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Die
Erfindung betrifft eine Dämpfungs-Einheit
zur Dämpfung
von Druckschwankungen eines Fluidstroms sowie eine Pumpe mit einer
derartigen Dämpfungs-Einheit.
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In
Strömungsanlagen
von Fluiden treten sehr häufig
starke Druckschwankungen auf. Die Ursache hierfür kann beispielsweise eine
Pumpe mit einem oszillierenden Antrieb oder auch ein schaltendes
Ventil sein. Im Gegensatz zu gasgefüllten Systemen können die
Druckschwankungen in flüssigkeitsgefüllten Systemen
sehr hohe Amplituden erreichen, die ein Vielfaches über einem
gewöhnlichen
Arbeitsdruck liegen. Neben der Gefahr einer Beschädigung des
Systems durch hohe Druckamplituden ist deren Dämpfung für einen störungsfreien Betrieb, insbesondere
von an das System angekoppelten Anwendungssystemen, erforderlich.
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Die
Dämpfung
von Druckschwankungen erfolgt bislang im Allgemeinen mittels federbelasteter Elemente.
Diese weisen einen komplexen Aufbau mit separaten Diaphragmen und
Federn aus Stahl, Elastomer oder anderen Materialien auf. Nachteilig
ist, dass derartige Dämpfer
nur für
einen bestimmten Arbeitspunkt ausgelegt sind, gemäßigtes Dämpfungsverhalten
aufweisen und hinsichtlich ihres möglichen anwendbaren Arbeitsdruckes
und ihrer Lebensdauer begrenzt sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine robuste Dämpfungs-Einheit mit einem
verbesserten Dämpfungsverhalten
derart zu gestalten, dass sie in einem breiten Bereich relevanter
Arbeitsdrücke einsetzbar
ist.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass eine Dämpfungs-Einheit ein Gehäuse umfasst,
das einen Innenraum begrenzt, wobei an dem Gehäuse eine Einströmöffnung zum
Einströmen eines
Fluids in den Innenraum und eine Ausströmöffnung zum Ausströmen des
Fluids aus dem Innenraum entlang einer Strömungsrichtung vorgesehen sind.
In dem Innenraum ist zwischen der Einströmöffnung und der Ausströmöffnung mindestens
ein elastisches Dämpfungs-Kissen
angeordnet, das der Aufnahme von Druckenergie des einströmenden Fluids dient.
Eine derartig aufgebaute Dämpfungs-Einheit umfasst
wenige einzelne Bauteile, so dass Fertigungs- und Montagekosten – und damit
insgesamt die Herstellkosten – reduziert
sind. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Dämpfungs-Einheit einen unkomplizierten
und robusten Aufbau auf, wodurch die Montagekosten zusätzlich verringert
werden. Aufgrund der Gestaltungsvielfalt des Dämpfungs-Kissens ergeben sich
ein breiter Bereich möglicher
Arbeitsdrücke,
bei welchen die Dämpfungs-Einheit
betrieben werden kann, sowie ein verbessertes Dämpfungsverhalten. Dadurch kann
die Lebensdauer eines an der Dämpfungs-Einheit anhängenden
Systems erhöht
werden, da für
das System schädliche Druckschwankungen
durch die Dämpfungs-Einheit gedämpft werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Zusätzliche
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit,
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2 einen
Querschnitt gemäß der Schnittlinie
II-II in 1 der Dämpfungs-Einheit in einem montierten,
unbelasteten Zustand,
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3 einen
Längsschnitt
gemäß der Schnittlinie
III-III gemäß 1 in
einem montierten, unbelasteten Zustand der Dämpfungs-Einheit,
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4 einen
zur 3 ähnlichen
Längsschnitt
mit der Dämpfungs-Einheit in einem
belasteten Zustand,
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5 eine
schematische Darstellung der Dämpfungs-Einheit
in einem zu Beginn belasteten Zustand mit einem Druck-Zeit-Diagramm
eines Fluidstroms,
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6 eine
zur 5 ähnliche
Darstellung mit der Dämpfungs-Einheit
in einem zu Beginn unbelasteten Zustand und
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7 eine
Darstellung zeitlicher Verläufe
eines ungedämpften
und eines gedämpften
Arbeitsdruckes in einem Druck-Zeit-Diagramm.
