DE102014017726A1

DE102014017726A1 - Druckluftspeicher, beispielsweise für Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102014017726A1
Application number: DE102014017726.2A
Authority: DE
Inventors: Dirk Bernhardt; Thomas Wolf
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2014-11-29
Filing date: 2014-11-29
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckluftspeicher (1, 1', 11) mit veränderlichem Volumen und sich bei Druckluftfüllung und Druckluftentnahme wenig veränderndem Druck, beispielsweise für Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen. Um die speicherbare Druckluftmenge bei gleichem Volumen des Druckluftspeichers (1, 1', 11) erhöhen zu können oder den Druckluftspeicher bei gleicher Druckluftmenge verkleinern zu können, weist der Druckluftspeicher (1, 1', 11) ein vorgespanntes, elastisch verformbares, abgedichtetes Wandelement (4) auf, das auf die Druckluftfüllung einen Gegendruck ausübt, der sich bei der Füllung und Entnahme von Druckluft nur wenig verändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckluftspeicher mit veränderlichem Volumen und sich bei Druckluftfüllung und Druckluftentnahme wenig veränderndem Druck, beispielsweise für Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen.
Die DE 10 2007 042 837 A1 offenbart ein teilisobares Druckluftspeicherkombikraftwerk mit Wärmespeicher. Aus der Zeichnung ist ein in einem Salzstock angeordneter Druckluftspeicher ersichtlich, in dem Druckluft mit 80 bar bis 90 bar gespeichert wird, deren Druck sich bei der Füllung mit Druckluft und bei der Entnahme von Druckluft nur wenig ändert, da dieser Druckluftspeicher mit einem oberirdischen Solependelbecken über ein Druckrohr verbunden ist, über das Sole in den Druckluftspeicher geleitet wird, wenn aus dem Druckluftspeicher Druckluft entnommen wird, und in das Sole zurückgeführt wird, wenn der Druckluftspeicher mit Druckluft gefüllt wird. Dieser Druckluftspeicher ist nur für Druckluftspeicherkombikraftwerke mit Wärmespeicher geeignet, da die Druckhöhe, die durch das Solependelbecken im Druckluftspeicher im Salzstock ausgeübt wird, 800 m bis 900 m betragen muss.
Für Druckluftspeicher in Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen und dergleichen gelten andere Vorbedingungen. Bekannt ist, in derartigen Druckluftbremsanlagen großvolumige Druckluftspeicher vorzusehen, deren Volumen unveränderlich ist, so dass der Druck im vollgefüllten Druckluftspeicher 8 bar bis 12 bar und bei völlig entleertem Druckspeicher bei 1 bar beträgt. Um aus einem solchen Druckluftspeicher Druckluft mit einem für die Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs ausreichend hohen Arbeitsdruck entnehmen zu können, ist vorgesehen, dass der Druckluftspeicher beim Betrieb des Kraftfahrzeugs immer dann mittels eines Kompressors mit Druckluft befüllt wird, wenn in dem Druckluftspeicher der Luftdruck unter 6 bar abgefallen ist. Im Ergebnis führt dies dazu, dass ein Teil der im Druckluftspeicher vorhandenen Druckluft für die Betätigung von Aktuatoren, wie beispielsweise an den Fahrzeugbremsen, nicht nutzbar ist. Bekannte Druckluftspeicher sind daher verhältnismäßig voluminös, um im Betrieb eines Kraftfahrzeugs einerseits einen maximal entstehenden Bedarf an Druckluft mit einem Druck von 6 bar bis 10 bar oder 12 bar abdecken zu können, andererseits jedoch möglichst klein sein sollen, um keinen allzu zu häufigen Betrieb des Druckluftkompressors zu benötigen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckluftspeicher, insbesondere für Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen vorzuschlagen, der ein geringes Volumen aufweist, wobei sich der Druck der Druckluftfüllung im Druckluftspeicher beim Füllen und bei der Entnahme nur wenig ändert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Druckluftspeicher mit veränderlichem Volumen und sich bei Druckluftfüllung und Druckluftentnahme wenig veränderndem Druck dadurch, dass der Druckluftspeicher ein vorgespanntes, elastisch verformbares, abgedichtetes Wandelement aufweist, das auf die Druckluftfüllung im Druckluftspeicher einen Gegendruck ausübt, der sich bei der Füllung und Entnahme von Druckluft aus dem Druckluftspeicher nur wenig verändert.
