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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Hochdruckspeicher gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Dieselmotoren sind die am weitesten
verbreiteten der sogenannten Zylindereinspritzmotoren oder Direkteinspritzmotoren,
nämlich
Motoren, bei welchen Brennstoff in den Motorzylinder hineingespritzt
wird, aber in den letzten Jahren sind auch zylindereingespritzte
Ottomotoren (Benzinmotoren) vorgeschlagen worden. Zylindereingespritzte
Motoren dieser Art fordern, dass Brennstoffdruckschwankungen minimiert
werden, um einen ausreichend hohen Brennstoffeinspritzdruck beizubehalten
und eine stabile Einspritzung sicherzustellen. Dazu sind kompakte
Hochdruck-Brennstoffpumpen mit einem Zylinder vorgeschlagen worden,
die einfach aufgebaut sind und kostengünstig herzustellen.
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Weil es in diesem Einzylindersystem
jedoch nur einen Plungerkolben gibt, gibt es Schwankungen mit einer
gewissen Amplitude in dem Druck des abgegebenen Brennstoffs, und
so sind Druckstoß-Absorptionseinrichtungen
mit Metallfaltenbälgen
oder Membranen vorgeschlagen worden, um diese Schwankungen oder
Druckstöße zu absorbieren.
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4 zeigt
ein Hochdruck-Brennstoffzuführsystem
mit einem Hochdruckspeicher, welcher ein nützliches Beispiel einer Druckstoß-Absorptionseinrichtung
ist, auf welche die Membrananschlagkonstruktion der vorliegenden
Erfindung angewandt werden kann. In 4 ist
eine Zuführleitung 1,
welche eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, mit mehreren Einspritzern 1a entsprechend
der Anzahl der Motorzylinder versehen, welche nicht dargestellt
sind. Eine Hochdruck-Brennstoffpumpenanordnung 200,
die mit einer Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 versehen
ist, ist zwischen der Zuführleitung 1 und
einem Brennstofftank 2 angeordnet. Die Brennstoffleitung 1 und die
Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 sind über einen Hochdruck-Brennstoffkanal 4 verbunden,
und die Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 und der Brennstofftank 2 sind über einen
Niederdruck-Brennstoffkanal 5 verbunden. Zusammen bilden
der Hochdruck-Brennstoffkanal 4 und der Niederdruck-Brennstoffkanal 5 einen
Brennstoffkanal, der die Zuführleitung 1 mit dem
Brennstofftank 2 verbindet. Ein Filter 6 ist in
dem Brennstoffeinlass der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 vorgesehen.
Ein Rückschlagventil 7 ist
auf der Brennstoff-Auslassseite der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 vorgesehen.
Ein an der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 angebrachter Ablass 8 führt zu dem Brennstofftank 2 zurück.
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Eine Niederdruck-Brennstoffpumpe 10 ist am
Ende des Niederdruck-Brennstoffkanals 5 am nächsten zu
dem Brennstofftank 2 vorgesehen. Ein Filter 11 ist
in dem Brennstoffeinlass der Niederdruck-Brennstoffpumpe 10 angeordnet.
Ein Rückschlagventil 12 ist
in dem Niederdruck-Brennstoffkanal 5 auf
der Brennstoff-Ablassseite der Niederdruck-Brennstoffpumpe 10 angeordnet.
Ein Niederdruckregler 14 ist in dem Niederdruck-Brennstoffkanal 5 zwischen
der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 und der Niederdruck-Brennstoffpumpe 10 angeordnet.
Ein Filter 15 ist in dem Brennstoffeinlass des Niederdruckreglers 14 angeordnet.
Ein Ablass 16, der an der Niederdruckregelung 14 angebracht
ist, führt
zu dem Brennstofftank 2 zurück.
