DE60200511T2

DE60200511T2 - Druckspeicher mit Sicherheitsventil

Info

Publication number: DE60200511T2
Application number: DE60200511T
Authority: DE
Inventors: Chiharu Yokohama-shi Umetsu; Hiroshi Yokohama-shi Mizukami; Koichiro Yokohama-shi Yamada
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: EP1323928A1; US6810915B2; EP1323928B1; JP2003172301A; US20030116209A1; DE60200511D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckspeicher zum Absorbieren von Druckimpulsen und zum Speichern von Druck in verschiedenen Formen von Fahrzeugbordeinrichtungen, wie z.B. Hydraulikbremsen für Fahrzeuge, und hydraulische Industriemaschinen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Druckspeicher mit einem Druckgefäss, das durch einen Balgen in zwei Kammern unterteilt ist um eine der Kammern mit Hochdruckgas zu füllen sind bekannt. Wenn ein solcher Druckspeicher während längerer Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wie z.B. im Fall eines Feuers, steigt der Innendruck scharf mit der Temperatursteigerung an, und die Hitze kann die Druckwiderstandsfestigkeit soweit beschädigen, dass das Druckgefäss bersten kann.
Um dies zu verhindern wird gemäss der JP Gebrauchsmusterveröffentlichung (kokoku) 06-6241 vorgeschlagen eine Auslassöffnung in dem Druckgefäss vorzusehen, um die Gaskammer mit der Umgebung zu verbinden und eine Schmelzpackung in die Auslassöffnung zu setzen, welche bei einer vorbestimmten Temperatur schmilzt.
Bei einem Druckspeicher mit einer solchen Sicherheitsmassnahme ist die Dichtheit des Druckgefässes im normalen Betrieb durch die Dichtheit der Schmelzpackung bestimmt, die aber nicht in der Lage ist die erwünschte Dichtheit zu gewährleisten. Bei einem solchen Druckgefäss wäre es schwierig, wenn nicht unmöglich, eine Gasleckage aus der Auslassöffnung zu verhindern und einen erwünschten Gasdruck über eine längere Zeitspanne aufrechtzuerhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die erwähnten Probleme des Standes der Technik, ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckspeicher zu schaffen, wie in der Druckschrift JP 11315802 beschrieben und gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1, der das Hochdruckgas im Falle eines Feuers sicher abgeben kann.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Druckspeicher zu schaffen mit einem eingebauten Sicherheitsventil, das in der Lage ist das Hochdruckgas wenn erforderlich abzugeben ohne die Dichtheit des Druckgefässes während dem normalen Betrieb herabzusetzen.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Druckspeicher zu schaffen mit einem eingebauten Sicherheitsventil, das einfach und wirtschaftlich ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben erreicht durch einen Druckspeicher gemäss dem unabhängigen Anspruch 1.
Somit, da das Sicherheitsventil nicht in dem Druckgefäss selbst sondern in dem Stützglied vorgesehen ist, welches sich vollständig in der Flüssigkeitskammer befindet und während dem normalen Betrieb keinem Druckunterschied ausgesetzt ist, kann das Sicherheitsventil gemäss der Erfindung die Dichtheit des Druckgefässes nicht beeinflussen.
Ausserdem ist das Sicherheitsventil normalerweise in Flüssigkeit eingetaucht und Flüssigkeit kann einfacher abgedichtet werden als Gas. Selbst im Falle einer geringen Leckage durch das Sicherheitsventil würde dadurch kein schwerwiegendes Problem entstehen.
Der Balgen kann aus einem im Wesentlichen zylindrischen Balgen bestehen mit einem ersten Axialende, das an der inneren Fläche des Endes des Druckgefässes befestigt ist und einem zweiten Axialende, das durch eine Endplatte verschlossen ist, wobei die Endplatte zum Verschliessen der Verbindungsöffnung in dem vollständig zusammengezogenen Zustand des Balgens dient.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Stützglied ein tassenförmiger Bauteil mit einem offenen Ende, das am Umfang der Flüssigkeitseinlassöffnung innerhalb des Druckgefässes befestigt ist, einer zylindrichen Seitenwand und einem freien Ende, das durch eine Endplatte verschlossen ist, welche mit der Verbindungsöffnung versehen ist, und der Balgen besteht aus einem metallischen Balgen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann das Sicherheitsventil zweckdienlich in der Seitenwand des Stützgliedes angeordnet sein.
