Berststopfens,
einer Berstscheibe, eines Berstkolbens, eines Knickstabes oder dergleichen
ausgebildet. Die genannten Elemente können beim Überschreiten
der vorgegebenen Druckdifferenz aus der Membran herausgedrückt werden
bzw. brechen oder platzen und so einen Druckausgleich ermöglichen.
Bevorzugterweise ist eine Auffangvorrichtung zum Auffangen des Druckausgleichselements
beim Freigeben der Durchtrittsöffnung vorgesehen. Damit
wird verhindert, dass Bruchstücke von Berststopfen oder
dergleichen in den Fluidkreislauf gelangen und dort weitere Beschädigungen
hervorrufen. Solche Druckausgleichselemente lassen sich auch auf
andere Speicherausführungen, wie Faltenbälge,
Elastomermembranspeicher oder Kolbenspeicher übertragen.
Alternativ oder zusätzlich ist die Verwendung von Druckausgleichselementen
im Gehäuse des Speichers möglich, so dass bei
kritischen Überdrücken Fluid nach außen abgegeben
werden kann. Dies ist gegebenenfalls aufzufangen oder gerichtet
abzuleiten.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnungen die Erfindung und ihre Ausführungsformen
näher erläutert werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Membranspeichers;
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2 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Membranspeichers;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Stützrippe mit
zusätzlichem Stützelement;
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4 eine
Draufsicht auf eine Membran für ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Membranspeichers mit Stützrippen
in Labyrinthgeometrie; und
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5 eine
Schnittdarstellung durch ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen
Membranspeichers mit Druckausgleichselement in der Membran.
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Ein
in 1 dargestellter, im Ganzen mit 10 bezeichneter,
dem Stand der Technik entsprechender Membranspeicher umfasst ein
Gehäuse 12, welches durch eine Membran 14 in
einen Gasraum 16 und einen Fluidraum zur Aufnahme eines
Hydraulikfluids 18 aufgeteilt ist. Die Membran 14 ist über
ein Blechelement 20 gegen die Innenwandung 22 des Gehäuses
verklemmt und abgedichtet. Im in 1 dargestellten
Zustand ist der Gasraum 16 maximal expandiert, so dass
der Fluidraum 18 nur noch einen schmalen Spalt zwischen
Membran 14 und Gehäuseinnenwandung 22 einnimmt.
Auf der inneren Oberfläche 24 der Membran 14 sind
Stützrippen 26 angeordnet, welche die Membran
konzentrisch umlaufen. Der Übersichtlichkeit halber sind
nicht alle Stützrippen 26 bezeichnet.
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In
dem Stand der Technik entsprechenden Membranspeichern 10 erstrecken
sich die Stützrippen 26 nur über einen
Teilbereich 28 der Membraninnenoberfläche 24,
welcher bei Pulsationen des Fluids im Fluidraum 18 besonders
hohen Walkbeanspruchungen unterliegt. Ein dichtungsseitiger Teilbereich 30 sowie
ein Bodenbereich 32 der Membran, in welchem diese eine
Verstärkung 34 aufweist, sind frei von Stützrippen 26,
da dort bei normalen Druckverhältnissen im Gasraum 16 und
Fluidraum 18 keine Walkbeanspruchungen der Membran auftreten. Kommt
es im Laufe der Lebensdauer des Membranspeichers 10 jedoch
zu einem Druckverlust im Gasraum 16, so verlagern sich
die Bereiche der Walkbeanspruchung aus dem Bereich 28 heraus,
so dass auch die Bereiche 30 und 32 Walkbeanspruchungen unterliegen.
Da dort keine Stützrippen 26 vorgesehen sind,
kommt es zu besonders starken Beanspruchungen der Membran 14 in
den Bereichen 30 und 32, was gegebenenfalls zu
Rissen und zu einem Übertritt von Fluid aus dem Fluidraum 18 in
den Gasraum 16 führen kann. Dies macht aufwändige
und kostenintensive Reparaturarbeiten am Membranspeicher 10 notwendig.
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Dieses
Problem wird durch den in 2 dargestellten
Membranspeicher gelöst. Die Ausführung des Membranspeichers 10' entspricht
dabei der in 1 gezeigten, die Stützrippen 26 erstrecken
sich jedoch auch in den Bereichen 30 (nicht dargestellt) und 32 auf
der Innenoberfläche 24 der Membran. Verschiebt
sich nun bei einem Druckverlust im Gasraum 16 des Membranspeichers 10' der
walkbeanspruchte Bereich der Membran 14 aus dem Bereich 28 hinaus
in die Bereiche 30 und 32, so ist die Membran
auch dort durch Stützrippen 26 abgestützt,
was eine Beschädigung der Membran und Übertritt
von Fluid aus dem Fluidraum 18 in den Gasraum 16 zu vermeiden
hilft.
