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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einer Flüssigkeit.
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Beim Fördern einer Flüssigkeit treten in einem stromabwärts einer Pumpe vorgesehenen Rohr Druckpulsationen auf. Die Druckpulsationen werden durch die Pumpe hervorgerufen. Solche Druckpulsationen führen beispielsweise zu einem ungleichmäßigen Massestrom an einer stromabwärts des Rohrs vorgesehenen Düse. Ein ungleichmäßiger Massestrom ist bei vielen Anwendungen unerwünscht. Wenn beispielsweise als Düse ein Beschichtungswerkzeug zur Erzeugung dünner Flussigkeitsschichten verwendet wird, führen die Druckpulsationen zu unerwünschten Variationen in der Dicke der auf ein zu beschichtendes Material aufgetragenen Flüssigkeitsschicht.
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Auch beim Einspritzen von Flüssigkraftstoff bei Brennkraftmaschinen sind die vorgenannten Druckpulsationen unerwünscht. Aus der
DE 698 04 346 T2 ist ein Dämpfer zur Verminderung derartiger Druckpulsationen bekannt. Der bekannte Dampfer hat keine besonders gute Dampfungswirkung und erfordert einen relativ hohen Herstellungsaufwand.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine möglichst einfach herstellbare Vorrichtung angegeben werden, mit der Druckpulsationen in einer Flüssigkeit mit einer hohen Effizienz gedämpft werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13 und 15 und 16.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen in einer Flüssigkeit vorgesehen, mit
einem Rohr zum Führen der von einer Pumpe geförderten Flüssigkeit, und
einem das Rohr zumindest abschnittsweise umgebenden und mit einer Außenseite des Rohrs gasdicht verbundenen Gehäuse,
wobei das Rohr aus einem elastischen Werkstoff hergestellt ist, so dass die Druckpulsationen in der Flüssigkeit eine elastische Formänderung des Rohrs bewirken.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist einfach aufgebaut. Damit können in hervorragender Weise Druckpulsationen in einer Flüssigkeit vollständig gedämpft werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff ”Rohr” ein durchströmbares kanal- oder schlauchartiges Gebilde verstanden. Das Rohr ist aus einem ”elastischen Werkstoff”, insbesondere aus einem elastischen Kunststoff, hergestellt. Dabei ist die Elastizität des Werkstoffs so ausgewählt, dass die im Rohr auftretenden Druckpulsationen zu einer elastischen Formänderung des Rohrs führen. Das Rohr ist von einem, vorzugsweise starren bzw. formstabilen, Gehäuse umgeben. Das Gehäuse ist gasdicht mit einer Außenwand des Rohrs verbunden. Infolgedessen bewirkt eine elastische Formänderung des Rohrs eine Kompression eines Gases, welches in einem zwischen einer Außenwand des Rohrs und dem Gehäuse gebildeten Gasdruckraum aufgenommen ist. Durch die elastische Form- bzw. Volumenänderung des Rohrs sowie die Kompression des Gases werden die Druckpulsationen im Rohr effektiv gedämpft.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Gasdruck in dem zwischen dem Rohr und dem Gehäuse befindlichen Gasdruckraum auf einen Wert im Bereich des 0,5- bis 1,5-Fachen eines Maximalwerts des im Rohr herrschenden Flüssigkeitsdrucks eingestellt. Zweckmäßigerweise ist der Gasdruck auf das 0,8- bis 1,2-Fache des Maximalwerts des Flüssigkeitsdrucks eingestellt. Mit dem vorgeschlagenen Gasdruck kann eine besonders effektive Dämpfung der Druckpulsationen im Rohr erreicht werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Gehäuse ein Ventil zum Befüllen des Gasdruckraums mit Gas vorgesehen. Durch ein solches Ventil kann der Gasdruckraum beispielsweise mit Druckluft beaufschlagt und ein vorgegebener Druckwert eingestellt werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rohr als Wellrohr ausgebildet. Ferner kann das Gehäuse als ein das Rohr umgebendes äußeres Rohr ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Gasdruckraum also ein Ringraum, welcher das Rohr umgibt. Es ergibt sich in diesem Fall eine