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Die Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 steigert den
Druck des ihr über
den Niederdruck-Brennstoffkanal 5 zugeführten Brennstoffs und gibt
ihn an die Einlassleitung 1 ab. Ein Dumper 30 ist
auf der Seite der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 vorgesehen,
auf welcher sich der Niederdruck-Brennstoffkanal 5 befindet,
d. h. auf der Niederdruckseite. Ein Hochdruckspeicher 70 und
ein Hochdruckregler 32 sind auf der Hochdruckseite der
Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 angeordnet. Ein Ablass 33,
angebracht an der Hochdruckregelung 32, führt zu der
Brennstoffeinlassseite der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 zurück.
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5 ist
eine Querschnittsansicht, die Details der Hochdruck-Brennstoffpumpenanordnung 200 zeigt,
wenn diese vollständig
montiert ist, mit der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3, dem
Dumper 30, der Hochdruckspeicher 70, der Hochdruckregelung 32, dem
Filter 6 und dem Rückschlagventil 7.
In 5 ist ein Ausnehmungsbereich 40c in
dem Gehäuse 40 auf
der rechten Seite des Diagramms ausgeformt, und der Hochdruckspeicher 70 ist
mit diesem Ausnehmungsbereich 40c verbunden. Ein Auslasskanal 4b,
der mit einem Auslasskanal 4a kommuniziert, ist als Ausnehmung
in dem Boden des Ausnehmungsbereichs 40c ausgebildet.
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6 ist
eine Querschnittsansicht, die Details des Hochdruckspeichers 70 zeigt,
welcher eine Druckstoß-Absorptionseinrichtung
ist, auf welche die Membrananschlagkonstruktion der vorliegenden
Erfindung angewandt werden kann. Der Hochdruckspeicher 70 ist
mit einem Gehäuse 85 versehen,
welches ein Hochdruckbehälter
ist, der grob gesagt die Gestalt einer dicken Scheibe hat, einer
flexiblen scheibenförmigen
Metallmembran 86, gelagert mittels des Gehäuses 85 und
gegen dieses Gehäuse 85 abgedichtet,
um ihren Außenumfangsbereich
herum, so dass sie zusammen eine Hochdruckkammer 71 bilden,
und einer scheibenförmigen
Platte 89, die ein Anschlag ist, der die Grenze der Verformung
der Membran 86 definiert.
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Das Gehäuse 85 hat einen vergleichsweise dünnen Umfangsbereich 72,
welcher den Außenumfangsbereich
der Membran 86 mittels einer Dichtungsschweißnaht lagert
und abdichtet, und einen vergleichsweise dicken mittleren Bereich 73,
in welchem die Hochdruckkammer 71 ausgeformt ist. Ein Außengewinde 91 ist
an der zylindrischen Außenfläche des
Umfangsbereichs 72 ausgeformt, und ein vergleichsweise
flacher Napfförmiger
Ausnehmungsbereich 74, der sich von dem Umfangsbereich
in Richtung des mittleren Bereichs in einer sanften Kurve nach und
nach vertieft, so dass sich die Membran 86 in Richtung
der Hochdruckkammer 71 verformen kann, ist in dem Bereich
in nahem Kontakt mit der Membran 86 ausgebildet. Ein ungefähr zylindrischer Ausnehmungsbereich 75,
der mit dem flachen Napfförmigen
Ausnehmungsbereich 74 in dem mittleren Bereich kommuniziert,
ist in dem mittleren Bereich 73 ausgebildet und bildet
zusammen mit dem Napfförmigen
Ausnehmungsbereich 74 die Hochdruckkammer 71.
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Ein Gasladungseinlass 84 mit
kreisförmigem Querschnitt
um seine Mittelachse herum ist in der Decke der Hochdruckkammer 71 ausgebildet,
um Hochdruckgas in die Hochdruckkammer 71 des Gehäuses 85 einzuführen und
es darin zu verschließen, und
eine Verschlusseinrichtung 87 ist darin angeordnet, um
den Gasladungseinlass 84 zu verschließen. Der Gasladungseinlass 84 ist
mit einem Bereich 76 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser
auf der Hochdruckseite versehen, die zu der Hochdruckkammer 71 hin
weist, und mit einem Bereich 77 mit vergleichsweise großem Durchmesser
auf der Niederdruckseite, die zum Äußeren des Gehäuses 85 hin weist.