Anstatt gemäß dem vorerwähnten Stand der Technik einen hydrostatischen Druck in einem Druckluftspeicher zu erzeugen, dessen Druckhöhe dem im Druckluftspeicher herrschenden Druckniveau entspricht, wird erfindungsgemäß der auf die Druckluftfüllung ausgeübte Gegendruck durch ein vorgespanntes, elastisch verformbares Wandelement erzeugt, das sich beim Befüllen des Druckluftspeichers elastisch unter Volumenvergrößerung verformt und dabei einen Gegendruck auf die Druckluftfüllung ausübt, und das bei Druckluftentnahme aus dem Druckluftspeicher in seine Ursprungsstellung zurückkehrt, dabei aber weiterhin einen Gegendruck auf die Druckluft im Druckluftspeicher ausübt. Dadurch kann entweder ein vergleichsweise kleiner und leichtgewichtiger Druckluftspeicher in einer Fahrzeugdruckluftanlage genutzt werden, oder aufgrund eines weniger häufigen Betriebs eines Druckluftkompressors der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission des Fahrzeugs reduziert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Wandelement als eine vorgespannte, im Inneren des Druckluftspeichers angeordnete Trennwand ausgebildet sein, wobei das Wandelement als ein im Inneren des Druckluftspeichers abgedichtet verschiebbarer, mit einer vorgespannten Feder beaufschlagter Kolben ausgebildet sein kann. Die Abdichtung gegenüber dem Druckluftspeicher kann durch eine übliche Gleitringdichtung erfolgen. Da diese jedoch reibungsbehaftet ist und daher nach längerem Betrieb undicht werden kann, wird erfolgt die Abdichtung vorzugsweise mittels eines Rollbalges oder eines Wellbalges, die jeweils fest mit dem Druckluftspeicher und dem Kolben verbunden sind und keine Gleitbewegung gegenüber dem Druckluftspeicher bewirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Wandelement als eine im Inneren des Druckluftspeichers vorgespannt und abgedichtet angeordnete, elastisch verformbare Membran aus einem Elastomer ausgebildet sein, die abgedichtet im Druckluftspeicher befestigt ist und sich beim Befüllen beziehungsweise beim Entleeren des Druckluftspeichers mehr oder weniger innerhalb des Druckluftspeichers dehnt oder zusammenzieht. Diese Elastomermembran kann eine eingebettete, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkung aufweisen. Derartige, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkungen sind an sich bekannt und können aus einem Gewirk oder Gestrick aus hochfesten Kunststofffasern, Metallfasern, Glasfasern oder Karbonfasern bestehen.
Schließlich kann der Druckluftspeicher auch als ballonartiger, elastisch volumenvariabler Behälter ausgebildet sein, wobei dieser eine äußere Behälterwand aus einem Elastomer aufweisen kann. Wenn diese äußere Behälterwand eine eingebettete, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkung aufweist, kann es sich erübrigen, weitere, einen Gegendruck auf die Druckluftfüllung ausübende Mittel vorzusehen.
Zusätzlich oder anstelle der eine elastischen Verformung zulassenden Faserverstärkung kann der als ballonartiger Behälter ausgebildete Druckluftbehälter einen vorgespannten, elastisch verformbaren Innen- oder Außenkäfig umfassen, der aus Stahl oder faserverstärktem Kunststofffedermaterial bestehen kann. Der Innen- oder Außenkäfig erzeugt auf die Druckluftfüllung einen Gegendruck, so dass sich der Innendruck im Druckluftbehälter bei der Füllung und Entnahme von Druckluft nur wenig verändert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsformen weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 einen Druckluftspeicher mit einem mit einer vorgespannten Feder beaufschlagten Kolben,
2 einen Druckluftspeicher mit einer elastisch verformbaren Membran,
3 einen als ballonartiger Behälter ausgebildeten Druckluftspeicher im entleerten Zustand,
4 den ballonartigen Behälter gemäß 3 im mit Druckluft gefüllten Zustand, und
5 ein Diagramm, in dem drei Kurvenverläufe A, B, C erkennen lassen, wieviel Prozent des Gesamtvolumens von drei Druckluftspeichern bei einer Entleerung derselben in einem vorgegebenen Arbeitsdruckbereich genutzt werden können.