besonders lange Dämpfungsstrecke. Die Ausbildung des Rohrs als Wellrohr hat den Vorteil, dass damit eine besonders große Kontaktfläche zwischen dem Gasdruckraum und dem Rohr bereitgestellt werden kann. Damit kann die Dämpfung der Druckpulsationen verbessert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das Wellrohr Wellen mit einer auf die Frequenz der Druckpulsationen abgestimmten Wellenlänge auf. D. h. eine Wellenlänge der das Wellrohr bildenden Wellen ist so gewählt, dass damit die Druckpulsationen besonders effektiv gedämpft werden können. Infolge des Vorsehens einer bestimmten Wellenlänge weist das Rohr eine Eigenfrequenz auf, welche mit einer von der Pumpe erzeugten Frequenz der Druckpulsationen so überlagert werden kann, dass die Dämpfungswirkung maximal ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Lange des Wellrohrs auf die Frequenz der Druckpulsationen abgestimmt. Auch die Länge des Wellrohrs insgesamt entspricht einer weiteren Eigenfrequenz. Auch diese weitere Eigenfrequenz ist zweckmäßigerweise so auf die Frequenz der Druckpulsationen abgestimmt, dass eine maximale Dämpfungswirkung erreicht wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind im Bereich von Wellentälern und/oder Wellenbergen der Wellen Versteifungsstrukturen vorgesehen. Derartige Versteifungsstrukturen haben die Funktion, im Wesentlichen die Form des Wellrohrs aufrechtzuerhalten. Die Versteifungsstrukturen können beispielsweise in Form von Materialverdickungen, Materialverstärkungenstärkungen oder dgl. ausgeführt sein. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als Versteifungsstrukturen im Bereich der Wellentäler die Außenseite des Wellrohrs umgreifende erste Ringe vorgesehen. Bei den ersten Ringen kann es sich um aus Metall oder Kunststoff hergestellte Ringe handeln, deren Innendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des Wellrohrs im Bereich der Wellentaler entspricht. Das Vorsehen derartiger Versteifungsstrukturen trägt u. a. dazu bei, dass die Lage der Wellentäler, insbesondere deren Abstand, im Wesentlichen unverändert bleibt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Einrichtung zur Änderung der Länge des Rohrs in Axialrichtung vorgesehen sein. Damit kann z. B. durch Stauchung eines glatten Rohrs in Axialrichtung, vorzugsweise reversibel, ein Wellrohr hergestellt werden. Sofern an der Außenseite des glatten Rohrs Versteifungsstrukturen vorgesehen sind, kann damit im Falle der Stauchung beispielsweise die Lage der Wellentäler vorgegeben werden. Die vorgeschlagene Einrichtung hat den Vorteil, dass damit das Wellrohr wahlweise durch Aufhebung der Stauchung in ein glattes Rohr überführt werden kann. Das ermöglicht eine besonders einfache Reinigung des Rohrs durch Spülen mittels einer Spülflüssigkeit. Damit kann die vorgeschlagene Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen schnell und einfach auf eine Verwendung einer anderen Flüssigkeiten umgestellt werden.
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Bei der Einrichtung zur Änderung der Länge des Rohrs kann eine äußere Rohranordnung beispielsweise teleskopartig in ihrer Lange veränderbar sein. Durch ein Verlängern der äußeren Rohranordnung kann z. B. ein an dessen beiden Enden fixiertes Wellrohr gestreckt und in das im Wesentlichen glatte Rohr überführt werden. D. h. es kann auch ein Wellrohr entgegen seiner Elastizität mittels der Einrichtung zur Änderung der Länge des Rohrs in ein im Wesentlichen glattes Rohr überführt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind als Versteifungsstrukturen im Bereich der Wellenberge an der Innenseite des Wellrohrs anliegende zweite Ringe vorgesehen. Derartige Versteifungsstrukturen wirken einem Kollaps des Wellrohrs bei einem übermäßigen Druck im Gasdruckraum entgegen. Die zweiten Ringe können ebenso wie die ersten Ringe aus Metall oder Kunststoff hergestellt sein. Ein Außendurchmesser der zweiten Ringe entspricht etwa einem Innendurchmesser des Wellrohrs im Bereich der Wellenberge.
