DE69805118T2

DE69805118T2 - Druckspeicher

Info

Publication number: DE69805118T2
Application number: DE69805118T
Authority: DE
Inventors: Richard Baena
Original assignee: Olaer Industries SA
Current assignee: Olaer Industries SA
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: US5944217A; FR2759144B1; DK0857908T3; NO316540B1; EP0857908A1; ATE217063T1; PT857908E; EP0857908B1; NO980506L; NO980506D0; ES2175628T3; FR2759144A1; DE69805118D1

Description

Die Erfindung betrifft Druckspeicher der Art, wie sie beispielsweise als Druckakkumulatoren oder Pulsationsdämpfer in einem Hydraulikkreis verwendet werden.
Sie betrifft insbesondere einen Druckspeicher mit einer starren Hülle, die eine erste und eine gegenüberliegende zweite Öffnung aufweist, und einer elastisch verformbaren Trennwand, die sich im Inneren der Hülle zwischen den beiden Öffnungen erstreckt und den Innenraum der Hülle in ein erstes Abteil und ein zweites Abteil mit variablem Rauminhalt unterteilt, wobei das zweite Abteil dazu bestimmt ist, durch die zweite Öffnung mit einem Flüssigkeitskreislauf in Verbindung zu stehen.
In den gegenwärtigen Druckspeichern ist das erste Abteil mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt, das durch die erste Öffnung zugeführt wird, wobei diese Öffnung anschließend dicht verschlossen wird. Ein Druckspeicher, der elastisch verformbare feste Elemente enthält, ist aus der DE 36 32 988 A1 bekannt.
Die Trennwand kann von einer Blase aus elastischem Material gebildet sein, deren Öffnung die erste Öffnung umgibt. Die Trennwand kann auch von einer elastischen, in etwa halbkugelförmigen Membrane gebildet sein, deren Öffnung an der Stelle des größten Durchmessers der Hülle befestigt ist.
Befindet sich die Trennwand in Ruhestellung, d. h. ist der Druck der Flüssigkeit fast gleich Null, entspricht der Rauminhalt des ersten Abteils in etwa dem Innenraum der Hülle oder ist geringfügig kleiner als dieser.
Die Aufgabe der Trennwand besteht zunächst darin, ein Druckgleichgewicht zwischen dem ersten Abteil und dem zweiten Abteil herzustellen. Eine Druckerhöhung der Flüssigkeit bewirkt eine Druckerhöhung des Gases, und somit eine Verringerung des Rauminhalts des ersten Abteils infolge der elastischen Verformung der Membran.
Die Trennwand muß die Dichtheit zwischen den beiden Abteilen sicherstellen und somit gegenüber dem Gas möglichst undurchlässig sein.
Diese Bedingung ist insbesondere in den beiden folgenden Fällen nicht bzw. nur sehr ungenügend erfüllt: wenn der Druckspeicher bei hohen Temperaturen oder mit bestimmten Flüssigkeiten verwendet wird.
Es ist bekannt, dass die Gasdurchlässigkeit von Elastomeren bei steigenden Temperaturen zunimmt, insbesondere bei Temperaturen über 90ºC, was bei einer Verwendung bei hohen Temperaturen dazu führt, dass einerseits die Wirksamkeit des Druckspeichers verringert wird und sich andererseits Gasverluste in der Flüssigkeit auflösen, was eine mögliche Störung oder den Ausfall des Systems bewirken kann, dem der Druckspeicher zugehörig ist. Bei hohen Temperaturen nimmt zudem die Gefahr rapide zu, dass die Trennwand reißt, wodurch das im Druckspeicher befindliche Gas unversehens in das System gelangt mit den daraus folgenden schädlichen Konsequenzen. Nur als Beispiel sei hier nochmals daran erinnert, dass bei Kraftwerken oder Zuführsystemen für Schiffsdieselmotoren, die schweres Heizöl verwenden, das Heizöl auf 120/150ºC vorgeheizt werden muß.
