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Die
Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Aus
der
DE 100 01 104
A1 ein gattungsgemäßer Druckbehälter bekannt,
der in der gestreckten Form aus einer Anzahl von Kissen besteht,
die durch Übergänge miteinander
verbunden sind. Am Rand sind zwei Wandungsteile miteinander umlaufend
verschweißt
und bilden damit die Hülle
der gesamten Kissen. Ausgehend vom Rand wölben sich die Kissen aus, wodurch
sich zwangsläufig
Falten im Randbereich ausbilden, bei denen sehr hohe Spannungen im
Werkstoff auftreten, die bis zur Zerstörung führen, wodurch u. U. der Inhalt
aus dem Druckbehälter
entweichen kann.
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Eine
Lösungsmöglichkeit
zur Unterbindung der Falten besteht darin, dass die Kissen nur eine
beschränkte
Wölbungshöhe aufweisen,
letztlich nicht so „dick" sein dürfen. Die
räumliche
Ausdehnung des Druckbehälters
wird durch die Vorgabe des erforderlichen Volumens des Druckbehälters erzwungen.
In dem Maße,
wie man die Wöl bungshöhe reduziert, muss
die flächige
Ausdehnung des Druckbehälters vergrößert werden,
wodurch aber Einbaumaße
u. U. nicht mehr eingehalten werden.
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Man
könnte
auch darüber
nachdenken, einfach größere Wandstärken für den Druckbehälter vorzusehen.
Jedoch würde
damit die Flexibilität
der Wandungen und damit des gesamten Druckbehälters verschlechtert, abgesehen
von dem Materialaufwand.
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Aus
der
DE 196 34 523
A1 ist eine gasdichte Folienverpackung bekannt, die mit
einem unter Druck stehendes Schutzgas gefüllt ist. Die Folienverpackung
weist eine kissenförmige
Gestalt auf und ist an ihrem umlaufenden Rand gasdicht verschlossen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen kissenförmigen Druckbehälter derart
weiterzuentwickeln, dass unter Ausnutzung eines größtmöglichen
Volumens die randseitige Faltenbildung reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Verbindungsradien verhindern eine scharfe Faltenbildung. Es entstehen
im Randbereich Beulen, die aber hinsichtlich der auftretenden Spannungen
in der Wandung unkritisch sind.
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Die
Verbindungsradien folgen einem definierten Prinzip, wobei der Hüllkörper eine
viereckige Grundfläche
aufweist, indem, sich der Verbindungsradius bei einer quadratischen
Grundfläche
bis zur halben Seitenkantenlänge
und bei einer rechteckigen Grundfläche bis zur halben Seitenkantenlänge der kürzeren Seitenkante
erstreckt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Verbindungsbereich
bei einer rechteckigen Grundfläche
des Hüllkörpers eine
elliptische Ausgestaltung aufweist, dessen Verbindungsradius in
Richtung der kürzeren
Seite tendenziell klei ner ausgeführt
ist. Das Ziel dieser Maßnahme
besteht darin, ein möglichst
großes
Volumen für
den Druckbehälter
realisieren zu können.
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Gemäß einem
vorteilhaften Unteranspruch begrenzen die spiegelbildlich zu dem Übergang
ausgeführten
Verbindungsradien und die umlaufende Naht einen sich nach radial
innen erstreckenden Zwischenbereich des Hüllkörpers, wobei der gesamte Zwischenbereich
oder auch ein Teil davon ausgespart, d. h. mit mindestens einem
Ausschnitt versehen ist. Der Freischnitt soll die Flexibilität zwischen den
Abschnitten des Druckbehälters
vergrößern
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Der
dichtende Rand soll von einer Schweißvorrichtung verschlossen werden.
Um ein möglichst einfaches
Schweißwerkzeugprofil
einsetzen zu können
ist vorgesehen, dass der Zwischenbereich von dem umlaufenden dichten
Rand und den Verbindungsradien des umlaufenden Rands eingeschlossen
wird. Man benötigt
nur noch ein Werkzeug für den
umlaufenden Rand und ein Werkzeug für die Verbindungsradien.
