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Stand der Technik
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Systeme zur Förderung von Betriebs- und /oder Hilfsstoffen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Dabei müssen Druckstöße im System vermieden werden, um Schädigungen an Bauteilen zu vermeiden. Sollte der Betriebs- und/oder Hilfsstoff bei den Temperaturen, denen das System ausgesetzt ist, gefrieren können, müssen zudem weitere Maßnahmen getroffen werden, um eine Beschädigung durch Eisbildung und der damit einhergehenden Volumenzunahme zu verhindern. Ein Beispiel aus dem Automobilbereich ist die Abgasnachbehandlung mithilfe der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Dabei werden die insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen im Abgas enthaltenen Stickoxide mittels eines Betriebs- und/oder Hilfsstoffs, insbesondere eines Reduktionsmittels, zu Stickstoff und Wasser reduziert. Als Betriebs- und/oder Hilfestoff wird häufig eine Harnstoff-Wasser-Lösung eingesetzt, die beispielsweise unter dem Markennamen AdBlue
® erhältlich ist. Durch thermische Zersetzung des Harnstoffs entsteht im Abgasstrang das eigentliche Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak NH
3. Der Betriebs- und/oder Hilfsstoff wird in einem Tank bevorratet und über ein Fördermodul und/oder Dosiermodul in den Abgasstrang eingespritzt. Eine solche Vorrichtung zur Dosierung eines Reduktionsmittels ist aus der
DE 19946900 A1 bekannt. Im System treten Druckspitzen bei jedem Hub der Förderpumpe auf. Des Weiteren können Druckpulsationen entstehen, wenn das Reduktionmittel nicht mit der gleichen Rate in den Abgasstrang eingespritzt wird, wie es von der Pumpe gefördert wird. Diese Druckschwankungen werden von einem Druckpulsationsdämpfer gemildert.
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Wenn kein Element zur Dämpfung von Druckpulsationen vorgesehen ist, kann eine Dämpfung noch durch in das System eingeschlossene Luftblasen erreicht werden. Diese Lufteinschlüsse werden jedoch mit zunehmender Betriebszeit aus dem System dosiert und stehen für eine Dämpfung nicht mehr zur Verfügung. Des Weiteren müssen, wie bereits erwähnt, beim Einsatz eines wässrigen Betriebs- und/oder Hilfsstoffs, insbesondere bei einer Harnstoff-Wasser-Lösung, Vorkehrungen für den Fall getroffen werden, dass der Betriebs- und/oder Hilfsstoff gefriert. Dazu sind in der Regel zusätzliche Komponenten vorgesehen, die zum Beispiel durch Umschalten der Förderrichtung den Betriebs- und/oder Hilfsstoff aus den hydraulischen Kanälen entnehmen und in den Tank zurückfördern.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen und zur Aufnahme von Eisdruck in einem Volumen eines Betriebs- und/oder Hilfsstoffs vorgeschlagen, die ein Gehäuse und eine Membran umfasst, wobei die Membran in jedem Zustand zusammen mit dem Gehäuse einen fluidführenden Raum ausbildet und diesen von mindestens einem Hohlraum trennt, wobei die Vorrichtung ein formgebendes Stützelement umfasst, mit der die Membran unterstützt wird. Dabei enthält das Stützelement in vorteilhafter Weise eine Druckfeder, mittels der eine definierte Druckerhöhung pro Hubvolumen und eine definierte Reduzierung von Druckspitzen in einem hydraulischen/pneumatischen System bei Einbau in fluidführenden Kanälen eines solchen Systems erzielt werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist ein seitliches Aufliegen der Membran auf der Feder, wodurch neben der longitudinalen Längenvariation der Feder auch senkrecht zu einer Mittelachse der Vorrichtung die Elastizität der Feder zur Dämpfung von Druckschwankungen ausgenutzt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist weiterhin ein vorgespannter Einbau der Feder als Bestandteil des Stützelements in das Stützelement bzw. ein vorgespannter Einbau der Feder in die Pulsationsdämpferbaugruppe bzw. zumindest ein vorgespannter Einbau in das Gehäuse. Hierdurch wird eine definierte Loslaufkraft der Druckfeder erreicht, die zu einer reproduzierbaren und gezielt über die Vorspannung bzw. Dimensionierung der Feder einstellbaren Dämpfungscharakteristik führt.
