DE19835222A1 - Druckbehälter mit einer eingeschlossenen Gasmasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter entsprechend dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.

Eingeschlossene Gasmassen werden u. a. dort eingesetzt, wo ein Medium unter Druck gesetzt und gehalten werden soll, aber keine Vermischung mit einem offenen Druck­ fluid eingehen darf. Eine verbreitete Anwendung liegt bei Kolben-Zylinderaggregaten wie Schwingungsdämpfer vor. Ein solcher Schwingungsdämpfer mit einer eingeschlos­ senen Gasmasse ist beispielsweise aus der US 3 294 391 bekannt. Die eingeschlossene Gasmasse dient zur Kompensation des Volumens der in den Schwingungsdämpfer ein­ tauchenden Kolbenstange bzw. des Kolbens.

Ein Problem bei einer solchen eingeschlossenen Gasmasse ist darin zu sehen, daß das Gas aus dem Hüllkörper in das Dämpfmedium des Schwingungsdämpfers durch die Wandung des Hüllkörpers diffundiert. Wird ein bestimmter Gasaustritt erreicht, so ist z. B. der Schwingungsdämpfer in seiner Funktion eingeschränkt oder gar untauglich. Eine Möglichkeit die geschilderte Fehlfunktion zu vermindern liegt darin, daß bestimmte Füll­ gase wie Stickstoff verwendet werden. Aber auch Stickstoff diffundiert durch die übli­ chen Hüllkörper, die häufig aus einem Gummimaterial oder Elasotmer bestehen, insbe­ sondere bei höheren Temperaturen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine eingeschlossene Gasmasse zu realisieren, die allgemein einsetzbar ist, eine möglichst exakt bestimmte Gasmasse aufweist, auf­ füllbar ist und eine geringere Neigung zum Ausgasen aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Bisherige Wandungen aus Gummi oder anderen Elastomeren kann man nicht als Sperr­ schicht, sondern höchstens als Trennschicht bezeichnen. Die mehrlagige Wandung des Hüllkörpers erhöht die Sperrwirkung, indem sich die einzelnen Schichten überlagern und gegenseitig abzustützen. Wird der Hüllkörper als ein ebenes Kissen hergestellt, so kann man für einen gekrümmten Einbauraum auch vorgeformte Hüllkörper einsetzen.

Dabei ist vorgesehen, daß die Wandung im Betrieb formveränderlich und im wesentli­ chen dehnungsfrei ist. Eine große Dehnung ist im bildlichen Sinne auch mit Undichtig­ keiten verbunden, da sehr dehnfähige Werkstoffe größere Abstände zwischen den ein­ zelnen Molekülen oder geringere Kräfte zwischen den Molekülen aufweisen.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, daß als Werkstoff für die Wandung eine Me­ tallfolie eingesetzt wird. Eine Metallfolie ist als nahezu diffunsionsdicht anzusehen und temperaturbeständiger als bisherige Gummiwerkstoffe.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn als Werkstoff für die Metallfo­ lie Aluminium eingesetzt wird. Aluminium läßt sich mit Vertretbarem Aufwand ohne Fehlstellen extrem dünn auswalzen.

Um die eingeschlossene Gasmasse einfach und zuverlässig verschließen zu können ist die Metallfolie zum Inneren mit einer verschweißbaren Werkstofflage beschichtet ist. Als mögliche Werkstoffe kommen beispielsweise PE, PP und PA in Frage.

Des weiteren hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Metallfolie außen­ seitig mit einer Schutzlage überzogen ist. Die Schutzlage erhöht deutlich die mechani­ schen Eigenschaften der Folie, insbesondere die Knitterbildung und die Reißfestigkeit. Man kann für die Schutzfolie beispielsweise PET oder auch PA verwenden.

Im Hinblick auf eine möglichst große Festigkeit und Formstabilität besteht die innenlie­ gende Werkstofflage der Wandung aus mehreren Einzelschichten, die wiederum kreuz­ weise zueinander angeordnet sind. Man kompensiert Eigenspannungen in der Folie, die zusätzlich ein- oder zweidimensional gereckt sein kann, damit bei einem geringen Druckunterschied kein ungewollter Verzug der eingeschlossene Gasmasse auftritt.

Der Hüllkörper soll möglichst flexibel sein. Dafür wird eine dünne Metallfolie eingesetzt. Zum Ausgleich für die reduzierte Festigkeit der Metallfolie kommt eine Tragschicht zur Anwendung, die der Metallfolie beigeordnet ist. Die Tragschicht ist zwischen der Metall­ folie und der innenliegenden Werkstofflage angeordnet. Die innenliegende Werkstoff­ lage wird u. a. für den Schweißvorgang benötigt. Dabei kann die Tragschicht als Schutz­ schicht für die Metallfolie dienen.