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Anhand
der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1 Anwendungsbeispiel
der eingeschlossenen Gasmasse bei einem Schwingungsdämpfer
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2 Schnitt
durch den Schwingungsdämpfer
und die eingeschlossene Gasmasse
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3a, 3b Schnitt
durch die Wandung des Hüllkörpers
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4 Ansicht
der eingeschlossenen Gasmasse
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5 Abwicklung
des Hüllkörpers
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6 Detaildarstellung
des Hüllkörpers
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Die 1 zeigt
einen an sich bekannten Schwingungsdämpfer 1 in Zweirohrbauweise,
bei dem eine Kolbenstange 3 mit einem Kolben 5 in
einem Druckrohr 7 axial beweglich geführt ist. Der Kolben 5 trennt
das Druckrohr in einen oberen Arbeitsraum 9 und einen unteren
Arbeitsraum 11, wobei beide Arbeitsräume über Dämpfventile 13 im Kolben verbunden
sind.
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Das
Druckrohr 7 wird von einem Behälterrohr 15 eingehüllt, wobei
die Innenwandung des Behälterrohres
und die Außenwandung
des Druckrohres einen Ausgleichsraum 17 bilden, der vollständig mit Dämpfmittel
und einem Druckbehälter 19 für eine eingeschlossenen
Gasmasse bis an eine Kolbenstangenführung 21 gefüllt ist.
Am unteren Ende des Arbeitsraums 11 ist ein Boden angeordnet,
der ggf. ein Rückschlagventil 23 und
ein Dämpfventil 25 aufweist.
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Bei
einer Kolbenstangenbewegung wird das verdrängte Kolbenstangenvolumen durch
eine Volumenänderung
des Druckbehälters
bzw. der eingeschlossene Gasmasse ausgeglichen.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt durch den Schwingungsdämpfer 1 im Bereich
der eingeschlossenen Gasmasse 19. Die eingeschlossene Gasmasse
besteht aus einem Hüllkörper 27 mit
einer Wandung 29, die mit einem Gas, insbesondere Stickstoff druckgefüllt ist.
Man kann alternativ CO2 oder bei entsprechend
schneller Montage auch ein Flüssiggas verwenden.
Die Wandung 29 besitzt eine Innenwandung 29i und
eine Außenwandung 29a,
die wiederum einen Anfang und ein Ende bilden. Bei diesem Anwendungsbeispiel
ist die eingeschlossene Gasmasse kreisbogenförmig in den Ausgleichsraum 17 eingelegt.
In der Schnittdarstellung sind in Reihe angeordnete zueinander winklig
ausgerichtete Abschnitte 41 der eingeschlossenen Gasmasse
erkennbar. Die Abschnitte 41 werden durch parallel zur
Achse des Schwingungsdämpfers
verlaufende geprägte Übergange 43 zwischen
der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a gebildet.
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Zu
der eingeschlossenen Gasmasse gehört ein Füllanschluss 31, der über eine
Füllöffnung 33 im Behälterrohr
zugänglich
ist. Bei der Montage des Schwingungsdämpfers wird der ungefüllte Hüllkörper in
das Behälterrohr 15 eingelegt,
wobei der Füll anschluss 31 in
die Füllöffnung eingeknöpft wird.
Danach führt
man das Druckrohr 7 ein. Anschließend wird der gesamte Schwingungsdämpfer mit Öl gefüllt, wobei
sich das Volumen der Ölfüllung nach
dem späteren
Betriebsdruck richtet, der bei Stillstand der Kolbenstange durch
die eingeschlossene Gasmasse bestimmt wird. Ist der Schwingungsdämpfer geschlossen,
kann über
eine nicht dargestellte Fülleinheit
z.B. Injektionsnadel die eingeschlossene Gasmasse zugeführt werden.