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Eine
in den 1 bis 4 dargestellte Dämpfungs-Einheit 1 umfasst
ein Gehäuse 2 mit
einem oberen Gehäuseteil 3 und
einem unteren Gehäuseteil 4.
Die beiden Gehäuseteile 3, 4 sind
derart ausgebildet, dass sie dauerhaft und mittels mehrerer Schrauben 5 miteinander
verbindbar sind und einen Innenraum 6 begrenzen, der durch
entsprechende Aussparungen in den beiden Gehäuseteilen 3, 4 gebildet
wird. Zum Verschrauben der beiden Gehäuseteile 3, 4 weist
das obere Gehäuseteil 3 Durchgangsbohrungen 12 und
das untere Gehäuseteil 4 Gewindebohrungen 13 auf,
die mit den Schrauben 5 in Eingriff gebracht werden. Es
ist auch möglich,
dass die beiden Gehäu seteile 3, 4 zusätzlich oder
alternativ durch Kleben und/oder durch Schweißen miteinander verbunden sind.
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An
dem oberen Gehäuseteil 3 ist
ein Druckstutzen 7 mit einer Ausströmöffnung 8 und an denn unteren
Gehäuseteil 4 ein
Saugstutzen 9 mit einer Einströmöffnung 10 vorgesehen.
Die Einströmöffnung 10 dient
dem Einströmen
eines Fluids in den Innenraum 6 und die Ausströmöffnung 8 dem
Ausströmen
des Fluids aus dem Innenraum 6, sodass dadurch eine Strömungsrichtung 11 festgelegt
ist. Die Öffnungen 8, 10 sind
zentrisch zueinander mit einer gemeinsamen Mittel-Längs-Achse 16 und
an zwei einander gegenüberliegenden
Seitenwänden 14, 15 des
Gehäuses 2 angeordnet.
Es ist auch möglich, dass
die Öffnungen 8, 10 an
ein und derselben Seitenwand 14, 15 oder an zwei
benachbarten Seitenwänden
vorgesehen sind. Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, bei
welchen die Öffnungen 8, 10 nicht
zentrisch zueinander mit einer gemeinsamen Mittel-Längs-Achse
angeordnet sind. Die Ausströmöffnung 8 weist
einen Durchmesser DA und die Einströmöffnung 10 einen
Durchmesser DE auf, wobei DA < DE gilt,
um einen Aufbau eines Gegendrucks gegen die Strömungsrichtung 11 zu
erleichtern. Die Ausgestaltung der Öffnungen 8, 10 mit
voneinander verschiedenen Durchmessern DA,
DE ist insbesondere bei einem drucklosen
Strömungsbetrieb
von Bedeutung, damit ein effektives Betreiben der Dämpfungs-Einheit 1 im
drucklosen Betrieb ermöglicht wird.
Weiterhin ist eine Ausgestaltung der Dämpfungs-Einheit 1 möglich, bei
der die Öffnungen 8, 10 identische
Durchmesser aufweisen, so dass gilt: DA = DE. In dieser Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Dämpfungs-Einheit 1 vorteilhaft
dann zu betreiben, wenn ein Gegendruck durch ein anhängendes
System aufgebaut wird. Dabei kann der Gegendruck entweder an der Öffnung 8 oder
an der Öffnung 10 vorliegen,
so dass in Abhängigkeit
des anhängenden Systems
eine Strömungsrichtung
festgelegt wird. Weiterhin weisen die beiden Gehäuseteile 3, 4 jeweils
eine umlaufende Nut 19 in einander zugewandten Stirnflächen 17, 18 auf.
Es ist auch möglich,
dass die Nut 19 nur in einem der beiden Gehäuseteile 3, 4 eingearbeitet
ist.
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In
dem Innenraum 6 ist zwischen der Einströmöffnung 10 und der
Ausströmöffnung 8 ein
elastisches Dämpfungs-Kissen 20 zur
Aufnahme von Druckenergie des Fluids vorgesehen. Dadurch, dass das
Dämpfungs-Kissen 20 eine
Elastomer-Wandung aufweist, wird eine freie Deformation der Wandung infolge
einer Druckbeaufschlagung des Dämpfungs-Kissens 20 ermöglicht.