Die 1 zeigt demnach einen herkömmlichen Druckluftspeicher 1 aus Stahl oder einem faserverstärkten Kunststoff mit einem Drucklufteinlass und Druckluftauslass 2 sowie einer Be- und Entlüftungsöffnung 3. Im Druckluftspeicher 1 ist ein Wandelement 4 in Form eines Kolbens angeordnet, der mittels einer Gleitringdichtung 5 gegenüber der Innenwand des Druckluftspeichers 1 abgedichtet ist. Auf das als Kolben ausgebildete Wandelement 4 wirkt eine vorgespannte Feder 6, die so bemessen ist, dass sich der durch das als Kolben ausgebildete Wandelement 4 auf eine Druckluftfüllung im Druckluftspeicher 1 ausgeübte Gegendruck zwischen einer Kolbenstellung 7 im nahezu entleerten Zustand sowie einer Kolbenstellung 8 im nahezu vollgefüllten Zustand nur wenig ändert. Auf diese Weise lässt sich im Druckluftspeicher 1 ein größeres Druckluftvolumen speichern, als dies mit üblichen, in Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen verwendeten Druckluftspeichern möglich ist, oder vorzugsweise lässt sich der Druckluftspeicher 1 entsprechend verkleinern, da der Druck im Druckluftbehälter 1 auch in der einlass- und auslassnahen Kolbenstellung 7 noch einen für den Betrieb einer Druckluftbremsanlage in Fahrzeugen ausreichenden Druck vorhält.
2 zeigt einen Druckluftspeicher 1', dessen Bauart mit dem Druckluftspeicher 1 gemäß 1 übereinstimmt, jedoch ist im Druckluftspeicher 1' ein entspanntes, elastisch verformbares, abgedichtetes Wandelement 9 in Form einer Membran aus einem Elastomer angeordnet, das sich beim Befüllen des Druckluftspeichers 1', wie mit den Bezugsziffern 10, 10', 10'' dargestellt, unterschiedlich verformt, dabei aber auf die Druckluftfüllung im Druckluftspeicher 1' einen Gegendruck ausübt, der sich bei der Füllung und Entnahme von Druckluft nur wenig verändert. Dieses als Membran ausgebildete Wandelement 9 aus einem Elastomer kann eine eingebettete, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkung aufweisen, die aus einem Gewirke oder Gestrick aus hochfesten Kunststofffasern, Stahlfasern, Glasfasern oder Karbonfasern bestehen kann.
Die 3 und 4 zeigen einen Druckluftspeicher 11 in Form eines ballonartigen Behälters mit einem Drucklufteinlass und Druckluftauslass 12, dessen äußere Behälterwand 13 aus einem Elastomer besteht, welcher genauso wie die Membran 9 eine eingebettete, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkung aufweisen kann.
Zusätzlich oder anstelle der Faserverstärkung in der Behälterwand 13 kann ein vorgespannter Innen- oder Außenkäfig 14 vorgesehen sein, der auf die Druckluft im Druckluftspeicher 11 einen Gegendruck ausübt, welcher sich bei der Füllung und Entnahme der Druckluft nur wenig verändert. Dieser Innen- oder Außenkäfig 14 kann aus Stahllamellen oder faserverstärkten Kunststofflamellen bestehen und ist so bemessen, dass er in der 3 dargestellten Stellung noch einen ausreichenden Gegendruck auf die Druckluftfüllung ausübt, ohne dass dieser Gegendruck bis in die in 4 dargestellte Stellung stark ansteigt.
Es ist ersichtlich, dass die der Erfindung zugrunde liegende Idee, den Druckluftspeicher 1, 1', 11 mit einem vorgespannten, elastisch verformbaren, abgedichteten Wandelement 4, 9, 13, 14 zu versehen, dazu führt, dass auf die Druckluftfüllung im Druckluftspeicher 1, 1', 11 ein Gegendruck ausgeübt wird, der sich bei der Füllung und Entnahme von Druckluft nur wenig verändert, und der es erlaubt, entweder mehr Druckluft in einen Druckluftspeicher gegebener Größe zu speichern oder aber den Druckluftspeicher zu verkleinern sowie die gleiche Druckluftmenge in diesem Druckluftspeicher zu speichern, wie in einem herkömmlichen Druckluftspeicher ohne vorgespanntes, elastisch verformbares, abgedichtetes Wandelement.
Schließlich zeigt 5 ein Druck-Volumen-Diagramm, in dem drei Kurvenverläufe A, B, C erkennen lassen, wieviel Prozent des Gesamtvolumens von drei unterschiedlichen Druckluftspeichern bei einer Entleerung derselben in einem vorgegebenen Arbeitsdruckbereich von 6 bar bis 12 bar genutzt werden können. Die Kurve A zeigt das Verhalten eines Druckluftspeichers gemäß dem Stand der Technik, während die Kurven B und C die Verhältnisse bei zwei unterschiedlichen, jedoch gemäß den Merkmalen der Erfindung aufgebauten Druckluftspeichern veranschaulichen.