Ein Schulterbereich 78 ist zwischen dem Bereich 76 mit
dem kleinen Durchmesser und dem Bereich 77 mit dem großen Durchmesser
ausgebildet, und ein Innengewinde ist an der inneren Oberfläche des
Bereichs 76 mit kleinem Durchmesser ausgeformt. Eine ringförmige Nut 79 ist
in dem Schulterbereich 78 angeordnet, um einen O-Ring 88 aufzunehmen.
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Die Verschlusseinrichtung 87 ist
ein Stopfenelement, das in den beschriebenen Gasladungseinlass 84 eingesetzt
ist und einen Bereich 81 mit großem Durchmesser hat, der in
den Bereich 77 des Gasladungseinlasses 84 eingesetzt
wird, und einen Bereich 80 mit kleinem Durchmesser, der
ein Gewinde um seine äußere Oberfläche herum
hat, das mit dem aufnehmenden Gewinde des Bereichs 76 mit dem
kleinen Durchmesser in Eingriff gerät, und der in den Gasladungseinlass 84 eingesetzte
Bereich 81 mit dem großen
Durchmesser drückt
auf den O-Ring 88 und verschließt den Gasladungseinlass 84 und dichtet
ihn ab.
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Der Umfangsbereich der Membran 86 wird an
dem Außenumfangsbereich
des Gehäuses 85 mittels
eines Schweißnahtbereichs 82 abgedichtet und
gelagert, der durch einen Elektronenstrahl oder ähnliches ausgebildet wird,
aber zusätzlich
ist eine Napfförmigen
Platte 89 an der Membran 86 als Anschlag vorgesehen,
um die Grenze der Verformung der Membran 86 zu definieren,
und die Platte 89 wird um ihren Umfang herum auch mittels
des Schweißnahtbereichs 82 befestigt.
Ein wie eine Seite einer konkaven Linse geformter Ausnehmungsbereich 83 ist
an der Innenfläche
der Platte 89 ausgeformt, welcher sich von dem Außenumfangsbereich
der Membran 86 nach und nach in Richtung des Mittelpunkts vertieft,
und Verbindungsöffnungen 90 sind
als Brennstoffkanäle
ausgebildet, die mit dem Ausnehmungsbereich 83 kommunizieren.
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Das Gehäuse 85, die Metallmembran 86, und
die Platte 89 sind alle hermetisch abgedichtet und miteinander
um ihre Außenumfangsbereiche
herum durch Schweißen
mit einem Elektronenstrahl oder ähnlichem
verbunden. Der zwischen der Metallmembran 86 und dem Gehäuse 85 abgedichtete Raum
ist mit einem Hochdruckgas wie beispielsweise Stickstoff geladen.
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Bei der in 5 dargestellten Hochdruck-Brennstoffpumpenanordnung 200 ist
ein um das Äußere des
Gehäuses 85 herum
ausgebildetes Außengewinde 91 im
Eingriff mit einem entsprechenden in dem Ausnehmungsbereich 40c ausgebildeten Innengewinde,
und der Hochdruckspeicher 70 wird in die Platte 89 eingesetzt,
mittels eine O-Rings 51 abgedichtet, und an dem Ausnehmungsbereich 40c gesichert,
so dass die Verbindungsöffnungen 90 mit dem
Auslasskanal 4b kommunizieren können.