Um sämtliche Schichten des Hüllkörpers zuverlässig zu einer zusammenhängenden Wandung werden zu lassen, werden Klebeschichten zwischen den einzelnen Funktions­ schichten ausgeführt.

Um die eingeschlossene Gasmasse mit einem vertretbaren Aufwand zu verschließen, wird die Wandung an den Rändern verschweißt. U. a. hat es sich in diesem Zusammen­ hang als vorteilhaft erwiesen, wenn der Hüllkörper aus mehreren Einzelteilen zusam­ mengesetzt ist. Man kann die Teile des Hüllkörpers so gestalten, daß im Bereich einer Falte des Hüllkörpers keine Schweißnähte ausgeführt werden müssen, die dort eine er­ hebliche Materialbeanspruchung mit sich bringen würden.

So ist bei einer Variante vorgesehen, daß der Hüllkörper von einem endseitig verschlos­ senen Schlauchkörper gebildet wird. Der Schlauch läßt sich leicht schichtweise extrudie­ ren und mit einer Metallschicht bedampfen. Je nach Verwendungszweck bzw. Raum­ form des Druckbehälters kann der Schlauchkörper von einem Deckel und/oder einem Boden verschlossen werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist der Hüllkörper abschnittsweise verlaufende Verbindungen zwischen mindestens zwei gegenüberliegenden Wandungen auf. Man erreicht eine erhöhte Formstabilität und eine bessere Biegsamkeit der eingeschlossenen Gasmasse, die je nach Anwendung z. B. die Montage der eingeschlossenen Gasmasse nachhaltig erleichtert und die Spannungen in der Wandung reduziert. So sind beim Hüllkörper die abschnittsweise verlaufenden Verbindungen bei einer zumindest bogen­ förmigen Einbaulage parallel zur Mittelachse der Einbaulage ausgerichtet.

Für eine Gasfüllung weist der Hüllkörper einen Füllanschluß auf. Vorteilhafterweise dich­ tet der Füllanschluß beim Füllvorgang eine Füllöffnung in dem unter Druck stehenden Behälter ab. Dieser Selbstabdichteffekt erleichtert den Füllvorgang, insbesondere Maß­ nahmen gegen eine Leckage des Behälters.

Der Füllanschluß besteht aus einem Flansch, der innen am Hüllkörper anliegt. Der Flansch ermöglicht den Einsatz einer Fülleinheit, z. B. einer Injektionsnadel für die Befül­ lung. Des weiteren ist der Flansch mit Abstandhalter zu der gegenüberliegenden Wan­ dung versehen, um ein Anliegen dieser Wandung am Füllanschluß zu vermeiden. Kle­ beeffekte wären dann nicht auszuschließen, die wiederum eine unnötige mechanische Belastung des Gesamtbauteils bedeuten würden.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Anwendungsbeispiel der eingeschlossene Gasmasse bei einem Schwin­ gungsdämpfer,

Fig. 2. Schnitt durch den Schwingungsdämpfer und die eingeschlossene Gasmasse,

Fig. 3a, 3b Schnitt durch die Wandung des Hüllkörpers,

Fig. 4 Ansicht der eingeschlossene Gasmasse,

Fig. 5 und 6 Varianten von Hüllkörpern,

Fig. 7 Füllanschluß der eingeschlossene Gasmasse als Einzelteil,

Fig. 8 Einrohrschwingungsdämpfer mit einer eingeschlossenen Gasmasse.

Die Fig. 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.

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 einer eingeschlossenen Gasmasse 19 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.

Bei einer Kolbenstangenbewegung wird das verdrängte Kolbenstangenvolumen durch eine Volumenänderung der eingeschlossene Gasmasse ausgeglichen.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Schwingungsdämpfer 1 im Bereich der einge­ schlossenen Gasmasse 19. Die eingeschlossene Gasmasse besteht aus einem Hüllkör­ per 27 mit einer Wandung 29, die mit einem Gas, insbesondere Stickstoff druckgefüllt ist. Man kann alternativ CO₂ oder bei entsprechend schneller Montage auch ein Flüssig­ gas verwenden. Die Wandung 29 besitzt eine Innenwandung 29i und eine Außenwan­ dung 29a, die wiederum einen Anfang und ein Ende bilden. Bei diesem Anwendungs­ beispiel ist die eingeschlossene Gasmasse kreisbogenförmig in den Ausgleichsraum 17 eingelegt. In der Schnittdarstellung sind in Reihe angeordnete Kammern der einge­ schlossenen Gasmasse erkennbar. Die Kammern werden durch parallel zur Achse des Schwingungsdämpfers verlaufende Verbindungen 27V zwischen der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a gebildet, wobei die Verbindungen nur abschnittsweise ausgeführt sind, so daß alle Kammern miteinander Gas austauschen können und in je­ der Kammer derselbe Betriebsdruck vorliegt. Bei steigendem Betriebsdruck in den Ar­ beitsräumen werden die Kammern der eingeschlossenen Gasmasse komprimiert. Die Wandung verformt sich nicht elastisch, da der Innendruck und der Außendruck gleich sind. Nur die Abstände zwischen den Verbindungen 27V auf dem Teilkreis der Verbin­ dungen vergrößern sich, wodurch die Innen- und die Außenwandung aufeinander zu gedrückt werden.

