DE10235080B3

DE10235080B3 - Hydropneumatischer Druckspeicher

Info

Publication number: DE10235080B3
Application number: DE2002135080
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. Wolf
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: WO2004013495A1; AU2003253047A1

Abstract

Hydropneumatischer Druckspeicher mit einem Druckbehälter mit zwei durch eine Trennwand voneinander getrennten Kammern, von denen die erste Kammer mit einem Druck ausgefüllt ist und die zweite Kammer mit einem hydraulischen Kreislauf verbunden ist, wobei die Trennwand (3a, 3b) aus wenigstens einer rotationssymmetrischen Metallmembran besteht, die konzentrische Wellungen (4) hat und die auf ihrer zum hydraulischen Fluid weisenden Oberfläche (16) mit einem elastischen Belag versehen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung befasst sich mit einem hydropneumatischen Druckspeicher, mit. einem Druckbehälter mit zwei durch eine Trennwand voneinander getrennten Kammern von denen die erste Kammer mit einem Druckgas gefüllt und die zweite Kammer mit einem hydraulischen Kreislauf verbunden ist.
Druckspeicher dieser Art werden für hydraulische Systeme, insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet, welche den Bremsvorgang und den Vortrieb elektronisch regeln.

Bekannt sind sogenannte Membranspeicher, wie sie beispielsweise in der USA 6 016 841 A gezeigt sind. Die beiden Kammern sind hier durch eine elastische Membran getrennt. Im entleerten Zustand, d. h. wenn das hydraulische Fluid vollständig aus der Kammer ausgelaufen ist, legt sich die Membran vollständig an die Innenseite des Druckbehälters an. Der Nachteil dieser Druckspeicherart liegt in der vergleichsweise hohen Gaspermeablität der Membran. Durch in die Hydraulikflüssigkeit eindiffundierende Gase können sich Glasblasen im Fluid ausbilden, die zu einem Totalausfall des Bremssystems führen können. Aus diesem Grunde sind Sperrschichten in die Membran eingebaut. Solche Sperrschichten verringern zwar den Gasdiffusionsstrom, können ihn jedoch nicht gänzlich unterbinden.

Aus der DE 199 24 807 A1 ist eine andere Ausführungsform von Druckspeichern bekannt, sogenannte Metallbalgspeicher, bei denen die Kammern durch eine Membran, vorzugsweise aus einem dünnen Edelstahlblech, getrennt werden. Der Nachteil dieser Metallbalgdruckspeicher liegt darin, dass der Metallbalg nur eine sehr eingeschränkte Elastizität bzw. Festigkeit hat. Das dünne Blech kann nur Druckdifferenzen von wenigen Bar ertragen. Für den Betrieb eines solchen Druckspeichers ist deshalb notwendig, dass er während des gesamten Lebenszyklus gas- und fluidseitig mit nahezu dem gleichen Druck beaufschlagt wird. Der Druckspeicher darf deshalb fluidseitig nicht vollständig entleert werden, da in diesem Fall der Gasinnendruck den Metallbalg zerstören würde. Um diesem entgegenzuwirken werden in die Durchflussöffnungen für das Fluid Ventile eingesetzt, die ab einer vorbestimmte Lage des Metallbalgs den Durchfluss absperren und ein weiteres Ausströmen des hydraulischen Fluids verhindern.

Des weiteren ist durch die DE 30 12 079 A1 ein Druckbehälter bekannt geworden, bei dem die beiden Kammern durch eine gasdichte Metallmembran getrennt sind, die konzentrische Wellen hat. Nachteilig hierbei ist, daß die Membran in der Nähe der sie bei Entleerung der Fluidkammer abstützenden Gehäusewand untergebracht sein muß und außerdem die Gehäusewandung ebenfalls mit korrespondierenden konzentrischen Wellen zu versehen ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die o.a. Nachteile der bekannten Druckspeicher zu vermeiden und einen Druckspeicher zu erstellen, der möglichst einfach in seinem Aufbau ist, kostengünstig hergestellt werden kann und der gasdicht ist und darüber hinaus eine vollständige Entleerung der Fluidkammer zulässt, ohne dass der Druckspeicher zerstört wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird durch einen hydropneumatischen Druckspeicher, der alle Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, erreicht.

Bei dem empfindungsgemäßen Druckspeicher wird die Trennwand aus wenigstens einer rotationssymmetrischen Metallmembran gebildet, die konzentrische Wellungen hat und die auf ihrer zum hydraulischen Fluid weisenden Oberfläche mit einem elastischen Belag versehen ist. Der Belag kann mit der Metallmembran adhäsiv verbunden oder nur aufgelegt sein. Der elastische Belag ist in seiner Außenkontur an die Innenkontur des Druckgehäuses angepasst. Seine Innenkontur folgt der Wellenstruktur der Metallmembran. Bei einer vollständigen Entleerung der Fluidkammer wird die Metallmembran somit auf ihrer ganzen Fläche durch den elastischen Belag, am Druckbehälter gleichmäßig abgestützt.