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Der Hochdruckspeicher 70,
der so aufgebaut ist, absorbiert Druckstöße in dem Druck des über den Auslasskanal 4b ausgegebenen
Brennstoffs. Das heißt,
während
Brennstoff durch den Auslasskanal 4b hindurch ausgegeben
wird, treten beispielsweise Druckstöße in dem Auslasskanal 4b auf,
wenn die Hochdruck-Brennstoffpumpe arbeitet. Das Volumen der Hochdruckkammer 71 variiert
als Antwort auf durch die Druckstöße verursachte Veränderungen, bis
der Druck des Hochdruckgases in der Hochdruckkammer 71 ein
Gleichgewicht mit dem Druck in dem Auslasskanal 4b durch
die Membran 86 erreicht. Beispielsweise wird, wenn der
Druck in dem Auslasskanal 4b ansteigt, die Membran 86 so
verformt, dass das Volumen der Hochdruckkammer 71 absinkt
und das Volumen des Auslasskanals 4b ansteigt, und so senkt
sich der Druck in dem Auslasskanal 4b ab, und Druckstöße oder
Druckschwankungen werden reduziert.
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Wenn ein Motor anhält, hält auch
die Zufuhr von Brennstoff von der Hochdruck-Brennstoffpumpe 3 an,
und der Brennstoffdruck in der linsenförmigen Ausnehmung 83 auf
der Seite der Platte 89 nimmt sachte ab. Aus diesem Grund
wird die Membran 86 aus ihrer Position während des
normalen Betriebs, gezeigt in dem Diagramm, aufgrund des Drucks
des Gases in der Hochdruckkammer 71 ausgelenkt, aber um
eine Beschädigung
und Verschleiß der
Membran 86 zu verhindern, wird eine Membrananschlagkonstruktion
verwendet, die eine solche Krümmung
hat, dass, wenn die Membran sich um einen bestimmten Betrag verformt,
sie in Kontakt mit der Krümmungsfläche der
linsenförmigen
Ausnehmung 83 an der Platte 89 gerät und sich
nicht weiter verformt, und so konzentriert sich keine übermäßige Spannung
an der Membran 86.
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Bei einem herkömmlichen Hochdruckspeicher
ist die Platte, mit welcher die Membran in Kontakt gerät, eine
Membrananschlagkonstruktion, welche die Grenze der Verformung der
Membran definiert, um eine Beschädigung
der Membran zu verhindern, die verursacht wird durch eine starke
Auslenkung der Membran aufgrund des Gasdrucks in der Hochdruckkammer,
wenn der Motor anhält,
und ihre Gestalt ist zuvor bestimmt worden auf der Basis der Auslenkung
der Membran, berechnet mit Gleichungen für die Auslenkung einer Scheibe,
die in der Werkstoffmechanik wohlbekannt sind. Die Gestalt der Kontaktfläche wurde
normalerweise beispielsweise definiert auf der Basis der Gleichung,
die die Auslenkung ausdrückt,
wenn eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird, oder der Gleichung, die eine starke Auslenkung ausdrückt, wenn eine
um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung ausgesetzt
wird, wie beschrieben in dem JSME Handbuch für Maschinenbauer: Werkstoffmechanik, Sechste
Auflage (zusammengestellt von der Japan Society of Mechanical Engineers).
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Es ist jedoch festgestellt worden,
dass, wenn die für
die Kontaktfläche
verwendete Gestalt auf einer Auslenkung beruht, die aus der Gleichung
abgeleitet wird, welche die Auslenkung ausdrückt, wenn eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird, die Beanspruchung in dem mittleren Bereich der Membran hoch
ist, und obwohl eine große
Toleranz für
die Beanspruchung in anderen Bereichen vorhanden sein kann, kann
die Membran beschädigt
werden oder zerreißen,
ausgehend von dem mittleren Bereich, wo die Beanspruchung lokal sehr
groß ist.
Andererseits ist auch festgestellt worden, dass, wenn die für die Kontaktfläche verwendete Gestalt
auf der Auslenkung basiert, die aus der Gleichung abgeleitet wird, die
eine große
Auslenkung ausdrückt,
wenn eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird, die Beanspruchung um den Umfangsbereich der Membran hoch ist,
und obwohl eine große
Toleranz für
Beanspruchungen in anderen Bereichen vorhanden sein mag, kann die Membran
hier beschädigt
werden oder zerreißen ausgehend
von dem Umfangsbereich, wo die Beanspruchung lokal sehr groß ist.