Wird die Injektionsnadel entfernt, so verschließt sich die Einstichöffnung selbsttätig. Die
Füllöffnung kann
nach dem Befüllen durch
eine eingedrückte
Kugel 35 verschlossen werden. Alternativ kann der Druckbehälter auch
außerhalb
des Schwingungsdämpfers
gefüllt
sein, so dass keine Verbindung zwischen dem Druckbehälter und dem
Schwingungsdämpfer
für einen
Füllanschluss 31 vorliegen
muss.
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In
der 3a ist ein Schnitt durch die Wandung 29 dargestellt,
wobei die Innenwandung 29i und die Außenwandung 29a aus
demselben Werkstoff bestehen können
bzw. denselben Aufbau aufweisen. Kernstück der Wandung ist eine Metallfolie,
insbesondere eine Aluminiumfolie 29Al, die nur wenige μm dick ist.
Vornehmlich Walzaluminium ist besonders geeignet. Die Aluminiumfolie übernimmt
die Dichtfunktion für
das eingeschlossene Gas. Nach außen ist die Aluminiumfolie
durch eine Schutzfolie 29S beschichtet. Diese Schutzfolie
fördert
die Stabilität,
erhöht
die Reißfestigkeit
und verhindert eine zu starke Knitterbildung. Diese Schicht hat
eine Stärke
im Bereich der Alufolie und besteht beispielsweise aus PET oder
Polyamid.
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Nach
innen verfügt
die Wandung über
eine verschweißbare
Beschichtung 29V. Die verschweißbare Beschichtung kann auch
mehrlagig, beispielsweise zweilagig ausgeführt sein und etwa die vier-
bis fünffache
Materialstärke
der Aluminiumfolie aufweisen. Bei einer mehrlagigen Beschichtung 29V werden
die einzelnen Lagen gereckt und kreuzweise zueinander aufgetragen.
Dadurch erreicht man eine hohe Festigkeit und Formstabilität, insbesondere
innere Spannungen werden kompensiert. Als Materialien haben sich
PP und PA bewährt.
Die Schichtdicke beträgt
ca. 50 bis 100 μm.
Wenn für
die Schutzschicht und die Schweißschicht jeweils PA eingesetzt wird,
kann man eine Siegelschweißung
für den
Hüllkörper vornehmen.
Bei einer Siegelschweißung
wird die Schutzschicht überlappend
auf die Schweißschicht
gelegt und durch Wärmezufuhr
verschweißt.
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Die 3b zeigt
den Aufbau der Wand des Hüllkörpers, die
zusätzlich
eine Tragschicht 29T aufweist. Diese Tragschicht sorgt
für die
Festigkeit in allen Belastungsrichtungen des Hüllkörpers 27. Bei der Verwendung
der Tragschicht kann die Metallfolie 29Al bis auf das absolute
Minimum reduziert werden. Dadurch wird der Hüllkörper flexibler und bekommt gummielastische
Eigenschaften. Des weiteren stellt die Tragschicht einen Schutz
der Metallfolie beim Schweißvorgang
dar. Es soll kein Betriebsmedium aus dem Druckbehälter mit
der Metallfolie in Kontakt treten. Je nach Betriebsmedium kann die
Metallfolie chemisch angegriffen werden. Es ist anzustreben, die
Metallfolie 29AL in die neutrale Fase der Wandung des Hüllkörpers anzuordnen,
um die Biegebeanspruchung zu optimieren.
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Zwischen
den genannten Schichten kann eine Klebeschicht 29K, beispielsweise
aus PU aufgetragen werden, der für
einen gesicherten Zusammenhang der Schichten sorgt. Die Klebeschicht
kann wie ein herkömmlicher
Kleber aufgetragen oder auch als Klebefolie eingelegt werden. Alternativkönnen die einzelnen
Schichten auch kalandriert werden.