Das Sicherheitsventil kann aus einem gewöhnlichen mechanischen Ventil bestehen mit einem Ventilsitz, welcher das Innere des Stützgliedes mit dem Äusseren des Stützgliedes verbindet und mit einem federbelasteten Ventilelement, das den Ventilsitz üblicherweise schliesst. Es kann aber auch aus einem geschwächten Teil des Stützgliedes bestehen damit die Struktur vereinfacht und die Herstellungskosten minimiert werden können. üblicherweise ist der geschwächte Teil ein örtlicher, dünnwandiger Teil des Stützgliedes.
Der geschwächte Teil kann auch aus einer Ringnut bestehen, die sich vollständig um die Seitenwand herum erstreckt. In dem Falle kann die Ringnut sich in einer Ebene befinden, die senkrecht zu der Axiallinie des Stützgliedes ist oder sie kann in einer Ebene liegen, die einen Winkel mit einer Axiallinie des Stützgliedes bildet. Wenn die Ringnut sich in einer Ebene befindet, die einen Winkel mit einer Axiallinie des Stützgliedes bildet, können, wenn der Innendruck in der Gaskammer übermässig ansteigt und die Ringnut bricht, die gegenüberliegenden Ringkanten der beiden Teile des Stützgliedes oberhalb und unterhalb der Ringnut in dieser winkligen Ebene aneinanderlegen, wodurch eine seitliche Bewegung des oberen Teiles des Stützgliedes hervorgerufen wird. Somit wird verhindert, dass die Verbindungsöffnung geschlossen wird und die erforderliche Druckentlastung kann sicher gewährleistet werden.
Entsprechend einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat das Sicherheitsventil ein Loch in dem Stützglied und einen Stopfen aus einem Werkstoff mit verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt ist in das Loch eingesetzt. Dieser Schmelzpunkt ist so gewählt, dass er mindestens niedriger ist als der Werkstoff des Druckgefässes damit der Stopfen wegschmilzt und die Gaskammer über dieses Loch in Verbindung mit der Flüssigkeiteinlassöffnung und dem Kreislauf der Druckflüssigkeit gesetzt wird bevor das Druckgefäss unter einer Hochtemperaturbedingung, wie z.B. eines Feuers, berstet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in der nun folgenden Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben, es zeigen:
1 eine Ansicht im Vertikalschnitt zur Darstellung der allgemeinen Struktur eines Druckspeichers gemäss der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht einer Einzelheit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schnittansicht einer Einzelheit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Schnittansicht einer Einzelheit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 eine Schnittansicht einer Einzelheit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt die wesentliche Struktur eines Druckspeichers gemäss der vorliegenden Erfindung. Der Druckspeicher 1 hat ein Druckgefäss 2, einen Balgen 3, der sich frei ausdehnen und zusammenziehen kann, und ein im Wesentlichen tassenförmiges Stützglied 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen alle Bauteile einschliesslich des Balgens aus rostfreiem Stahl. Die Auswahl anderer Werkstoffe ist jedoch denkbar ohne dadurch von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Einige oder alle Bauteile können auch aus Kunststoffmaterial oder anderen metallischen Werkstoffen hergestellt sein.
Das Druckgefäss 2 ist hergestellt durch Zusammenschweissen mehrerer Bauteile und ist mit einer Flüssigkeitseinlassöffnung 5 an einem Ende desselben versehen zum Anschluss an einen Druckflüssigkeitskreislauf, der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Der metallische Balgen 3 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form oder ist hülsenförmig, und hat ein Basisende, das an der Innenfläche des Endes des Druckgefässes 2 befestigt ist wo die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 in das Druckgefäss mündet und hat eine freies Ende, das durch eine kreisförmige Endplatte 6 verschlossen ist. Demgemäss unterteilt der metallische Balgen 3 das Innere des Druckgefässes 2 in eine Gaskammer 7 in der das Hochdruckgas eingeschlossen ist und eine Flüssigkeitskammer 8, die die Druckflüssigkeit vom Druckflüssigkeitskreislauf über die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 erhält.