Wird der hydraulische Speicher bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen eingesetzt, wie es gerade in Kraftfahrzeugen der Fall ist, so ist es aus thermodynamischen Gründen vorteilhaft, wenn der Quotient ΔV/V₀ aus dem durch die Bewegung der Membran veränderlichen Volumen ΔV und dem kleinstmöglichen Gasvolumen V₀ möglichst groß wird. Dies lässt sich durch einen Verdrängungskörper erreichen, der in die Druckgaskammer eingesetzt wird und somit das Gasvolumen V₀ reduziert. Ein solcher Verdrängungskörper kann z. B. aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Weitere Materialien sind ebenfalls denkbar, Der Verdrängungskörper sollte möglichst wenig Gas in sich aufnehmen können.

Der Druckbehälter selbst, wird aus zwei an ihren Rändern miteinander verbundenen Halbschalen gebildet. Diese Form des Druckbehälters ist besonders günstig, wenn zwei Metallmembranen als Trennwand verwendet werden. Die Trennwand besteht aus zwei spiegelbildlich angeordneten rotationssymmetrischen Metallmembranen, deren Innenraum die erste mit Druckgas gefüllte Kammer darstellt. Die zweite Kammer wird bei dieser Ausführungsform aus zwei Einzelkammern gebildet, welche durch Fluidleitungen miteinander verbunden sind. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausbildungsform erwiesen, bei der der Druckgasraum ein nach außen abgeschlossener Raum ist, dessen Befüllung mit Druckgas über ein vor dem Verschließen des Druckgasraumes darin eingefügtes Treibmittel erfolgt, dessen Zersetzungsreaktion erst nach dem Verschließen des Druckgasraumes eingeleitet wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der beiliegenden Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Es zeigt
1 ein Druckspeicher im Schnitt mit einer Trennwand aus einer Metallmembran mit einem elastischen Belag,
2 einen Druckspeicher im Schnitt mit einer Trennwand aus zwei Metallmembranen mit elastischen Belägen,
3 einen Teilausschnitt des Druckspeichers mit der Öffnung für die Druckgaszuführung
4 einen Druckspeicher im Schnitt, bei dem die Trennwand aus zwei gasdicht miteinander verbundenen Metallmembranen besteht und 5 einen Druckspeicher mit einem Verdrängungskörper.
Ausführung der Erfindung
In der 1 ist ein hydrodynamischer Druckspeicher 20 im Schnitt gezeigt, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Druckbehälter 21 besteht aus den beiden Halbschalen 1 und 2. Die beiden Halbschalen 1 und 2 sind an ihren Außenrändern miteinander gasdicht zusammengeschweißt. Über die Halterung 15 wird der Druckbehälter 21 an einem geeigneten Fahrzeugteil befestigt. Vor dem Zusammenschweißen der Halbschalen 1 und 2 ist an der unteren Halbschale 2 die aus einer Metallmembran bestehende Trennwand 3b eingefügt und darin gasdicht befestigt. Dieses kann beispielsweise durch verschweißen mit der Halbschale 2 geschehen. Die Trennwand 3b ist mit mehreren konzentrischen Wellungen 4 versehen. Diese Wellen erlauben die notwendige Beweglichkeit der Trennwand 3b. Auf ihrer zur hydraulischen Fluidkammer 14 gerichteten Oberfläche 16 ist die Trennwand 3b mit dem elastischen Belag 6 versehen, dessen Außenkontur in etwa der Innenkontur der Halbschale 2 angepasst ist. In den elastischen Belag 6 ist der Einsatz 8 eingefügt, welcher die Öffnung 10 der Fluidzuführung 12 überdeckt, wenn die Kammer 14 vollständig entleert ist. Die das Druckgas enthaltene Kammer 3, wird über die Öffnung 9 mit Druckgas befüllt. Nach der Befüllung wird die Öffnung 9 durch einen Stopfen verschlossen. Dieser Druckspeicher 20 lässt es zu, dass eine vollständige Entleerung der Fluidkammer 14 stattfinden kann, ohne das die Trennwand 3b dabei zerstört wird.
In der 2 ist ein doppeltwirkender Druckspeicher 20 gezeigt, bei dem sowohl die untere Halbschale 2 als auch die obere Halbschale 1 mit einer Trennwand 3b bzw. 3a versehen sind, die auf ihren Außenseiten die elastischen Beläge 6 bzw. 5 haben. Die beiden Halbschalen 1 und 2 werden miteinander gasdicht verschweißt. Dabei wird an geeigneter Stelle die Möglichkeit einer Druckgaszufuhr angebracht. Der zwischen den Trennwänden 3a und 3b gebildete Innenraum bildet folglich die erste mit Druckgas befüllte Kammer 3. Die Fluidkammer wird bei dieser Ausführungsform durch zwei Einzelkammern 13 und 14 gebildet, die in geeigneter Weise über nicht näher gezeigte Fluidleitungen miteinander verbunden sind. Die Trennwände 3a und 3b und die mit ihnen verbundenen elastischen Beläge 5 und 6 mit den Einsätzen 7 und 8 sind spiegelbildlich ausgebildet.
In der 3 ist auszugsweise die Verbindung der beiden Halbschalen 1 und 2 durch die Schweißnaht 18 angezeigt, sowie die Druckgasöffnung 9 durch die ^Druckgas in die Kammer 3 eingeführt wird und die nach Befüllung durch einen
Stopfen verschlossen wird. Sichtbar ist auf der 3 auch die Einbindung der Ränder 23 und 24 der Trennwände 3a und 3b, die zwischen die Ränder der Halbschalen 1 und 2 eingeklemmt und vorher an den Rändern verschweißt worden sind. Die Beläge 5 und 6 sowie die Trennwände 3a und 3b sind in 3 in einer geometrischen Ausführung dargestellt, die in einigen Anwendungsfällen die Herstellbarkeit der Beläge erleichtert. Das sichtbar kleinere Gasvolumen in der Kammer 3 ist bei gleichbleibender Beweglichkeit der Trennwände 3a und 3b aus thermodynamischen Gründen vorteilhaft.
Die 4 zeigt die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Druckgaskammer 3 aus zwei miteinander verschweißten Trennwänden 3a und 3b gebildet worden ist, sodass eine Art Druckdose entsteht. Diese Druckdose ist rundherum von dem elastischen Belag 5, 6 eingefasst und wirkt beidseitig auf die Einzelkammern 13 und 14 der Fluidkammer. Die beiden Halbschalen 1 und 2 sind miteinander wie oben schon ausgeführt verschweißt. In die Druckdose wird vor ihrem Verschleißen ein Treibmittel eingefügt, das erst nach Einbau der Druckdose in den Druckspeicher 20 in Wirkung tritt. Der in der Druckdose herrschende Druck dehnt beide Trennwände 3a und 3b in vertikaler Richtung aus, so dass der Druckspeicher seine Wirkung entfalten kann. Die elastischen Beläge 5 und 6 legen sich bei vollständiger Entleerung der Einzelkammern 13 und 14 an den Druckbehälterschalen 1 und 2 an. Dadurch wird der Innendruck der Dose auf den Druckbehälter übertragen und es entsteht keine Druckdifferenz, welche die Trennwände 3a bzw. 3b überlasten kann.
Wird der hydraulische Speicher bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen eingesetzt, wie es gerade in Kraftfahrzeugen der Fall ist, so ist es aus thermodynamischen Gründen vorteilhaft, wenn der Quotient ΔV/V₀ aus dem durch die Bewegung der Membran veränderlichen Volumen ΔV und dem kleinstmöglichen Gasvolumen V₀ möglichst groß wird. Dies lässt sich, wie in 5 gezeigt, durch einen Verdrängungskörper erreichen, der in die Druckgaskammer eingesetzt wird und somit das Gasvolumen V₀ reduziert. Ein solcher Verdrängungskörper kann z. B. aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Weitere Materialien sind ebenfalls denkbar, Der Verdrängungskörper sollte möglichst wenig Gas in sich aufnehmen können.