Bestimmte Flüssigkeiten, die einen instabilen Zustand aufweisen, sind zudem verdampfend (zum Beispiel flüssiger Ammoniak, flüssiges CO&sub2;), und das von solchen Flüssigkeiten freigesetzte Gas wandert durch die Trennwand hindurch in das erste Abteil und bläht dieses so stark auf, dass der Druckspeicher nahezu nicht mehr funktionsfähig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme zu beseitigen, die bei der Verwendung eines Gases als komprimierbares Mittel auftreten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem vorgeschlagenen Druckspeicher das erste Abteil mit elastisch verformbaren festen Elementen gefüllt ist, die eine im wesentlichen hohlzylindrische Form haben, wobei sich das Ganze wie eine Feder verhält, und bei dem das Gesamtvolumen der elastisch verformbaren festen Elemente im nicht komprimierten Zustand, in dem sich die Trennwand in Ruhestellung befindet und nahezu den gesamten Innenraum der Hülle einnimmt, im wesentlichen dem Rauminhalt des ersten Abteils entspricht.
Mit dieser Anordnung ist die Verringerung des Rauminhalts des ersten Abteils durch das nicht komprimierbare Volumen des Materials der Elemente begrenzt. Der vorgeschlagene Druckspeicher kann ohne Beschädigung der Trennwand deutlich höhere Druckmaxima verkraften, als dies mit der Gaslösung möglich ist.
Der Rauminhalt, der nicht von dem Material eingenommen wird, aus dem die elastisch verformbaren festen Elemente bestehen, ist mit einem Gas unter Atmosphärendruck gefüllt.
Um die Relativbewegungen der elastisch verformbaren festen Elemente untereinander zu erleichtern, ist in dem ersten Abteil ein flüssiger Schmierstoff vorgesehen, der mit dem die Trennwand und die elastisch verformbaren festen Elemente bildenden Material kompatibel ist. Dieser Schmierstoff kann zum Beispiel Glykol, Glyzerin, Silikonöl oder ein Mineralöl sein. Das Volumen des flüssigen Schmierstoffs ist deutlich kleiner als das der Zwischenräume, die von den festen Elementen im nicht komprimierten Zustand nicht belegt werden. Dieses Volumen liegt zum Beispiel bei 8 bis 10 % des von den elastisch verformbaren Elementen nicht belegten Rauminhalts, wenn sich die Trennwand in Ruhestellung befindet. Der flüssige Schmierstoff erlaubt eine gleichmäßigere Verteilung der festen Elemente in komprimiertem Zustand und somit einen gleichmäßigere Auflage für die Trennwand, die dadurch gleichmäßiger arbeitet und nicht so schnell ermüdet.
Vorteilhafterweise sind die elastisch verformbaren festen Elemente aus Silikon ausgeführt, zum Beispiel durch Schneiden von Silikonrohren, die üblicherweise für Versuchsaufbauten in der Chemie oder Biologie verwendet werden. Die Länge der Elemente ist größer als ihr Außendurchmesser. Ihr Außendurchmesser beträgt 2,5 bis 4 mm, ihr Innendurchmesser 1 bis 2 mm und ihre Länge 3 bis 8 mm. Für den Fall, dass ein flüssiger Schmierstoff vorgesehen ist, ist anzumerken, dass die Hohlkörper der festen Elemente beim Betrieb im nicht komprimierten Zustand einen Teil des flüssigen Schmierstoffs aufgrund seiner Oberflächenspannung zurückhalten, der ungeachtet der Position des Speichers zum Schmieren der gesamten festen Elemente bei der nachfolgenden Komprimierung als Reserve zurückgehalten wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, beispielhaften Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen, mit einer Blase versehenen Druckspeichers zeigt, und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines elastisch verformbaren festen Elements zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Druckspeicher 1, der in bekannter Weise eine steife Außenhülle 2 umfasst, deren innerer Hohlraum 3 mittels einer elastisch verformbaren Trennwand 6 in zwei Abteile 4 und 5 unterteilt ist, d. h. in ein erstes Abteil 4, das durch eine erste, im oberen Teil der Hülle 2 angeordnete Öffnung 7 mit der Außenseite der Hülle 2 in Verbindung zu stehen vermag, und in ein zweites Abteil 5, das mit einem unter Druck stehenden Flüssigkeitskreislauf durch eine zweite, im unteren Teil der Hülle 2 angeordneten Öffnung 8 in Verbindung zu stehen vermag.