Das Dämpfungs-Kissen 20 dient
weiterhin dem Speichern und der Abgabe der aufgenommenen Druckenergie
des Fluids. Das Dämpfungs-Kissen 20 weist
eine Öffnung 21 mit einem
umlaufenden Steg 22 auf, wobei das Dämpfungs-Kissen 20 mit
dem Steg 22 zwischen den beiden Stirnflächen 17, 18 im
montierten Zustand des Gehäuses 2 geklemmt
ist. Dadurch sind die Öffnung 21 und
somit auch das Dämpfungs-Kissen 20 gasdicht
abgeschlossen. Für
eine verbesserte Klemmung des Stegs 22 sind die Nuten 19 in
einem Bereich 26, der dem geklemmten, flachgedrückten Steg 22 entspricht,
zwischen den beiden Gehäuseteilen 3, 4 ausgespart.
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Durch
die Öffnung 21 kann
das Dämpfungs-Kissen 20 mit
Gas, insbesondere Luft und/oder Stickstoff, befüllt werden. Die Gasfüllung des
Dämpfungs-Kissens 20 kann
einen Innendruck aufweisen, der größer ist als der Umgebungsdruck.
Dadurch ist eine Dämpfung
von Druckschwankungen bei hohem Arbeitsdruck effizienter möglich. Durch
die Auswahl des Füllgases
kann die Lebensdauer des Dämpfungs-Kissens 20 erhöht werden,
indem das ausgewählte
Gas eine verringerte Permeation durch die Elastomer-Wandung aufweist.
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An
dem Steg 22 des Dämpfungs-Kissens 20 ist
einstückig
eine Dichtung 23 angeformt, die als O-Ring ausgeführt ist,
wobei andere Dichtungsarten wie beispielsweise Profil-Dichtungen
möglich
sind. Die Kontur der Dichtung 23 korrespondiert mit der
der Nuten 19, die zur Aufnahme der Dichtung 23 vorgesehen
sind, sodass eine Abdichtung des Gehäuses 2 durch ein Einlegen
des Dämpfungs-Kissens 20 und der
daran befestigten Dichtung 23 zwischen die beiden Gehäuseteile 3, 4 bzw.
die Nuten 19 ermöglicht wird.
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Zur
Verbesserung der Umströmung
des Dämpfungs-Kissens 20 kann
mindestens ein Strömungskanal
an mindestens einer der Seitenwände 14, 15 des
Gehäuses 2 vorgesehen
werden.
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Das
Dämpfungsverhalten
der Dämpfungs-Einheit 1 ist
im Allgemeinen umso größer, je größer das
Volumen des Dämpfungs-Kissens 20 ist, da
dadurch die Menge der speicherbaren Druckenergie des einströmenden Fluids
festgelegt wird. Neben der Vergrößerung des
Volumens eines einzelnen Dämpfungs-Kissens 20 können für ein verbessertes Dämpfungsverhalten
der Dämpfungs-Einheit 1 innerhalb
des Gehäuses 2 mehrere
Dämpfungs-Kissen 20 zwischen
der Einströmöffnung 10 und
der Ausströmöffnung 8 entlang
der gemeinsamen Mittel-Längs-Achse 16 in
Reihe angeordnet werden, wobei zwischen zwei benachbarten Dämpfungs-Kissen ein
Distanzstück
vorzusehen ist. Durch die Verwendung eines vergrößerten Dämpfungs-Kissens 20 und/oder
mehrerer Dämpfungs-Kissen 20 ist
es möglich,
größere Druckamplituden
des einströmenden Fluids
aufzunehmen, zu speichern und später
wieder abzugeben. Damit kann ein Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit 1 erweitert
werden, indem ein Betreiben der Dämpfungs-Einheit 1 auch
bei hohem Arbeitsdruck möglich
ist.
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Die 1 bis 3 zeigen
das Dämpfungs-Kissen 20 in
einem unbelasteten Zustand, d. h. ohne eine Druckbeaufschlagung
eines einströmenden
Fluids. Dagegen ist in 4 die Deformation des Dämpfungs-Kissens 20 infolge
einer entsprechenden Druckbeaufschlagung dargestellt.
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Im
Folgenden wird anhand der 5 bis 7 die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dmpfungseinheit
erläutert.
In 5 ist die Dämpfungs-Einheit 1 mit
der Einströmöffnung 10,
der Ausströmöffnung 8,
dem Gehäuse 2 und
dem Dämpfungs-Kissen 20 schematisch
dargestellt, wobei sich das Dämpfungs-Kissen 20 zunächst in
einem unbelasteten Zustand befindet. Das bedeutet, dass das Dämpfungs-Kissen 20,
wie auch in den 1 bis 3 dargestellt,
nicht deformiert ist. In 5 ist weiterhin ein Diagramm
dargestellt, das einen periodisch schwankenden Pulsationsdruck pP des Fluidstroms als Funktion der Zeit t
wiedergibt, wobei der Pulsationsdruck pP die
auf die Dämpfungs-Einheit 1 wirkenden
Druckschwankungen ausübt.