Das Stützglied 4 besteht aus einem tassenförmigen Bauteil mit einem offenen Ende, das am Umfang der Flüssigkeitseinlassöffnung 5 im Inneren des Druckgefässes 2 befestigt ist, einer zylindrischen Seitenwand und einer oberen Endplatte 4a mit einer darin vorgesehenen Verbindungsöffnung 9. Das Stützglied 4 befindet sich innerhalb des metallischen Balgens 3 damit die Endplatte 6 des metallischen Balgens 3 in Berührung mit der Endplatte 4a des Stützgliedes 4 kommt um somit die Kontraktionsbewegung des metallischen Balgens 3 zu begrenzen wenn der Balgen 3 völlig zusammengezogen ist. Die Verbindungsöffnung 9 verbindet die Flüssigkeitskammer 8, insbesondere den Teil der Flüssigkeitskammer 8 zwischen dem Stützglied 4 und metallischen Balgen 3, mit dem Druckflüssigkeitskreislauf über die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 des Druckgefässes 2. Die Verbindungsöffnung 9 ist zu verschliessen durch ein nachgiebiges, verformbares Ventilelement 10, das aus Elastomer hergestellt ist und an der Innenfläche der Endplatte 6 des metallischen Balgens 3 befestigt ist, durch Anlage an der oberen Endwand 4a des Stützgliedes 4.
In diesem Druckspeicher 1 dehnt sich der metallische Balgen 3 aus und zieht sich zusammen um einen Ausgleich zu erzielen zwischen dem Flüssigkeitsdruck, der über die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 in die Flüssigkeitskammer 8 eingeleitet wird und dem in der Gaskammer 7 eingeschlossenen Gasdruck. Dementsprechend werden Druckschwankungen, wie sie üblicherweise durch eine Pumpe hervorgerufen werden und vorübergehende Druckänderungen aufgrund des inneren Volumens der Gaskammer 7 absorbiert. Wenn der metallische Balgen 3 sich bei einem Druckabfall in der Flüssigkeitskammer zusammenzieht legt sich das Ventilelement 10, das an der Endscheibe 6 angeordnet ist gegen den Umfang der Verbindungsöffnung 9 in dem Stützglied 4 an und verschliesst die Verbindungsöffnung 9. Dadurch wird eine Abdichtung erzielt, welche verhindert, dass der Druck in der Flüssigkeitskammer unter den Druck in der Gaskammer 7 fallen kann.
Die Gaskammer 7 des Druckspeichers 1 ist vollständig durch Schweissen hergestellt und somit kann die Möglichkeit einer Gasleckage während dem Betrieb im Wesentlichen ausgeschlossen werden. Demgemäss kann die erwünschte Wirkungsweise während einer längeren Zeitdauer aufrechterhalten werden. Auf der anderen Seite kann dieser hohe Dichtheitsgrad zu einem Nachteil werden wenn der Druckspeicher einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, wie sie z.B. bei einem Feuer auftreten kann.
Es ist zu erwähnen, dass das Druckgefäss 2 mit einem bestimmten Sicherheitsfaktor konstruiert ist damit das Druckgefäss 2 dem Innendruck sicher und unbegrenzt während dem Betrieb widerstehen kann und auch mindestens während einer kurzen Zeitdauer selbst wenn der Druckspeicher einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Aber, im Falle eines Fahrzeugfeuers, da ein Kraftstoff mit hohem Brennwert, wie z.B. Benzin, oft während einer längeren Zeitdauer brennt, kann die dadurch entstehende Wärme die Eigenschaft des Druckgefässes 2 dem Druck zu widerstehen soweit beschädigen, dass das Druckgefäss 2 dem scharfen Anstieg des Innendruckes nicht mehr standhalten kann, und trotz des Sicherheitsfaktors bersten kann.
Um zu vermeiden, dass eine solche unerwünschte Bedingung auftreten kann, ist es notwendig das Hochdruckgas aus der Gaskammer 7 abzulassen bevor das Druckgefäss 2 berstet. Aufgrund einer solchen Überlegung, ist, gemäss der vorliegenden Erfindung, die Festigkeit des metallischen Balgens 3 zum Widerstehen des Druckes geringer eingestellt als diejenige des Druckgefässes 2, und die Seitenwand des Stützgliedes 4 ist mit einem Sicherheitsventil versehen zum Ablassen des Innendruckes aus der Flüssigkeitskammer 8 zu der Flüssigkeitseinlassöffnung 5.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss der 1 besteht das Sicherheitsventil aus einem geschächten Teil 11, der aus einer kreisförmigen Aussparung mit einem Durchmesser von 10 mm besteht, die in die Seitenwand des Stützgliedes 4 eingefräst ist, um eine Wandstärke von etwa 1 mm stehen zu lassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel, wenn der Innendruck in der Gaskammer 7 bis über einen vorbestimmten Wert ansteigt und der Innendruck in der Flüssigkeitskammer 8 drauf hin ebenfalls ansteigt, verursacht dieser Druck das Bersten des geschwächten Teiles 11 der Seitenwand des Stützgliedes 4 sowie auch ein Aufreissen des metallischen Balgens 3. Dadurch wird die Abdichtung zwischen der Gaskammer 7 und der Flüssigkeitskammer 8 aufgebrochen und das Hochdruckgas kann sicher in den Öldruckkreislauf abgegeben werden durch den aufgebrochenen, geschwächten Teil 11 und die Flüssigkeitseinlassöffnung 5, wodurch das Bersten des Druckgefässes 2 verhindert wird.