Zu der eingeschlossenen Gasmasse gehört ein Füllanschluß 31, der über eine Füllöff­ nung 33 im Behälterrohr zugänglich ist. Bei der Montage des Schwingungsdämpfers wird der ungefüllte Hüllkörper in das Behälterrohr 15 eingelegt, wobei der Füllan­ schluß 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 Schwin­ gungsdämpfer geschlossen, kann über eine nicht dargestellte Fülleinheit z. B. Injektions­ nadel die eingeschlossene Gasmasse zugeführt werden. Wird die Injektionsnadel ent­ fernt, so verschließt sich die Einstichöffnung selbsttätig. Die Füllöffnung kann nach dem Befüllen durch eine eingedrückte Kugel 35 verschlossen werden.

In der Fig. 3a ist ein Schnitt durch die Wandung 29 dargestellt, wobei die Innenwan­ dung 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 einge­ schlossene Gas. Nach außen ist die Aluminiumfolie durch eine Schutzfolie 29S beschich­ tet. Diese Schutzfolie fördert die Stabilität, erhöht die Reißfestigkeit und verhindert eine zu starke Knitterbildung. Diese Schicht hat eine Stärke im Bereich der Alufolie und be­ steht beispielsweise aus PET oder Polyamid.

Nach innen verfügt die Wandung über eine verschweißbare Beschichtung 29V. Die ver­ schweißbare 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 kreuz­ weise zueinander aufgetragen. Dadurch erreicht man eine hohe Festigkeit und Form­ stabilität, 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 Siegel­ schweißung für den Hüllkörper vornehmen. Bei einer Siegelschweißung wird die Schutz­ schicht überlappend auf die Schweißschicht gelegt und durch Wärmezufuhr ver­ schweißt.

Die Fig. 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 29. Bei der Verwendung der Tragschicht kann die Metallfolie 29Al bis auf das absolute Minimum reduziert werden. Dadurch wird der Hüllkörper flexibler und be­ kommt gummielastische Eigenschaften. Des weiteren stellt die Tragschicht einen Schutz der Metallfolie beim Schweißvorgang dar. Es muß gesichert sein, daß kein Betriebsme­ dium aus dem Druckbehälter mit der Metallfolie in Kontakt tritt. Je nach Betriebsmedi­ um kann die Metallfolie chemisch angegriffen werden. Es ist anzustreben, die Metallfo­ lie 29AL in die neutrale Fase der Wandung des Hüllkörpers anzuordnen, um die Biege­ beanspruchung zu optimieren.

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. Alternativ können die einzelnen Schichten auch kalandriert werden.

In der Fig. 4 ist ein abgewickeltes Gaskissen 19 dargestellt. Am Rand sind Schweißnäh­ te 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 Fig. 3, benötigt. Aus der Fig. 4 ist auch ersichtlich, warum man eine Innen- und eine Außenwandung verwendet.

In dieser Ansicht sind die besagten Verbindungen 27V erkennbar. Die Verbindungen sind nur abschnittsweise ausgeführt, so daß benachbarte Kammern einen Volumenaus­ tausch vornehmen können. Es müssen nicht unbedingt Verbindungen in Nahtform sein. Einzelne Verbindungspunkte sind ebenfalls denkbar.

Die Fig. 5 zeigt einen Hüllkörper 27, der aus einem zylindrischen Schlauchteil 27s, ei­ nem Hüllkörperboden 27b und einem Hüllkörperdeckel 27d besteht. Die drei Einzelteile sind durch zwei umlaufende Schweißnähte 37 zusammengefaßt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird die Metallfolie beim Herstellungsprozeß auf die tragende Schicht nahtlos aufgespritzt. Es sind Schichtstärken von nur 2 µm vorgesehen.