Zu Beginn einer Entleerung sind die jeweiligen Druckluftspeicher mit Druckluft unter einem Druck von 12 bar vollständig befüllt, was hier mit dem Wert 100% veranschaulicht ist. Wie die Kurven A, B, C für die drei verschiedenen Druckluftspeicher zeigen, reduziert sich der Luftdruck p bei einer Druckluftentnahme von 12 bar bis zu einem Wert von 1 bar, welcher dem Umgebungsluftdruck entspricht. Bei einem konventionellen Druckluftspeicher verläuft der Druckabfall gemäß der Kurve A weitgehend linear. Bei einem Druck von 6 bar müsste bei einer Druckluftanlage in einem Kraftfahrzeug ein zugeordneter Kompressor eingeschaltet werden, um den Druckluftspeicher erneut mit Druckluft bis zu einem maximalen Druck von 12 bar aufzufüllen. Deutlich erkennbar erfolgt die Befüllung des konventionellen Druckluftspeichers bereits dann, wenn lediglich 55% des Volumens dieses Druckluftspeichers dafür genutzt wurden, um aus diesem Druckluft mit einem in der Druckluftanlage brauchbaren Arbeitsdruck von 6 bar bis 12 bar zu entnehmen.
Wie die Kurven B und C für erfindungsgemäß ausgebildete Druckluftspeicher zeigen, kann aus diesen Druckluftspeichern Druckluft mit einem in der Druckluftanlage brauchbaren Arbeitsdruck von 6 bar bis 12 bar in einer Menge entnommen werden, welche 70% beziehungsweise 90% des Speichervolumens des jeweiligen Druckluftspeichers entspricht. Anders ausgedrückt ist es so, dass ein zugeordneter Kompressor erst dann zur erneuten Befüllung des Druckluftspeichers eingeschaltet werden muss, wenn der Druckluftspeicher zu 30% beziehungsweise 10% seines Volumens entleert ist und der dort noch verbliebene Druckluft unter einem Druck von 1 bar bis 6 bar steht. Dies ist möglich, weil in den erfindungsgemäß ausgebildeten Druckluftspeichern (Kurven B, C) das dortige elastisch vorgespannte Wandelement den Speicherraum des Druckluftspeichers beim Entleeren desselben bis auf die angegebenen Restvolumina verkleinert.
Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
Bezugszeichenliste

1, 1': Druckluftspeicher
2: Drucklufteinlass und Druckluftauslass
3: Be- und Entlüftungsöffnung
4: Wandelement, Kolben
5: Dichtung
6: Vorgespannte Feder
7: Kolbenstellung entleert
8: Kolbenstellung vollgefüllt
9: Wandelement, Membran
10: Membranstellung
10': Membranstellung
10'': Membranstellung
11: Druckluftspeicher, ballonartiger Behälter
12: Drucklufteinlass und Druckluftauslass
13: Behälterwand aus Elastomer
14: Innen- oder Außenkäfig
p: Luftdruck im Druckluftspeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007042837 A1 [0002]

Claims

Druckluftspeicher (1, 1', 11) mit veränderlichem Volumen und sich bei Druckluftfüllung und Druckluftentnahme wenig veränderndem Druck, beispielsweise für Druckluftbremsanlagen in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftspeicher (1, 1', 11) ein vorgespanntes, elastisch verformbares, abgedichtetes Wandelement (4, 9, 13, 14) aufweist, das auf die Druckluftfüllung im Druckluftspeicher einen Gegendruck ausübt, der sich bei der Füllung und Entnahme von Druckluft aus dem Druckluftspeicher (1, 1', 11) nur wenig verändert.
Druckluftspeicher (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (4) als eine vorgespannte, im Inneren des Druckluftspeichers (1) angeordnete Trennwand (4, 9) ausgebildet ist.
Druckluftspeicher (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (4) als ein im Inneren des Druckluftspeichers (1) abgedichtet verschiebbarer, mit einer vorgespannten Feder (6) beaufschlagter Kolben ausgebildet ist.
Druckluftspeicher (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kolben ausgebildete Wandelement (4) mittels eines Rollbalgs oder eines Wellbalgs abgedichtet ist.
Druckluftspeicher (1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (9) als eine im Inneren des Druckluftspeichers (1) vorgespannt und abgedichtet angeordnete, elastisch verformbare Membran aus einem Elastomer ausgebildet ist.
Druckluftspeicher (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als ballonartiger, elastisch volumenvariabler Behälter ausgebildet ist.
Druckluftspeicher (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als ballonartiger Behälter ausgebildete Druckluftspeicher (11) eine äußere Behälterwand (13) aus einem Elastomer aufweist.
Druckluftspeicher (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als ballonartiger Behälter ausgebildete Druckluftbehälter (11) einen vorgespannten, elastisch verformbaren Innen- oder Außenkäfig (14) aufweist.
Druckluftbehälter (1, 11) nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Membran (9) oder die Behälterwand (13) bildende Elastomer eine eingebettete, eine elastische Verformung zulassende Faserverstärkung aufweist.