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In einer Umgebung mit einem großen Bereich
von Arbeitstemperaturen verändert
sich außerdem
der Druck des Hochdruckgases in der Hochdruckkammer 71 mit
Veränderungen
in der Arbeitstemperatur, und die Betriebsposition der Membran 86 verändert sich.
Der Bereich von möglichen
Veränderungen
des Volumens der Membran 86 wird bestimmt durch die Napfförmige Ausnehmung 74 und
die linsenförmige
Ausnehmung 83, so dass, wenn die Veränderung in dem Druck des Hochdruckgases
in der Hochdruckkammer 71 groß ist, die Möglichkeit
besteht, dass die Membran 86 in Kontakt mit entweder der
Napfförmigen
Ausnehmung 74 oder der linsenförmigen Ausnehmung 83 geraten
kann und so nicht mehr als Speicher arbeiten kann. Um den Arbeitsbereich
des Hochdruckspeichers zu vergrößern, ist
es notwendig, das Volumen der Napfförmigen Ausnehmung 74 und
der linsenförmigen
Ausnehmung 83 zu steigern, und dies ist bisher dadurch
gemacht worden, dass der Durchmesser vergrößert wurde. In diesem Fall
werden jedoch die äußeren Dimensionen des
Hochdruckspeichers zu groß.
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EP 0 633 400 A offenbart einen Hochdruckspeicher
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Membrananschlagkonstruktion für einen Hochdruckspeicher zu
schaffen, die eine übermäßige Konzentration
von Beanspruchungen in einer Membran verhindern kann, und ein weiteres
Ziel ist es, eine Membrananschlagkonstruktion für einen Hochdruckspeicher zu
schaffen, welche einen Anstieg des Volumens der Gasladung in einer
Hochdruckkammer ermöglicht,
während
die äußeren Dimensionen
ungefähr
gleich denen eines konventionellen Hochdruckspeichers bleiben.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen Hochdruckspeicher gemäß dem Anspruch
1.
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Die Kurve der Kontaktfläche des
Anschlags, der in Kontakt mit der Membran gerät, kann auch mit einer Krümmung versehen
sein die die erste und zweite Kurve sanft verbindet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die Kurven von Kontaktoberflächen
von Anschlägen,
wobei die Anschlaggestalt in der Membrananschlagkonstruktion für einen
Hochdruckspeicher gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen Beispielen verglichen
wird;
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2 ist
ein Graph der Kurven von Kontaktflächen von Anschlägen, wobei
die Beanspruchungsverteilung auf der unter Druck stehenden Seite
einer Membran gemäß der Membrananschlagkonstruktion für einen
Hochdruckspeicher der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen
Beispielen verglichen wird;
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3 ist
ein Graph, der Kurven von Kontaktflächen von Anschlägen, wobei
die Beanspruchungsverteilung auf der nicht unter Druck stehenden
Seite einer Membran gemäß der Membrananschlagkonstruktion
für einen
Hochdruckspeicher der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen
Beispielen verglichen wird;
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4 ist
ein Systemdiagramm, das ein Hochdruckbrennstoff-Zuführsystem
mit einem Hochdruckspeicher zeigt, welcher eine Druckstoßabsorptionseinrichtung
ist, auf welche die Membrananschlagkonstruktion der vorliegenden
Erfindung angewandt werden kann;
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5 ist
eine Querschnittsansicht der in 4 dargestellten
Hochdruckbrennstoffpumpenanordnung; und
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6 ist
eine Querschnittsansicht, die Details eines Hochdruckspeichers zeigt,
auf welchen die Membrananschlagkonstruktion der vorliegenden Erfindung
angewandt werden kann.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 sind
die Anschlaggestalt in der Membrananschlagkonstruktion für einen
Hochdruckspeicher gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (durchgezogene Linie) sowie die Gestalten
der Anschläge
von zwei herkömmlichen Beispielen
(gepunktete Linie und durchbrochene Linie) mittels der Kurven der
Kontaktoberflächen
der Anschläge
dargestellt. Hier repräsentieren
die Kurven die Querschnittsgestalt der Anschläge in den Membrananschlagkonstruktionen,
aber die Kurven sind auch Graphen, die die Auslenkung aufzeichnen, wenn
eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Teilmembran (beispielsweise die in 6 gezeigte Membran 86) einer
gleichmäßig verteilten
Belastung unterworfen wird, gegen Positionen entlang des Radius
der Membran.