Der relevante Arbeitspunkt für
t = t1, der mit der schematischen Darstellung
der Dämpfungs-Einheit 1 korrespondiert, ist
Mittels einer gestrichelten Linie in dem Diagramm in 5 gekennzeichnet.
Bei zunehmendem Druckanstieg des Fluidstroms wird das Volumen des Dämpfungs-Kissens 20 komprimiert,
was in 5 durch die innerhalb des Dämpfungs-Kissens 20 zu dessen
Zentrum hin gerichteten Pfeile 24 angedeutet ist.
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Infolge
der Verkleinerung des Volumens des Dämpfungs-Kissens 20 steigt
der Druck in dem Dämpfungs-Kissen 20 an
und die Energie der Druckspitze des Fluidstroms wird in dem Dämpfungs-Kissen 20 gespeichert.
Bei einem anschließenden
Absinken des Pulsationsdrucks pP in einem
Arbeitspunkt t = t2 (vgl. 6)
gibt das Dämpfungs-Kissen 20 die
gespeicherte Druckenergie wieder frei. Das Volumen des Dämpfungs-Kissens 20 steigt
wieder an, was in 6 durch die nach außen gerichteten Pfeile 25 dargestellt
ist.
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Durch
das Aufnehmen, Speichern und Abgeben der Energie des Pulsationsdruckes
pP wird die Amplitude der Druckschwankung
deutlich verringert. Dies wird auch als „Glättung” der Pulsation bezeichnet.
Mit der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit 1 ist
es möglich,
die maximale Druckschwankung ΔpP des Pulsationsdruckes um mehr als 80% zu
reduzieren, sodass eine maximale Druckschwankung ΔpA,g eines von der Dämpfungs-Einheit 1 zur Verfügung zu stellenden
gedämpften
Arbeitsdruckes die Anforderungen für einen Arbeitsdruck in einem
möglicherweise
anzukoppelnden Anwendungsgerät
erfüllt.
In 7 sind in einem Druck-Zeit-Diagramm zeitliche Verläufe 27, 28 eines
ungedämpften
Arbeitsdruckes pA,u bzw. eines gedämpften Arbeitsdruckes
pA,g vergleichend dargestellt. Damit wird
das Potenzial der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit
hinsichtlich Ihrer Dämpfungswirkung
eines zu dämpfenden
Arbeitsdruckes pA deutlich. Mit der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit 1 ist
die Dämpfung
von Druckschwankungen eines Fluidstroms in einem großen Anwendungsbereich,
insbesondere bei Arbeitsdrücken
zwischen 500 und 3.000 mbar möglich.
Die dabei auftretenden maximalen Druckschwankungen ΔpA erreichen Werte zwischen etwa 50 und 250 mbar.
Im Vergleich dazu liegen die maximalen Druckschwankungen ΔpA bei Verwendung eines gewöhnlichen
Diaphragma-Dämpfers
in dem Bereich von etwa 700 bis 1.300 mbar.
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Besonders
vorteilhaft ist die Integration der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit 1 in
eine Pumpe, wobei die Pumpe einen Motor zum Betreiben der Pumpe
und ein mit dem Motor verbundenes Kurbeltriebgehäuse zur Einhausung eines von
dem Motor angetriebenen Kurbeltriebes aufweist. Dabei kann die Dämpfungs-Einheit 1 in
dem Kurbeltriebgehäuse angeordnet
sein.
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Die
Lebensdauer der Dämpfungs-Einheit selbst
ist wesentlich von der Auswahl der verwendeten Materialien für das Dämpfungs-Kissen
sowie des Füllgases
zur Füllung
des Dämpfungs-Kissens
abhängig.
Eine Beeinträchtigung
der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Dämpfungs-Einheit durch auftretende
Druckspitzen während
des Betriebs ist nicht gegeben, da sich die Druckspitzen gleichermaßen innerhalb
des Dämpfungs-Kissens
aufbauen und damit nicht zu einer Belastung infolge einer Druckdifferenz führen.