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform hat die Hülle 2 eine langgestreckte Form und weist ein insgesamt zylindrisches Mittelteil und zwei insgesamt halbkugelförmige Enden auf; sie ist zum Beispiel durch Umformen einstückig ausgeführt. Die Trennwand 6 weist die Form einer Blase auf, deren Öffnung 9 mit einem hohlen Ansatzstück 10 versehen ist, das in der ersten Öffnung 7 zum Beispiel mittels einer Schraubenmutter 11 dicht montiert ist, wobei dieses hohle Ansatzstück 10 mit einem den Rauminhalt des ersten Abteils 4 nach außen isolierenden Verschlußstöpsel 17 und einer Bohrung 15 versehen ist.
Dieser Verschlußstöpsel 17 hat die wesentliche Aufgabe, die elastisch verformbaren Elemente im Innenraum des ersten Abteils 4 zurückzuhalten. Insbesondere in Abhängigkeit von der Umgebung, in der der Druckspeicher verwendet wird, kann er eine Gasdichtigkeit gewährleisten oder nicht. Es ist diesbezüglich beispielsweise festzuhalten, dass bei einem Flüssigkeitsdruck von 50 bar die Energie im wesentlichen durch die Elastizität der elastisch verformbaren festen Elemente absorbiert wird und dass die Zunahme des Drucks des die Zwischenräume füllenden Gases bei 1 bar liegt. Da bei der Mehrzahl der gängigen Elastomere die Gasverluste infolge von Durchlässigkeit proportional zu ΔP sind, wirkt sich ein derartiges ΔP durch das praktische Fehlen von Gasverlusten aus. In einer sehr aggressiven Umgebung kann folglich eine Dichtung in Höhe des Verschlußstöpsels 17 vorgesehen werden bzw. in einer weniger schädlichen Umgebung können Abflachungen in Höhe des Gewindes des Ansatzstücks 10 vorgesehen werden, in das der Verschlußstöpsel 17 eingeschraubt ist, der das Abteil 4 atmen läßt.
Die zweite Öffnung 8 ist mit einem Sieb 12 oder einem Filter versehen, und gegebenenfalls mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kontrollventil.
Die Blase ist aus Kunststoff ausgeführt, zum Beispiel aus Elastomer, und weist eine gewisse Elastizität und eine ausreichende Dichtheit auf.
In Ruhestellung, d. h. wenn der in dem zweiten Abteil 5 herrschende Flüssigkeitsdruck gering ist, nimmt die Blase 6 fast das gesamte Volumen des inneren Hohlraums 3 ein.
Erfindungsgemäß ist das erste Abteil 4 mit elastisch verformbaren festen Elementen 14 gefüllt statt, wie sonst üblich, mit einem Gas.
Wie in Fig. 2 zu erkennen, haben die elastisch verformbaren Elemente 14 eine im wesentlichen hohlzylindrische Form. Ihre Länge L ist größer als ihr Außendurchmesser D und ihr Innendurchmesser d entspricht in etwa der Hälfte des Außendurchmessers D. Vorzugsweise liegt der Außendurchmesser D der Elemente 14 etwa zwischen 2,5 und 4 mm, ihr Innendurchmesser d etwa zwischen 1 und 2 mm und ihre Länge L etwa zwischen 3 und 8 mm.
Die Elemente 14 sind vorzugsweise aus Silikon ausgeführt und können praktischerweise durch Schneiden von Silikonrohren entstehen, die zum Beispiel üblicherweise für Versuchsaufbauten in der Chemie oder Biologie verwendet werden.
Das Gesamtvolumen in nicht komprimiertem Zustand der Elemente 14 im ersten Abteil 4 entspricht in etwa dem Volumen der Blase 6 in Ruhestellung. Die Elemente 14 füllen auch den Rauminhalt der Bohrung 15 des Ansatzstückes 10 aus. Die Elemente 14 werden in das erste Abteil 4 durch die Bohrung 15 eingeführt, wobei diese einen entsprechend hierfür vorgesehenen Durchmesser aufweist.
Um die Relativbewegung der Elemente 14 untereinander zu erleichtern, ist im ersten Abteil 4 zudem ein flüssiger Schmierstoff 16 vorgesehen, der mit dem die Blase 6 und die Elemente 14 bildenden Material kompatibel ist. Dieser flüssige Schmierstoff 16 kann zum Beispiel Glykol, Glyzerin, ein Silikonöl oder ein Mineralöl sein, je nach Material der Elemente 14 und der Blase.