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2 ist
ein Graph von Beanspruchungsverteilungen, welcher die an der Oberfläche der
unter Druck stehenden (Hochdruck) Seite einer Membran auftretende
relative Beanspruchung gegen Positionen entlang des Radius der Membran
für die Anschlaggestalt
gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Gestalten der Anschläge der beiden herkömmlichen
Beispiele in 1 aufzeichnet.
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3 ist
ein Graph der Beanspruchungsverteilung, der die an der Oberfläche der
nicht unter Druck stehenden (Niederdruck) Seite einer Membran auftretende
relative Beanspruchung gegen die Position entlang des Radius der
Membran für
die Anschlaggestalt gemäß der vorliegenden
Erfindung und die Gestalten der Anschläge der beiden herkömmlichen
Beispiele aus 1 aufzeichnet.
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In 1 ist
die Kurve des herkömmlichen Beispiels
1 eine erste Kurve, die definiert ist durch die folgende erste Gleichung,
die die Auslenkung ausdrückt,
wenn eine dünne,
um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird: ω =
(pa4/64D) {1 – (r2/a2)}2,wobei ω die Auslenkung
ist,
p die Belastung pro Flächeneinheit,
a
der äußere Radius,
D
die Biegesteifigkeit der Platte, gegeben durch D = Eh3/12(1 – ν2),
wobei E der Young's
Modul ist,
ν das
Poisson-Verhältnis,
h
die Dicke der Platte, und
r ein beliebiger Radius ist.
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Die Beanspruchungen, die in der Membran auftreten,
wenn eine auf einer solchen ersten Gleichung (herkömmliches
Beispiel 1) basierende Kurve als Anschlaggestalt verwendet wird,
sind als gepunktete Kurven (herkömmliches
Beispiel 1) in den 2 und 3 dargestellt. Gemäß der Kurve
für die
Hochdruckseite des herkömmlichen
Beispiels 1 in 2 ist
die Beanspruchung relativ gering und stabil von dem mittleren Bereich
der Membran aus bis nahe an den Umfangsbereich, dann nimmt sie plötzlich an dem
Umfangsbereich ab und erreicht Null am Umfang, und es gibt kein
Problem mit der Größe oder Konzentration
der Beanspruchung über
die gesamte Membran hinüber.
Gemäß der Kurve
für die
Niederdruckseite des herkömmlichen
Beispiels 1 in 3 ist
die Beanspruchung extrem hoch in dem mittleren Bereich der Membran,
nimmt nach und nach von dort aus ab bis nahe an den Umfangsbereich
heran, steigt dann in dem Umfangsbereich plötzlich an (obwohl die Größe gering
ist), nimmt dann plötzlich
in der Nähe des
Umfangsbereichs ab und erreicht Null am Umfang. Es gibt kein Problem
mit der Größe der Beanspruchung
in der Membran in dem Umfangsbereich, aber es gibt das Risiko des
Zerreißens
in dem mittleren Bereich, weil die Beanspruchung in dem mittleren Bereich
extrem groß ist.