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Die ersten und/oder zweiten Ringe können einfach durch Überstreifen und/oder Einsetzen in das Wellrohr montiert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wellrohr aus PVC, vorzugsweise aus Weich-PVC, hergestellt. Das äußere Rohr oder die äußere Rohranordnung ist zweckmäßigerweise aus einem mit faserverstärktem Druckluftschlauch gebildet oder aus Metall hergestellt. Auch andere Materialien können zur Herstellung des äußeren Rohrs bzw. der äußeren Rohranordnung verwendet werden. – Eine weitere Elastizitat des zur Herstellung des Gehäuses bzw. des äußeren Rohrs bzw. der äußeren Rohranordnung verwendeten Materials ist geringer als die Elastizität des zur Herstellung des Rohrs verwendeten Materials.
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Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Anordnung zum Zuführen einer Flüssigkeit vorgesehen, bei der einer Druckpulsationen erzeugenden Pumpe stromabwärts eine erfindungsgemäße Vorrichtung nachgeschaltet ist. Der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann stromabwärts eine Düse nachgeschaltet sein. Es kann sich dabei beispielsweise um die Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine oder auch ein Beschichtungswerkzeug handeln.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine erste Vorrichtung,
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2 eine Detailansicht gemäß 1,
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3 eine schematische Schnittansicht durch eine zweite Vorrichtung,
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4 eine Detailansicht gemäß 3,
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5 eine Seitenansicht eines Rohrs einer dritten Vorrichtung im gestreckten Zustand und
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6 eine Seitenansicht gemäß 5 mit gestauchtem Rohr.
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In den Figuren ist mit dem Bezugszeichen 1 ein erstes Wellrohr bezeichnet, welches von einem äußeren Rohr 2 umgeben ist. Das erste Wellrohr 1 ist aus einem elastischen Kunststoff, beispielsweise Weich-PVC, hergestellt. Das äußere Rohr ist dagegen aus einem im Wesentlichen starren Material gebildet. Dabei kann es sich um Metall, Kunststoff oder auch einen mit Fasern verstärkten Druckluftschlauch handeln. Zwischen dem ersten Wellrohr 1 und dem äußeren Rohr 2 ist ein Gasdruckraum 3 gebildet. Mit dem Bezugszeichen 4 sind Anschlussstücke bezeichnet, bei denen ein inneres Anschlusselement 5 flüssigkeitsdicht mit dem Wellrohr 1 und ein äußeres Anschlusselement 6 gasdicht mit dem äußeren Rohr 2 verbunden sind. Die Anschlussstücke 4 können beispielsweise aus Metall hergestellt sein.
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Eine Wand des ersten Wellrohrs 1 ist aus Wellen 7 gebildet, deren Wellenlänge mit λ bezeichnet ist. Eine Länge des ersten Wellrohrs 1 ist mit dem Bezugszeichen L bezeichnet. Eine erste Eigenfrequenz des ersten Wellrohrs 1 wird durch dessen Länge L bestimmt. Eine zweite Eigenfrequenz des ersten Wellrohrs 1 wird durch die Anzahl der Wellen 7 bzw. deren Wellenlänge λ bestimmt. Die erste und die zweite Eigenfrequenz des ersten Wellrohrs 1 können nun bezüglich der im ersten Wellrohr 1 herrschenden Druckpulsationen so eingestellt werden, dass diese praktisch vollständig gedämpft werden. Dabei wird ein im Gasdruckraum 3 herrschender Gasdruck zweckmäßigerweise auf einen Wert eingestellt, welcher einen mittleren Maximalwert des im ersten Wellrohr 1 herrschenden Flüssigkeitsdrucks entspricht. Als Gas kann Luft verwendet werden. Falls es sich bei der geförderten Flüssigkeit um eine brennbare Flüssigkeit handelt, wird zweckmäßigerweise ein nicht reaktives Gas, z. B. Stickstoff oder dgl., verwendet. Das Gas kann durch ein hier nicht näher gezeigtes Ventil, welches einen Zufuhrkanal 8 verschließt, zugeführt werden.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, kann der Vorrichtung stromaufwärts eine Pumpe P und stromabwärts eine Duse D nachgeschaltet sein.