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Weitere Vorteile ergeben sich durch die weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen,
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2 eine Pulsationsdämpfer-Baugruppe und
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3 ein Diagramm eines zeitlichen Druckverlaufs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Dämpfung von Druckschwankungen mit einem schematisch dargestellten Stützelement in einer Querschnittsseitenansicht. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 10, welches einen zylindrischen Innenraum aufweist, der nach oben hin kuppelförmig verschlossen ist. Das Gehäuse kann beispielsweise in einem Gehäuse einer Förderpumpe eines Fluids integriert sein. Eine gedachte Mittelachse bzw. Längsachse des zylindrischen Innenraums ist gestrichelt dargestellt und mit Bezugszeichen 30 versehen. In dem Innenraum des Gehäuses 10 ist eine Pulsationsdämpfer-Baugruppe 3 aufgenommen, welche eine verformbare Membran 12 aufweist, deren Form im Wesentlichen der Form des Innenraums des Gehäuses 10 folgt. Dabei ist hier mit „im Wesentlichen“ gemeint, dass zwischen der Membran und dem Gehäuse ein Spalt verbleibt, wobei die Größe des Spalts nicht über die gesamte Innenfläche des Gehäuses gleich groß sein muss. Zwischen der Membran und dem Gehäuse wird somit ein fluidführender Raum 14 ausgebildet, der mit dem Fluid bzw. im Falle eines Einbaus in eine hydraulische bzw. pneumatische Anlage mit dem mit Druckschwankungen beaufschlagten Betriebs- und/oder Hilfsstoff befüllt ist. Am unteren Ende der Membran 12 befindet sich ein Dichtwulst 13, mit dem der fluidführende Raum 14, welcher sich zwischen der Membran 12 und dem Gehäuse 10 befindet, nach außen hin abgedichtet wird. Die Membran 12 wird auf der dem fluidführenden Raum abgewandten Seite von einem schematisch dargestellten, elastisch verformbaren Stützelement 16 als weiterem Bestandteil der Pulsationsdämpfer-Baugruppe 3 gestützt, welcher in dem Hohlraum 15 angeordnet ist. Am unteren Ende des Stützelements 16 ist ein scheibenförmiger Bereich 17 des Stützelements angeordnet, mit dem der Innenraum des Gehäuses 10 verschlossen wird. Über dem Dichtwulst 13 ist an der Membran 12 ein ringförmiger Kanal 26 ausgebildet. Im Bereich des ringförmigen Kanals 26 befinden sich Zuleitungen 22 und 24, mit denen der fluidführende Raum 14 mit den Fluidkanälen einer hydraulischen oder pneumatischen Anlage verbunden werden kann. Durch die Ausbildung des ringförmigen Kanals 26 wird vermieden, dass die Membran 12 bei druck- und/oder temperaturbedingter Verformung die Öffnungen 22, 24 blockiert und damit einen Flüssigkeitsstrom zwischen den beiden Öffnungen 22, 24 unterbindet. Eine weitere Stelle im Gehäuse 10, an der eine Öffnung angeordnet werden kann, ohne dass die Membran 12 diese blockieren könnte, befindet sich im oberen Bereich und ist mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet. In einer Ausführungsform, bei der eine Zuführungsleitung an der Stelle 23 angeordnet wird, entfällt eine der Öffnungen 22 oder 24 im unteren Bereich.
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Bei Druckzunahme im fluidführenden Raum 14 wird die Membran 12 gegen das Stützelement 16 gedrückt. In dem Stützelement enthaltene Luft kann über eine Entlüftungsbohrung 20 nach außen entweichen. Nach Wegfall der Druckbelastung kann über die Entlüftungsbohrung 20 wiederum Luft in das Stützelement eindringen und verhindert so die Entstehung eines Unterdrucks, der die Rückkehr der Membrane 12 in ihre ursprüngliche Form verhindern könnte. Die Formen des Gehäuses und der Membran sind so gewählt, dass in jedem Zustand der Membran zwischen der Membran und dem Gehäuse der fluidführende Raum ausgebildet wird. Mit „in jedem Zustand der Membran“ wird ausgedrückt, dass der fluidführende Raum sowohl im drucklosen (also lediglich vorgespannten) Zustand der Membran, als auch bei durch Fluiddruck und/oder Temperaturänderung bedingter Verformung der Membran ausgebildet wird. Die formgebende Stützstruktur der Vorrichtung gibt der Membrane bei druckbedingter Verformung Halt, und bei Wegfall der Druckbelastung wird die Relaxation der Membran, das heißt die Rückkehr in die ursprüngliche Form, ebenfalls unterstützt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der in die Membran eingearbeitete ringförmige Kanal 26 auch entfallen. In diesem Falle weist das Stützelement auf Höhe der Zu- bzw. Ableitungen 22 und 24 einen geeignet kleinen Durchmesser auf, so daß eine an sich zylindrisch geformte und geeignet dimensionierte Membran beim Aufziehen auf das Stützelement auf Höhe der Zu- bzw. Ableitungen 22 und 24 radial weniger stark aufgeweitet bzw. vorgespannt wird als weiter oben in Richtung des kuppelförmigen Verschlusses.