Wenn der geschwächte Teil 11 zu klein ist könnte es vorkommen, dass der metallische Balgen 4 nicht aufreisst und die erwünschte Druckminderung könnte nicht erreicht werden. Dementsprechend ist der Durchmesser des geschwächten Teiles 11 in geeigneter Weise zu bestimmen, entsprechend der Druckwiderstandsfestigkeit des metallischen Balgens 3 und dem Druck des eingeschlossenen Hochdruckgases.
Der geschwächte Teil kann auch aus einer Ringnut bestehen, z.B. mit einem Durchmesser von etwa 10 mm, die in einer Seitenwand des Stützgliedes 4 geformt ist, siehe die gestrichtelten Linien, die durch das Bezugszeichen 11' auf der linken Seite der 1 gekennzeichnet sind. Dadurch wird eine ähnliche Wirkung erreicht wie durch den geschwächten Teil 11 gemäss 1.
Wie die 2 zeigt kann der geschwächte Teil auch aus einem dünnwandigen Teil 14 in Form einer Ringnut bestehen, die sich um den gesamten Umfang der Seitenwand des Stützgliedes 4 erstreckt damit ein übermässiger Anstieg des Flüssigkeitsdruckes im Inneren des metallischen Balgens 3 diesen dünnwandigen Teil 14 aufbrechen würde.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss der 2 besteht die Gefahr, dass die Druckminderung nicht erreicht wird wenn das Stützglied 4 axial zusammengedrückt wird, und ein metallischer Kontakt entsteht zwischen den zwei gegenüberliegenden Ringkanten der beiden Teile des Stützgliedes 4 oberhalb und unterhalb der dünnwandigen Teile 14. Um das zu verhindern kann die Ringnut in Bezug auf die Axiallinie in einem geeigneten Winkel angeordnet werden, wie durch das Bezugszeichen 14' in 3 gekennzeichnet ist, damit die Endplatte 4a des Stützgliedes 4 seitlich in Bezug auf das der Endplatte 6 des metallischen Balgens 3 geformte Ventilelement 10 verschoben wird, um die Verbindungsöffnung 9 offenzuhalten wenn der dünnwandige Teil 14' zerstört worden ist.
Es stehen andere Möglichkeiten zur Verfügung zur Verwirklichung des Sicherheitsventils, das in dem Stützglied 4 vorzusehen ist, ausser dem Einarbeiten eines örtlichen, geschwächten Teiles. Z.B., wie in 4 dargestellt, könnte ein Stopfen 13 aus Metall oder Kunststoff mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt in ein Loch 12 eingesetzt sein, dass in der Seitenwand des Stützgliedes 4 geformt ist. Der Stopfen 13 würde im Falle einer hohen Temperatur wegschmelzen und das Loch 12 freilegen damit das Hochdruckgas durch die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 entweichen kann.
Alternatif dazu kann, wie in 5 gezeigt, das Sicherheitsventil aus einem mechanischen Sicherheitsventil bestehen, das einen Ventilsitz 15a aufweist, der in einem Loch 15 vorgesehen ist, welches die Seitenwand des Stützgliedes 4 durchbricht, sowie ein Ventilelement 16 aufweisen, das normalerweise den Ventilsitz 15a durch die nachgiebige Federkraft einer Feder 17 verschliesst. Die Federkraft wäre so auszuwählen damit jede übermässige Drucksteigerung in der Gaskammer ein Öffnen des Loches 15 durch das Ventilelement 16 verursachen würde. Da der Balgen 3 nicht in der Lage ist einem solchen Druck zu widerstehen hat dies ein Auf reisen des Balgens 3 zur Folge und der Druck des Hochdruckgases kann in den Druckflüssigkeitskreislauf durch die Öffnung 15 und die Flüssigkeitseinlassöffnung 5 entweichen.