Die Fig. 6 stellt einen beutelförmigen Hüllkörper 27 mit drei Schweißnähten 37 dar. Wird der Hüllkörper bei der Anwendung kreisringförmig verformt, so wird eine Einbau­ lage angestrebt, bei der die axial verlaufende Schweißnaht auf dem größeren Radius liegt, um eine günstige Faltenbildung am innenliegenden kleineren Radius zu erhalten.

In der Fig. 7 ist der Füllanschluß als Einzelteil dargestellt. Dar Füllanschluß 31 besteht im wesentlichen aus einem Flansch 39, der innen an der Außenwandung anliegt. Abstand­ halter 41 am Flansch 39 sind in Richtung der Innenwandung ausgeführt. Die Abstand­ halter sollen verhindern, daß die Innenwandung am Flansch an klebt und damit den Füll­ vorgang erschwert. Der Füllkanal 31a kann offen, verschießbar oder als Ventil ausge­ führt sein. Zur besseren Abdichtung kann der Flansch 39 mit einem O-Ring 43 versehen werden. Durch den Betriebsdruck in dem Druckbehälter wird der Hüllkörper stets in Füllöffnung des Druckbehälters vorgespannt, so daß damit die Dichtwirkung des O-Rings gesichert ist.

Die beschriebene Anwendung beim Schwingungsdämpfer ist nur beispielhaft zu bewer­ ten. 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 Fe­ derelementen eingesetzt wird. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei einem Einrohrdämp­ fer als Ersatz für den Ausgleichsraum, ist ein Anschlag 45 vorzusehen, der den Auftrieb des Hüllkörpers verhindert. Der Einrohrschwingungsdämpfer besteht im wesentlichen aus denselben Bauteilen wie der Schwingungsdämpfer in Zweirohrbauweise nach der Fig. 1, wobei identische Bauteile dieselben Bezugsziffern tragen. Als Anschlag kann man beispielsweise einen eingespannten Ring, oder soweit vorhanden, Bodenventil 25 ver­ wenden.

Claims (20)

1. Druckbehälter, der mit einem mindestens einem Medium gefüllt ist, das von einer in einem formveränderlichen Hüllkörper eingeschlossene Gasmasse vorgespannt ist, insbesondere zum Volumenausgleich bei einem Schwingungsdämpfer, umfassend eine Wandung, in der ein unter Druck stehen des Gas eingeschlossen ist, wobei die Wandung des Hüllkörpers zumindest teilweise aus einer gasdichten Sperrschicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (29) mehrlagig aufgebaut ist.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (29) im Betrieb formveränderlich und im wesentlichen dehnungs­ frei ist.

3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (29) von einer Metallfolie (29Al) gebildet wird.

4. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Metallfolie (29Al) Aluminium eingesetzt wird.

5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (29Al) zum Kisseninnenraum mit einer verschweißbaren Werk­ stofflage (29V) beschichtet ist.

6. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (29Al) mindestens außenseitig mit einer Schutzlage (29S) über­ zogen ist.

7. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegende Werkstofflage (29V) der Wandung (29) aus mehreren Einzel­ schichten besteht, die wiederum kreuzweise zueinander angeordnet sind.

8. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfolie (29Al) eine Tragschicht (29T) beigeordnet ist.

9. Druckbehälter nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (29T) zwischen der Metallfolie (29Al) und der innenliegenden Werkstofflage (29V) angeordnet ist.

10. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zwei Schichten des Hüllkörpers (27) eine Klebe­ schicht (29K) ausgeführt ist.

11. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung an den Rändern (37) verschweißt ist.

12. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 oder 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (27) aus mehreren Einzelteilen (29i; 29a) zusammengesetzt ist.

13. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (27) aus einem endseitig verschlossenen Schlauchkörper besteht.

14. Druckbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauchkörper von einem Boden (27b) und/oder einem Deckel (27d) ver­ schlossen wird.

15. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (27) abschnittsweise verlaufende Verbindungen (27V) zwischen mindestens zwei gegenüberliegenden Wandungen (29a; 29i) aufweist.

16. Druckbehälter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hüllkörper (27) die abschnittsweise verlaufenden Verbindungen (27V) bei einer zumindest bogenförmigen Einbaulage parallel zur Mittelachse der Einbaulage ausgerichtet sind.

17. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (27) einen Füllanschluß (31) aufweist.

18. Druckbehälter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllanschluß (31) beim Füllvorgang eine Füllöffnung (33) in dem unter Druck stehen Behälter abdichtet.

19. Druckbehälter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllanschluß (31) aus einem Flansch besteht (39), der innen am Hüllkör­ per (27) anliegt.

20. Druckbehälter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (39) mit Abstandhalter (41) zu der gegenüberliegenden Wandung versehen ist.