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Geeignete Werkstoffe für die Membran umfassen Elastomere wie Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Chlor-Butadien-Kautschuk (CR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO) und Fluor-Kautschuk (FKM). Für die konkrete Auswahl des Materials für die Membran müssen der Betriebstemperaturbereich und eine Verträglichkeit mit dem verwendeten Betriebs- und/oder Hilfsstoff berücksichtigt werden. Bei Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung wie AdBlue® als Fluid bzw. Betriebs- und/oder Hilfsstoff sind aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit beispielsweise hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) geeignet.
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2 zeigt eine Pulsationsdämpfer-Baugruppe 33 in Querschnittsseitenansicht, wobei aufgrund eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbaus nur die Hälfte rechts der gedachten Mittelachse 30 dargestellt ist. Dabei zeigt die Abbildung die Baugruppe in einem druckbeaufschlagten Zustand, in dem die Membran 120 der Baugruppe sich an die Druckfeder 122 des Stützelements 160 fest anschmiegt und zwei Abstützkörper ineinander geschoben sind. Die Feder 122 ist nämlich zwischen einem unteren Abstützkörper 131 und einem oberem Abstützkörper 132 des Stützelements eingespannt, wobei ein Führungsstab 133 des oberen Abstützkörpers 132 innerhalb eines Führungszylinders 130 des unteren Abstützkörpers 131 gleitend gelagert ist. Der Führungsstab 133 weist an seinem freien Ende einen Haken 138 auf, der in einem nicht mit Fluiddruck beaufschlagten Zustand der Vorrichtung eine Entspannung der Feder durch Einhaken in eine Abstufung 136 im Innern des Führungszlinders 130 begrenzt. Die Membran 120 ist mit ihrem Dichtwulst, wie in 1 dargestellt, zwischen dem unteren Abstützkörper 131 und dem Gehäuse 10 fluiddicht abdichtend eingespannt, während sie an ihrem dem Dichtwulst 13 abgewandten Ende mittels des endständigen oberen, in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse 30 beispielsweise kreisförmig und am Kreisrand abgerundet ausgebildeten Auflagebereichs 134 des oberen Abstützkörpers 132 longitudinal aufgespannt wird. Der schon in 1 gezeigte scheibenförmige Bereich 17 des Stützelements wird bei der Baugruppe 33 vom unteren Abstützkörper 131 getragen bzw. bildet einen integrierten Bestandteil des unteren Abstützkörpers. Dabei wird der Dichtwulst bzw. die Profildichtung 13 der Membran 120, die dazu dient, eine Leckage nach außerhalb des fluidführenden Raums zu verhindern, vom unteren Abstützkörper 131, insbesondere dessen scheibenförmigen Bereich, unterstützt bzw. abgestützt. Die Feder 122 hat einen entlang der Mittelachse 30 variierenden Durchmesser, sie verjüngt sich hin zu ihren Enden, die auf den beiden Abstützkörpern aufsitzen, hat also eine bauchige Form. Ausgehend vom Auflagebereich 134 vergrößert sich der Radius der Feder in einer ersten Stufe 123 auf einer kurzen Strecke in Richtung unterer Abstützkörper 131 ungefähr linear. Daran schließt sich eine zweite Stufe 124 an, in der der Radius der Feder weiterhin ungefähr linear zunimmt, jedoch um einen geringeren Betrag pro Windung als in der ersten Stufe 123. Auf einer noch verbleibenden im Vergleich zur zweiten Stufe 124 kurzen dritten Stufe 125 nimmt der Radius der Feder pro Windung stark ab. Die Formgebung dient insbesondere im Bereich der dritten Stufe auf Höhe der Zu- bzw. Abläufe 22 und 24 zur Gewährleistung eines stets offenen Zugangs zum fluidführenden Raum 14. Dies ist in jedem Betriebszustand des Pulsationsdämpfers gegeben, weil die Membran samt Stützelement vorgespannt in das Gehäuse 10 eingebracht wird, sie mithin auf der dem Stützelement abgewandten Seite mehr oder weniger die Form der Abstützkörper beziehungsweise der Druckfeder abbildet, insbesondere also auf Höhe der Zu- bzw. Abläufe 22 und 24 durchmesserklein und damit beabstandet zu den Öffnungen 22 bzw. 24 im Gehäuse angeordnet ist. Die Abstände der Federwindungen zueinander sind klein genug, dass die Membran nicht durch die Windungen durchgedrückt werden kann, sondern immer abgestützt wird.