Claims

Hydropneumatischer Druckspeicher (20) mit einem Druckbehälter (21) mit zwei durch eine Trennwand (3a, 3b) voneinander getrennten Kammern (3, 14), von denen die erste Kammer (3) mit einem Druckgas gefüllt ist und die zweite Kammer (14) mit einem hydraulischen Kreislauf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (3a, 3b) aus wenigstens einer rotationssymmetrischen Metallmembran besteht, die konzentrische Wellungen (4) hat und die auf ihrer zum hydraulischen Fluid weisende Oberfläche (16) mit einem elastischen Belag (5, 6) versehen ist.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Belag (5, 6) in seiner Außenkontur an die Innenkontur des Druckbehälters (21) angepasst ist.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Belag (5, 6) in seiner Innenkontur an die Außenkontur der Metallmembran (3a, 3b) angepasst ist.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ist, dass der elastische Belag (5, 6) mit die Anschlußöffnungen (9, 10) für die Druckgasbefüllung bzw. das hydraulische Fluid überdeckenden Einsätzen (7, 8) versehen ist.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (21) aus zwei an ihren Rändern miteinander verbundenen Halbschalen (1, 2) besteht.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die die Druckgaskammer (3) bildende Halbschale (1) ein Verdrängungskörper (30) eingefügt ist.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (3a, 3b) aus zwei spiegelbildlich angeordneten rotationssymmetrischen Metallmembranen besteht, deren Innenraum die erste mit Druckgas befüllte Kammer (3) darstellt.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer aus zwei Einzelkammern (13, 14) gebildet ist, die durch Fluidleitungen miteinander verbunden sind.
Hydropneumatischer Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (3) ein nach außen abgeschlossener Raum ist, dessen Befüllung mit Druckgas über ein vor dem Verschließen der Druckkammer (3) darin eingefügtes Treibmittel erfolgt, dessen Zersetzungsreaktion erst nach dem Verschließen der Druckkammer (3) eingeleitet wird.