Demgemäss schafft die vorliegende Erfindung ein Sicherheitsventil, das im Falle eines Hochdruck- oder Hochtemperaturzustandes öffnet ohne die Dichtheit des Druckgefässes während dem normalen Betrieb in irgendeiner Weise zu beeinflussen. Deshalb kann selbst im Falle eines Feuers der dadurch entstehende Hochdruck abgelassen werden bevor das Druckgefäss berstet ohne die Zuverlässigkeit des Druckspeichers während dem normalen Betrieb in irgendeiner Weise zu gefährden.
Obschon die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben beschrieben wurde ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass vielfältige Abänderungen oder Modifikationen denkbar sind ohne dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, welcher durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt ist.

Claims

Druckspeicher (1) mit: einem Druckgefäss (2) mit einer Flüssigkeitseinlassöffnung (5) an einem Ende desselben; einem Balgen (3) mit einem ersten Ende das an einer Innenfläche des Druckgefässes befestigt ist um das Innere des Druckgefässes aufzuteilen in eine Flüssigkeitskammer (8), die mit der Flüssigkeitseinlassöffnung kommuniziert und in eine Gaskammer (9), die mit Druckgas gefüllt ist; einem Stützglied (4), das an der Innenfläche des Druckgefässes in der Flüssigkeitskammer befestigt ist und in dieser eine kleine Kammer begrenzt, die mit der Flüssigkeitseinlassöffnung kommuniziert, wobei das Stützglied mit einer Verbindungsöffnung (9) versehen ist zum Verbinden des Inneren der kleinen Kammer mit dem restlichen Teil der Flüssigkeitskammer und welche durch einen Teil (10) des Balgens zu verschliessen ist, um einen vollständig zusammengedrückten Zustand des Balgens zu bestimmen, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsventil (11; 11'; 12, 13; 14; 14'; 15, 16, 17), das in dem Stützglied vorgesehen ist, um das Äussere des Stützgliedes wahlweise mit dem Inneren des Stützgliedes zu verbinden, und wobei die Druckwiderdstandsfestigkeit des Balgens (3) geringer eingestellt ist als diejenige des Druckgefässes (2).
Druckspeicher nach Anspruch 1, wobei der Balgen ein im Wesentlichen zylindrischer Balgen ist, mit einem ersten Axialende, das an der Innenfläche des besagten Endes des Druckgefässes befestigt ist und mit einem zweiten Axialende, das durch eine Endplatte (6) verschlossen ist, wobei die Endplatte zum Verschliessen der Verbindungsöffnung in dem vollständig zusammengedrückten Zustand des Balgens dient.
Druckspeicher nach Anspruch 2, wobei das Stützglied ein tassenförmiger Bauteil (4) ist, mit einem offenen Ende, das am Umfang der Flüssigkeitseinlassöffnung innerhalb des Druckgefässes befestigt ist, einer zylindrischen Seitenwand und einem geschlossenen Ende, das Durch eine Platte (4a) verschlossen ist, welche mit der Verbindungsöffnung versehen ist.
Druckspeicher nach Anspruch 3, wobei das Sicherheitsventil in der Seitenwand des Stützgliedes vorgesehen ist.
Druckspeicher nach Anspruch 4, wobei das Sicherheitsventil durch einen geschwächten Teil (11; 11'; 14; 14') des Stützgliedes gebildet ist.
Druckspeicher nach Anspruch 5, wobei der geschwächte Teil ein örtlicher, dünnwandiger Teil des Stützgliedes ist.
Druckspeicher nach Anspruch 6, wobei der geschwächte Teil eine Ringnut (14; 14') ist, welche sich vollständig um die Seitenwand herum erstreckt.
Druckspeicher nach Anspruch 7, wobei die Ringnut (14') sich in einem Winkel in Bezug auf eine Axiallinie des Stützgliedes erstreckt.
Druckspeicher nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitsventil durch einen geschwächten Teil (11; 11'; 14; 14') des Stützgliedes gebildet ist.
Druckspeicher nach Anspruch 9, wobei der geschwächte Teil ein örtlicher, dünnwandiger Teil des Stützgliedes ist.
Druckspeicher nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitsventil einen Durchbruch (12) in dem Stützglied aufweist und ein Stopfen (13) aus einem Werkstoff mit verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt hat, der in den Durchbruch eingesetzt ist.
Druckspeicher nach Anspruch 1, wobei das Sicherheitsventil einen Ventilsitz (15) hat, der das Innere des Stützgliedes mit dem Äusseren des Stützgliedes verbindet, und ein federbelastetes Ventilelement (16) aufweist, das den Ventilsitz normalerweise schliesst.
Druckspeicher nach Anspruch 1, wobei der Balgen ein metallischer Balgen ist.