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Die Pulsationsdämpferbaugruppe 33 dämpft Druckschwankungen eines Fluids ab, das sich in dem fluidführenden Raum befindet beziehungsweise den fluidführenden Raum durchströmt. Dafür sorgt zum einen die Membran 120, die sich an die Druckfeder anlegt, und zum andern die Druckfeder, die eine für den Druckbereich des Fluids festgelegte Kraft aufweist. Entscheidend ist die spezielle Geometrie der Feder, die verhindert, dass die Membrane im Falle einer Druckbeaufschlagung Falten wirft und auf Dauer geschädigt werden kann. Die Verjüngungen zu den Federenden, also die bauchige Form der Feder, beispielsweise in Form des beschriebenen stufenweisen Aufbaus 123 bis 125 der Windungen hinsichtlich ihres Radius, sind hier entscheidend. Die Geometrie der Abstützkörper, des Gehäuses und der Feder ist für eine hohe Lebensdauer ausgelegt und vermeidet einen nicht zulässigen Abrieb. Die beiden Abstützkörper 131 und 132 verfahren bei Druckzunahme im Fluid und damit bei Druckzunahme auf die Membran ineinander und sorgen somit für einen reibungsarmen Verlauf der Membran innerhalb des Gehäuses.
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Die Feder 122 ist so ausgelegt, dass bei der Montage ein falscher Verbau ausgeschlossen werden kann. Die Montage der Einzelteile wird durch eine Bajonettierung sichergestellt, die zusätzlich die Feder in eine Ausgangslänge zusammenpresst. Dies ermöglicht, die Feder, die Abstützkörper und die Membran als Vorbaugruppe bzw. als Pulsationsdämpfer-Baugruppe 33 vorzumontieren und anschließend als Einheit in das Gehäuse 10, welches seinerseits Bestandteil des Gehäuses beispielsweise einer Pumpe sein kann, zu verbauen. Der Werkstoff der Membran 120 besteht aus einem speziellen gleitfähigen Elastomer, um die Kraft zu reduzieren, die beim Aufziehen der Membran auf die durch Bajonettierung vorgespannte Feder erforderlich ist.
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3 zeigt ein Diagramm, in dem der Druck über die Zeit in einer hydraulischen Anlage dargestellt ist. In einer hydraulischen Anlage, wie beispielsweise einer Anlage zur Förderung und Dosierung eines Betriebs- und/oder Hilfsstoffes, wird der Betriebs- und/oder Hilfsstoff mit einer Förderpumpe gefördert und mithilfe einer Dosiereinheit beispielsweise in eine Abgasnachbehandlungsanlage eindosiert. Dabei treten mit jedem Hub der Förderpumpe Druckspitzen auf. Zudem sind die Förderpumpe und das Dosiermodul nicht notwendigerweise miteinander synchronisiert, das heißt durch die Förderpumpe kann ein größeres Volumen gefördert werden als vom Dosiermodul verarbeitet wird. Auf der vertikalen Achse [p] des Diagramms ist der Druck im hydraulischen System und auf der horizontalen Achse [t] die Zeit dargestellt. In der dargestellten Situation wird von der Förderpumpe der Betriebs- und/oder Hilfsstoff gefördert, obwohl das Dosiermodul diesen momentan nicht abnimmt. Das geförderte Volumen des Betriebs- und/oder Hilfsstoffs wird dabei vom erfindungsgemäßen Dämpfungselement aufgenommen. Dabei kommt es zu einer Druckerhöhung, die mit dem Bezugszeichen 34 eingetragen ist. Die bei jedem Förderhub ebenfalls auftretende Druckspitze wird vom erfindungsgemäßen Dämpfungselement abgemildert und ist in dem Diagramm mit dem Bezugszeichen 32 versehen. Dieses Dämpfungsverhalten wird über den vollen Druckbereich gewährleistet. Normalerweise haben Druckdämpfer die negative Eigenschaft, bei höheren Drücken eine abweichende Dämpfungscharakteristik zu zeigen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer Fördereinheit eines Abgasnachbehandlungssystems eingesetzt werden, vor allem um ein System ohne schädliche Druckspitzen zu erhalten und einer Eisdruckschädigung in den fluidführenden Räumen vorzubeugen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen auch in der Medizintechnik, der Wärmetechnik und insgesamt in einer Vielzahl von Hydraulik- und Pneumatikanordnungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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