Um den Rauminhalt des ersten Abteils unter der Einwirkung des im zweiten Abteil 5 befindlichen Drucks der Flüssigkeit verändern zu können, ist das Volumen des flüssigen Schmierstoffs 16 deutlich kleiner als das der Zwischenräume, die von den Elementen 14 im nicht komprimierten Zustand nicht belegt werden. Dieses Volumen beträgt in der Praxis weniger als 10% des von dem Material der Elemente 14 nicht belegten Rauminhalts.
Der Rauminhalt der Blase 6 in Ruhestellung, der von dem die Elemente 14 bildenden Material oder dem flüssigen Schmierstoff nicht eingenommen wird, ist mit einem geeigneten Gas unter Atmosphärendruck, zum Beispiel Stickstoff, gefüllt, falls das Abteil 4 von der Außenseite isoliert ist, oder ist andernfalls auf natürliche Weise mit Atmosphärenluft gefüllt.
Die auf diese Weise gebildete Einheit funktioniert wie eine Feder. Die Druckerhöhungen der Flüssigkeit des Hydraulikkreises werden auf die Flüssigkeit des zweiten Abteils 5 durch die zweite Öffnung 8 übertragen, wodurch eine Komprimierung der Blase 6 erfolgt. Diese Komprimierung bewirkt eine Verkleinerung des Rauminhalts des ersten Abteils 4. Daraus folgt eine elastische Verformung der Elemente 14 sowie eine zu vernachlässigende Komprimierung des den Zwischenraum ausfüllenden Gases mit Verteilung des im ersten Abteil 4 enthaltenen flüssigen Schmierstoffs.
Die Komprimierungsenergie wird im wesentlichen von den elastisch verformbaren Elementen gespeichert, die wie Federn wirken.
Die Verringerung des Rauminhalts des ersten Abteils 4 wird durch das nicht komprimierbare Volumen des Materials der Elemente 14 und gegebenenfalls des flüssigen Schmierstoffs begrenzt. Das Mindestvolumen des ersten Abteils 4 ist in etwa halb so groß wie das Volumen der Blase 6 in Ruhestellung. Der erfindungsgemäße Druckspeicher 1 kann ohne Beschädigung der Blase oder ganz allgemein der Trennwand deutlich höhere Druckmaxima verkraften, als dies mit der herkömmlichen Gaslösung möglich ist, da die Blase bzw. die Trennwand bei maximaler Komprimierung auf der von den gesamten Elementen 14 gebildeten Fläche ruht.
Der erfindungsgemäße Druckspeicher weist bei vergleichbaren Volumen und Drücken eine geringere Kompressibilität (ca. 1 bis 2) auf als die herkömmliche Gaslösung (ca. 1 bis 4). Diese geringere Kompressibilität kann durch eine geeignete Dimensionierung des Speichers kompensiert werden.
Durch Bestimmen der Parameter D, d und L der Elemente 14 sowie des Elastizitätskoeffizienten des Materials der Elemente kann die Kompressibilitätskurve des Speichers angepaßt werden.
Zusätzlich zur Tatsache, dass höhere Druckmaxima verkraftet werden können, weist der vorgeschlagene Speicher zudem den Vorteil auf, dass eine Speicherung und eine Inbetriebnahme ohne vorheriges Einfüllen des unter Druck stehenden Gases möglich und keine Wartung (Nachfüllen des Gases) erforderlich ist, sowie den Vorteil, dass selbst beim Reißen der Blase 6 die physikalische oder chemische Verunreinigung des Flüssigkeitskreislaufes, zu dem der Speicher gehört, verhindert wird. In diesem Fall verhindert das dargestellte Sieb das Eindringen der Elemente 14 in den Flüssigkeitskreislauf. Wird statt des Siebes ein Ventil verwendet, genügt es, zwischen dem Ventil und dem zugehörigen Kreislauf einen Filter einzusetzen, der nur die Aufgabe hat, die Elemente 14 zurückzuhalten, bevor sie in den Kreislauf gelangen.
Das die Elemente 14 bildende Material ist so gewählt, dass sich die Elemente 14 in der Flüssigkeit des Hydraulikkreises nicht auflösen. Hierzu ist anzumerken, dass Silikon in Mineralöl beständig ist.
Die Elemente 14 können ferner aus jedem festen Material sein, das die entsprechenden elastischen Eigenschaften aufweist, wie bestimmte Elastomere.