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Die 4 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Abschnitt 41 des Hüllkörpers 27. In dieser
Ansicht ist ein Dehnungsprofil 45 deutlich zu erkennen. Dieses
Dehnungsprofil unterstützt
eine Kissenform der Abschnitte zwischen den geprägten Übergängen 43. Im Bereich
der Übergänge kann
sich die Wandung in Falten legen und am Äquator 47 des Kissens max.
strecken. Beispielhaft ist ein Dehnungsprofil in Sinusform dargestellt.
Eine abweichende Faltenbildung ist selbstverständlich auch denkbar. Das Sinusprofil
weist beispielsweise einen Abstand von einer Oberwelle zur nächsten Oberwelle
einen Abstand von 3 mm und eine Amplitude zwischen 0,2 bis 0,3 mm
auf.
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In
der 5 ist ein abgewickelter Hüllkörper 27 dargestellt.
Am Rand sind Schweißnähte 37 ausgeführt, die
aus der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a einen
geschlossenen Körper
werden lassen. Für
die Schweißnähte 37 wird
die verschweißbare
Beschichtung 29V, siehe 3,
benötigt.
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Die 5 zeigt
drei mögliche
Formen der Ausgestaltung des Dehnungsprofils 45. Bei der
linken Variante beschränkt
sich das Dehnungsprofil 45 auf einen Streifen im Bereich
des geprägten Übergangs 43,
da dort die größten Spannungsspitzen
auftreten, die es zu minimieren gilt. Man kann das Dehnungsprofil
auch parallel zu den Schweißnähten 37 verlaufen
lassen, da in diesem Bereich mit einer größeren Faltenbildung zu rechnen
ist.
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Das
mittlere Dehnungsprofil 45 ist waagerecht ausgeführt. Ein
waagerechtes Dehnungsprofil ist besonders leicht herstellbar. Die
rechte Variante zeigt ein Dehnungsprofi 45, das aus zwei
sich kreuzenden Einzeldehnungsprofilen 45a; 45b besteht, wodurch
rautenförmige
Wandungssegmente 49 bestimmt werden. Wenn, wie dargestellt,
die Einzeldehnungsprofile wechselweise unter 45° verlaufen, dann liegen die
Schnittpunkte des Dehnungsprofils parallel der Hauptachsen des Hüllkörpers 27.
Damit wird das Dehnungsverhalten des Hüllkörpers nochmals nachhaltig verbessert,
da sich bei Kraftangriff an den Schnittpunkten eine größere Dehnung
einstellt im Vergleich zu einer horizontalen und vertikalen Ausführung des
Dehnungsprofils 45.
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Wie
bereits vorstehend beschrieben, werden die Wandungsteile 29a; 29i des
Hüllkörpers 27 von umlaufenden
Schweißnähten 37 druckdicht
zusammengehalten. Bei einer kissenförmigen räumlichen Ausgestaltung des
Hüllkörpers 27 bilden
sich dabei zwangsläufig
Falten mit einem vergleichsweise kleinen Faltenradius, der zu einer
Beschädigung,
insbesondere der Metallfolie 29AL innerhalb der Wandungsteile
führen
würde.
Die Falten stellen sich nach folgender Gesetzmäßigkeit ein:
Bei einem
Kissen mit einer quadratischen Grundfläche bilden sich die ersten
Falten im Bereich der Seitenhalbierenden. Wenn das Kissen eine rechteckige Grundfläche aufweist,
dann stellen sich die ersten Falten an der langen Seite in etwa
mit einem Abstand von I/2 der kurzen Seite bezogen auf den Rand
der Grundfläche
ein.
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Bei
einem einzelnen Kissen ist am Verbindungsbereich zweier Seitenkanten
des Hüllkörpers ein
Verbindungsradius 51 ausgeführt, der sich etwa bis zu dem
Abstand I/2 ausgehend vom Rand erstreckt. Der Verbindungsradius 51 muss
keinesfalls konstant sein, sondern kann auch einen Verlauf mit einer
elliptischen Kontur einnehmen.