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Um
eine zusätzliche Stabilisierung der Membran gegenüber
nicht konzentrischen Walkbeanspruchungen zu erzielen, kann, wie
in 3 schematisch dargestellt, jede Stützrippe 26 zusätzlich
mit einem Stützelement 36 versehen sein. Das Stützelement 36 ist
vollständig vom Membranmaterial umgeben und bildet eine
Seele der Stützrippe 26 aus. Ungleichmäßige
Belastungen der Membran werden durch die Stützelemente 36 konzentrisch über
die gesamte Membranfläche verteilt, so dass es nicht zu
lokalen Überdehnungen der Membran kommen kann. Die Stützelemente 36 sind
dabei bevorzugt aus einem festeren Werkstoff als das Membranmaterial
ausgeführt, beispielsweise aus Metall oder PTFE. Alternativ oder
zusätzlich zur gezeigten Ausführungsform können
Stützelemente auch im Grundkörper 38 der Membran
und nicht nur in den Stützrippen 26 vorgesehen
sein. Die Stützelemente 36 können als
Ringe konzentrisch über die Membran angeordnet sein, alternativ
oder zusätzlich ist auch ein spiralförmiger Verlauf über
die gesamte Membran möglich. Um Beschädigungen
der Membran durch Druckspannungen zwischen Membranmaterial und Stützelementen 36 zu
verhindern, müssen diese glatte Oberflächen aufweisen
und dürfen keine scharfen Kanten besitzen.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf eine Membran für ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Membranspeichers 10'.
Auf der fluidraumseitigen Oberfläche 40 der Membran
sind dabei zusätzliche Stützrippen 42 angeordnet,
welche hier der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet sind.
Die Stützrippen 42 umlaufen die Membran nicht als
geschlossene konzentrische Ringe, sondern sind in variierenden Abständen
mit Durchbrüchen 44 versehen, welche ebenfalls
nicht alle bezeichnet sind. So ergibt sich für die gesamte
Membranoberfläche eine labyrinthartige Geometrie von Stützrippen 42 und
Durchbrüchen 44. Dies verbessert das Verhalten der
Membran 14 in Fällen, in denen bereits ein Riss aufgetreten
ist. In solchen Situationen kann Betriebsmedium auf die Gasseite
gelangen, wodurch sich in ungünstigen Fällen auf
der Gasseite ein höherer Druck als auf der Betriebsseite
einstellen kann. Dichtet die Membran in diesem Fall die beiden Räume
gegeneinander ab, können maximale Belastbarkeiten des Gehäuses überschritten
werden, so dass zusätzliche Beschädigungen auftreten.
Durch die labyrinthartige Geometrie der Stützrippen 42 auf
der Membranaußenseite 40 kann in solchen Fällen
eine vollständige Abdichtung der Membran gegen die Innenwandung 22 des
Gehäuses 12 des Membranspeichers 10' vermieden
werden, so dass ein sanfter und langsamer Druckausgleich ermöglicht
wird und so schwerere Beschädigungen vermieden werden.
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5 zeigt
schließlich einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Membranspeichers 10'.
Im Membranboden 34 ist hier ein Druckausgleichselement 46 in
Form eines Berststopfens vorgesehen. Tritt im Gasraum 16 ein
hoher Überdruck auf, so wird der Berststopfen aus dem Membranboden 34 herausgedrückt,
wodurch eine Durchtrittsöffnung in der Membran 14 freigegeben
wird, die einen Druckausgleich zwischen Gasraum 16 und
Fluidraum 18 ermöglicht. Der Berststopfen 46 bewegt
sich dabei in eine Fluidzuleitung 48. Um zu verhindern,
dass der Berststopfen 46 oder Bruchstücke desselben
in den Fluidkreislauf gelangen, ist in der Leitung 48 ein
Fangkorb 50 vorgesehen, der solche Bruchstücke
auffangen und zurückhalten kann. Zusätzlich kann
der Berststopfen 46 über eine Fangleine 52 gesichert sein,
die ebenfalls dazu dient, ein Eindringen des Berststopfens 46 in den
Fluidkreislauf zu verhindern. Das Druckausgleichselement kann alternativ
auch als Berstscheibe, Berstkolben, Knickstab usw. ausgebildet sein.
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- 10
- Membranspeicher
- 10'
- Membranspeicher
- 12
- Speichergehäuse
- 14
- Membran
- 16
- Gasraum
- 18
- Fluidraum
- 20
- Blechelement
- 22
- Gehäuseinnenwandung
- 24
- gasraumseitige
Membranoberfläche
- 26
- Stützrippen
- 36
- Stützelemente
- 40
- fluidraumseitige
Membranoberfläche
- 42
- Stützrippen
- 44
- Durchbrüche
- 46
- Druckausgleichselement
- 48
- Fluidzuleitung
- 50
- Fangkorb
- 52
- Fangleine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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