Claims

1. Druckspeicher mit einer starren Hülle (2), die eine erste (7) und eine gegenüberliegende zweite Öffnung (8) aufweist, und einer elastisch verformbaren Trennwand (6), die sich im Inneren der Hülle (2) zwischen den beiden Öffnungen (7, 8) erstreckt und den Innenraum (3) der Hülfe (2) in ein erstes Abteil (4) und ein zweites Abteil (5) mit variablem Rauminhalt unterteilt, wobei das zweite Abteil (5) dazu bestimmt ist, durch die zweite Öffnung (8) mit einem Flüssigkeitskreislauf in Verbindung zu stehen, bei dem das erste Abteil (4) mit elastisch verformbaren festen Elementen (14) gefüllt ist, die eine im wesentlichen hohlzylindrische Form haben, wobei sich das Ganze wie eine Feder verhält, und bei dem das Gesamtvolumen der elastisch verformbaren festen Elemente im nicht komprimierten Zustand, in dem sich die Trennwand (6) in Ruhestellung befindet und nahezu den gesamten Innenraum (3) des Gehäuses (2) einnimmt, im wesentlichen dem Rauminhalt des ersten Abteils (4) entspricht.

2. Druckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauminhalt, der nicht von dem Material eingenommen wird, aus dem die elastisch verformbaren festen Elemente (14) bestehen, im nicht komprimierten Zustand, in dem sich die Trennwand (6) in Ruhestellung befindet, von einem Gas unter Atmosphärendruck eingenommen wird.

3. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raum (4) zudem einen flüssigen Schmierstoff (16) umfaßt, der mit dem Material der Trennwand (6) und dem der Elemente (14) kompatibel ist, um die Relativbewegung der elastisch verformbaren festen Elemente (14) untereinander zu erleichtern, wobei das Volumen des flüssigen Schmierstoffs (16) kleiner ist als das der Zwischenräume, die von den festen Elementen (14) im nicht komprimierten Zustand frei gelassen werden.

4. Druckspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des flüssigen Schmierstoffs (16) weniger als 10% des von den elastisch verformbaren festen Elementen (14) frei gelassenen Volumens beträgt.

5. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Elemente (14) größer ist als ihr Außendurchmesser (D).

6. Druckspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D) dieser Elemente (14) zwischen 2, 5 und 4 mm liegt.

7. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Elemente (14) zwischen 3 und 8 mm liegt.

8. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (d) dieser Elemente (14) zwischen 1 und 2 mm liegt.

9. Druckspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch verformbaren festen Elemente (14) aus Silicon hergestellt sind.