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In 1 ist
die Kurve des herkömmlichen Beispiels
2 eine zweite Kurve, die definiert ist durch die folgende zweite
Gleichung, die eine starke Auslenkung ausdrückt, wenn eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird: (ωmax/h) + A(ωmax/h)3 = B(p/E)(a/h)4,wobei ωmax die maximale Auslenkung ist,
h die
Dicke der Platte,
A ein Auslenkungsmodul = 0,471,
B ein
Auslenkungsmodul = 0,171,
p die Belastung pro Flächeneinheit,
E
der Young s Modul, und
a der äußere Radius.
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Die in der Membran auftretenden Beanspruchungen,
wenn eine Kurve basierend auf einer solchen zweiten Gleichung (herkömmliches
Beispiel 2) als Anschlaggestalt verwendet wird, sind als durchbrochene
Linien (herkömmliches
Beispiel 2) in den 2 und 3 dargestellt. Gemäß der Kurve
für die Hochdruckseite
des herkömmlichen
Beispiels 2 in 2 ist die
Beanspruchung recht gering und stabil von dem mittleren Bereich
der Membran aus bis nahe an den Umfangsbereich heran, steigt plötzlich am Umfangsbereich
an und wird extrem groß,
nimmt dann nach und nach von dort aus ab und erreicht Null am Umfang,
und so besteht das Risiko, dass die Membran in dem Umfangsbereich
zerreißt
aufgrund der Größe und Konzentration
der Beanspruchung in ihrem Umfangsbereich. Gemäß der Kurve für die Niederdruckseite
des herkömmlichen
Beispiels 2 in 3 ist
die Beanspruchung relativ gering in dem mittleren Bereich der Membran,
steigt plötzlich
in dem Umfangsbereich an und wird recht groß, nimmt dann von dort aus
ab und erreicht Null am Umfang. Es besteht das Risiko, dass die
Membran in ihrem Umfangsbereich zerreißt, weil die Beanspruchung
in der Membran sich in ihrem Umfangsbereich sehr stark konzentriert.
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Die Membrananschlagkonstruktion für einen Hochdruckspeicher
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die gleiche wie die in dem Hochdruckspeicher 70,
der in den 5 und 6 gezeigt ist, insofern, als
sie die Grenze der Verformung einer flexiblen scheibenförmigen Metallmembran
definiert, welche in einem Hochdruckbehälter angeordnet ist, welcher den
Umfangsbereich der Membran lagert und abdichtet, um eine Hochdruckkammer
zu bilden, aber die Kurve, welche die Gestalt der Kontaktoberfläche des
Anschlags ist, ist anders. Demzufolge wird die nun folgende Erläuterung
den in 6 gezeigten Hochdruckspeicher
als Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung verwenden.
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Wie in 1 dargestellt,
werden in der Membrananschlagkonstruktion für den Hochdruckspeicher 70 gemäß der vorliegenden
Erfindung übermäßige Beanspruchungskonzentrationen
in der Membran 86 verhindert, und jede Beanspruchung, die
auftritt, ist nicht besonders groß, weil die Kurve der Kontaktoberfläche des
Anschlags 89, welche in Kontakt mit der Membran 86 gerät, folgendes
aufweist: eine erste Kurve für
den Umfangsbereich der Membran
86, die bestimmt wird auf
der Basis einer Gleichung, die die Auslenkung bestimmt, wenn eine
um ihren Umfang herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten
Belastung unterworfen wird; und eine zweite Kurve für den mittleren
Bereich 86, die auf der Basis einer Gleichung bestimmt
wird, die eine starke Auslenkung ausdrückt, wenn eine um ihren Umfang herum
gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten
Belastung unterworfen wird.
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Die oben erwähnte erste Kurve kann beispielsweise
durch die oben erwähnte
Gleichung 1 definiert werden, und die zweite Kurve kann beispielsweise
durch die oben erwähnte
Gleichung 2 definiert werden.