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Erste
Versuche haben ergeben, dass sich der Verbindungsradius im Verhältnis der
Seitenlängen
eines Abschnitts bzw. eines Kissens verändert. Beispielsweise kann
bei einer Kantenlänge
des Kissens mit einem Verhältnis
1 : 3 der kurzen Seite zur langen Seite des Abschnitts ein Biegeradius
von 5 mm nach 15 mm verzogen werden und dabei einen elliptischen
Konturenverlauf bilden.
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Bei
der Anwendung des Druckbehälters 19 in einem
Schwingungsdämpfer
werden mehrere Abschnitte 41, die jeweils eine Kissenform
aufweisen durch die Übergänge 43 miteinander
verbunden. An jeweils einem Übergang
sind die spiegelbildlich zueinander die Verbindungsradien als Schweißnaht ausgeführt. Der
Berührungspunkt
der beiden Verbindungsradien am Übergang
ist mit einem kleinen Radius 53 versehen, z. B. 2 mm. Bei
einem derartigen Verbindungsradius stellen sich keine Falten ein,
sondern nur nach Beulen mit vergleichsweise großen Biegeradien.
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Die 5 zeigt
zwei möglich
Ausgestaltungen des umlaufenden Randes. In der oberen Zeichnungshälfte wurde
der Rand 37 durchgehend, auch im Bereich der Übergänge 43,
ausgeführt.
Das erlaubt den Einsatz von sehr einfachen Grundschweißwerkzeugen
für die
Längsnähte. Die
Verbindungsradien 51 werden vorzugsweise, aber nicht unbedingt zwangsweise,
in einem zweiten Arbeitsschritt als Schweißnaht ausgeführt. Dabei
bilden sich nach radial innen erstreckende Zwischenbereiche 55 zwischen
der umlaufenden Naht und den beiden Verbindungsradien an den Übergängen 43.
Um den Nahtbereich biegeweicher zu gestalten, kann der gesamte Zwischenbereich 55 oder
auch nur ein Teil davon ausgespart, d. h. mit mindestens einem Ausschnitt 57 versehen
sein.
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In
der unteren Figurenhälfte
ist der Zwischenbereich 55 vollständig freigeschnitten, so dass die
Schweißnaht
eine Wellenform aufweist. Je nach Produktionsumfang kann man auch
ein einziges Schweißwerkzeug
für die
Schweißnaht 37 an
der Längsseite
verwenden, das die Wellenform aufweist.
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Mit
der 6 soll verdeutlicht werden, dass der geprägte Übergang 43 zwischen
den Abschnitten 41 der eingeschlossenen Gasmasse und das
Dehnungsprofil 45 ein überlagertes
Profil bilden, in dem beide Profilcharakteristiken erhalten bleiben.
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Die
beschriebene Anwendung beim Schwingungsdämpfer ist nur beispielhaft
zu bewerten. Selbstverständlich
können
auch die Federkräfte
der eingeschlossenen Gasmasse genutzt werden. Denkbar ist zum Beispiel
der Einsatz als Gasfeder, teil oder volltragend, wie es beispielsweise
in der Fahrwerktechnik zur Niveauregelung und hydraulischen Federelementen
eingesetzt wird. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei einem Einrohrdämpfer als
Ersatz für den
Ausgleichsraum, ist ein Anschlag vorzusehen, der den Auftrieb des
Hüllkörpers verhindert.
Der Einrohrschwingungsdämpfer
besteht im wesentlichen aus denselben Bauteilen wie der Schwingungsdämpfer in
Zweirohrbauweise nach der 1, wobei
identische Bauteile dieselben Bezugsziffern tragen. Als Anschlag
kann man beispielsweise einen eingespannten Ring, oder soweit vorhanden,
Bodenventil 25 verwenden.