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Die 3 und 4 zeigen Schnittansichten einer zweiten Vorrichtung. Die zweite Vorrichtung ist ähnlich zur ersten Vorrichtung aufgebaut. In Wellentäler der Wellen 7 des ersten Wellrohrs 1 sind erste Ringe 9 eingelegt, welche beispielsweise aus Kunststoff oder Metall hergestellt sein konnen. Die ersten Ringe 9 weisen einen Innendurchmesser auf, der etwa einem Außendurchmesser des ersten Wellrohrs 1 im Bereich der Wellentäler entspricht. Mit dem Bezugszeichen 10 sind zweite Ringe bezeichnet, welche gegen eine Innenwand des ersten Wellrohrs 1 im Bereich der Wellenberge anliegen. Ein Außendurchmesser der zweiten Ringe 10 entspricht etwa einem Innendurchmesser des ersten Wellrohrs 1 im Bereich der Wellenberge. Das Vorsehen der ersten 9 und der zweiten Ringe 10 dient der Formstabilisierung des ersten Wellrohrs 1. Im Falle eines übermäßig hohen Drucks im Gasdruckraum 3 wird das erste Wellrohr 1 durch die Wirkung der zweiten Ringe 10, welche ebenfalls aus Kunststoff oder Metall hergestellt sein können, gegen ein Kollabieren stabilisiert. Im Falle eines übermäßigen Überdrucks innerhalb des ersten Wellrohrs 1 wird das erste Wellrohr 1 in seiner Ausdehnung durch die Wirkung der ersten Ringe 9 stabilisiert.
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Die ersten 9 und die zweiten Ringe 10 dienen nicht nur der Stabilisierung des ersten Wellrohrs 1, sie dienen auch der Lagefixierung der Wellenberge und Wellentäler. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die ersten 9 und die zweiten Ringe 10 jeweils mit der Wellenlänge λ voneinander beabstandet in den Wellentälern bzw. Wellenbergen angeordnet.
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Die 5 und 6 zeigen teilweise Seitenansichten einer dritten Vorrichtung. Dabei ist zwischen den Anschlussstücken 4 ein glattes Rohr 11 angebracht, welches aus einem elastischen Material hergestellt ist. An einer Außenwand des Rohrs 11 sind mit einem gleichmäßigen Abstand erste Ringe 9 angebracht. Die ersten Ringe 9 sind zweckmäßigerweise fest mit der Außenwand des Rohrs 11 verbunden. Anstelle der ersten Ringe 9 kann die Wand des Rohrs 11 auch entsprechende Versteifungen oder Verdickungen aufweisen, welche einer Aufweitung eines Rohrradius entgegenwirken. Das Rohr 11 kann von einer (hier nicht gezeigten) äußeren Rohranordnung umgeben sein, welche beispielsweise teleskopartig in ihrer Länge veränderbar ist.
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Bei einer Verkürzung der Länge der äußeren Rohranordnung ergibt sich für das Rohr 11 der in 6 gezeigte gestauchte Zustand, bei dem das Rohr 11 nunmehr in Form eines zweiten Wellrohrs 11a vorliegt. Dabei ist ein Betrag der Stauchung des Rohrs 11 so gewählt, dass das zweite Wellrohr 11a im gestauchten Zustand die vorgegebene Wellenlänge λ aufweist.
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In Anlehnung an das in 5 und 6 gezeigte Ausführungsbeispiel ist es selbstverständlich auch möglich, beispielsweise bei der in den 1 und 2 gezeigten ersten Vorrichtung anstelle des äußeren starren Rohrs 2 eine äußere Rohranordnung zu verwenden, deren Länge geändert werden kann. In diesem Fall kann das erste Wellrohr 1 gestreckt werden, so dass es ähnlich wie das Rohr 11 eine im Wesentlichen glatte Innenwandung aufweist. In diesem Zustand lässt sich das Rohr 11 leicht durchspülen und reinigen. Es wird insbesondere eine unerwünschte Materialablagerung innerhalb der Wellentäler des ersten Wellrohrs 1 oder des zweiten Wellrohrs 11a vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Wellrohr
- 2
- äußeres Rohr
- 3
- Gasdruckraum
- 4
- Anschlussstuck
- 5
- inneres Anschlusselement
- 6
- äußeres Anschlusselement
- 7
- Welle
- 8
- Zuführkanal
- 9
- erster Ring
- 10
- zweiter Ring
- 11
- Rohr
- 11a
- zweites Wellrohr
- D
- Düse
- L
- Länge
- P
- Pumpe
- λ
- Wellenlänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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