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Die erste und die zweite Kurve sind
sanft mittels einer dritten Kurve verbunden, um die Kurve der Kontaktfläche des
Anschlags 89, die in Kontakt mit der Membran 86 gerät, glatt
zu gestalten. Eine solche dritte Kurve kann leicht durch Computeranalyse
erhalten werden.
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Die Beanspruchungen, die in der Membran 86 auftreten,
wenn eine Kurve wie die in 1 gezeigte
(vorliegende Erfindung) als Anschlaggestalt verwendet wird, sind
als durchgezogene Kurven (vorliegende Erfindung) in 2 und 3 dargestellt.
Gemäß der Kurve
für die
Hochdruckseite der vorliegenden Erfindung in 2 ist die Beanspruchung relativ gering
und stabil von dem mittleren Bereich der Membran 86 aus
bis nahe an ihren Umfangsbereich, und keine große Beanspruchung tritt in dem
Umfangsbereich auf, und die Beanspruchung nimmt plötzlich in der
Nähe des
Umfangsbereichs ab und erreicht Null am Umfang, und so gibt es kein
Problem mit der Größe oder
der Konzentration der Beanspruchung über die gesamte Membran 86 hinüber. Gemäß der Kurve für die Niederdruckseite
der vorliegenden Erfindung in 3 ist
die Beanspruchung relativ hoch in dem mittleren Bereich der Membran 86,
aber nimmt von dort aus nach und nach ab bis nahe an den Umfangsbereich
heran, nimmt in dem Umfangsbereich leicht zu (aber die Größe ist gering),
nimmt dann plötzlich in
der Nähe
des Umfangsbereichs ab und erreicht Null am Umfang. Die Beanspruchung
in dem Umfangsbereich der Membran 86 ist ausreichend gering,
und die Beanspruchung ist nicht groß genug, um Probleme in dem
mittleren Bereich zu erzeugen, und so besteht überhaupt kein Risiko, dass
die Membran 86 zerreißt.
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Wie aus der oben erfolgten Erläuterung
deutlich wird, werden in der Membrananschlagkonstruktion für einen
Hochdruckspeicher gemäß der vorliegenden
Erfindung übermäßige Spannungskonzentrationen
in der Membran mittels der Kurve der Kontaktfläche des Anschlags verhindert,
die in Kontakt mit der Membran gerät, welche Kurve folgendes aufweist:
eine erste Kurve für
den Umfangsbereich der Membran, die definiert ist durch eine erste
Gleichung, die die Auslenkung ausdrückt, wenn eine um ihren Umfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird; und eine zweite Kurve für
den mittleren Bereich der Membran, die definiert ist durch eine
zweite Gleichung, die eine große
Auslenkung ausdrückt,
wenn eine um ihren Außenumfang
herum gesicherte Scheibe einer gleichmäßig verteilten Belastung unterworfen
wird.
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Durch Verwenden der Gleichungen 1
und 2 als erste und zweite Gleichung kann die Anschlagkonstruktion
außerdem
relativ einfach ausgestaltet und hergestellt werden.
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Durch Verwenden einer Kurve, die
die erste und die zweite Kurve sanft verbindet, wird die Gestalt der
Kontaktoberflächen
der Membrananschlagkonstruktion sogar noch mehr gleich der tatsächlichen Auslenkung
und Verformung der Membran, und so werden Konzentrationen der Beanspruchung
in der Membran weiter reduziert.
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Demzufolge kann durch Vorsehen einer Membran
mit reduzierten Spannungskonzentrationen die Auslenkung der Membran
maximiert werden, und so kann der Hochdruckspeicher seine Druckstoßabsorptionsfähigkeiten
in einem großen
Bereich von Arbeitstemperaturen vollständig erreichen. Außerdem kann
das Volumen der Gasladung in der Hochdruckkammer gesteigert werden,
ohne dass der Außendurchmesser
der Membran vergrößert wird, und
der Hochdruckspeicher kann kompakter ausgestaltet werden.