EP1999384B1

EP1999384B1 - Hydrospeicher

Info

Publication number: EP1999384B1
Application number: EP06818995A
Authority: EP
Inventors: Klaus Goebbels; Herbert Baltes; Markus Lehnert
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: EP1999384A1; WO2007112775A1; ATE519948T1; DE102006014456A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hydrospeicher mit einem Speichergehäuse, in dessen Innenraum ein Metallbalg angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Membranscheiben aufweist, deren Ränder wechselseitig miteinander durch Schweißnähte verbunden sind, und der ein bewegliches Trennelement zwischen einer Gasseite und einer Fluidseite bildet, deren Volumina durch in Axialrichtung erfolgendes Ausziehen und Zusammendrücken des Metallbalges veränderlich sind, wobei bei zumindest einem Teil der Membranscheiben die Schweißnähte so dimensioniert sind, dass die in Richtung der Dicke der Membranscheiben gemessene Dicke der Schweißnähte höchstens gleich der Gesamtdicke der zu verschweißenden Membranscheiben ist.
Hydrospeicher, bei denen ein Metallbalg ein bewegliches Trennelement zwischen einer Gasseite und einer Fluidseite bildet, sind bekannt, vergleiche US-Patentschrift 6, 405, 760 . Die Verwendung eines Metallbalges als bewegliches Trennelement bei Hydrospeichern ist in mehrerer Hinsicht vorteilhaft. So ist beispielsweise aufgrund der Diffusionsdichtheit des die Membranscheiben bildenden Werkstoffes, beispielsweise eines austenitischen Edelstahles, eine lange Betriebslebensdauer ohne Leckageverluste sichergestellt. Die große Elastizität und der verhältnismäßig lange, zulässige Axialweg beim Ausziehen und Zusammendrücken ermöglichen einen großen Volumen-Ausgleichsbereich. Um mechanische Verformung und Beschädigung auszuschließen, werden derartige bekannte Hydrospeicher jedoch bei verhältnismäßig niedrigem Druckniveau, d. h. bei verhältnismäßig geringen am Metallbalg anstehenden Druckdifferenzen, eingesetzt.
Ein Hydrospeicher der eingangs genannten Art ist aus US 2,682,893 A bekannt. Der bekannte Druckspeicher umfasst einen in axialer Richtung expandierbaren Metallbalg, welcher aus einer Reihe von ringförmigen Platten bzw. Membranscheiben besteht, welche an inneren und äußeren ringförmigen Randbereichen miteinander verschweißt sind. Am unteren Ende ist der Metallbalg an der Grundplatte des zylinderförmigen Gehäuses befestigt. Die einzelnen Platten bzw. Membranscheiben des Metallbalgs sind wechselseitig am inneren und am äußeren Randbereich mit der jeweils benachbarten Platte verbunden, wodurch ein ziehharmonikaartiger Aufbau des Metallbalgs erreicht wird. Vergleichbare Druckspeicher mit ähnlich aufgebauten Metallbalgen sind aus US 4,924,756 A und GB 823,060 A bekannt.
Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hydrospeicher mit als Trennelement vorgesehenem Metallbalg zu schaffen, der im Vergleich zu den bekannten Hydrospeichern einen sicheren Betrieb bei höheren Druckdifferenzen gewährleistet, insbesondere in der Lage ist, einen nahezu beliebig hohen, den Metallbalg zusammendrückenden Druck beschädigungsfrei aufzunehmen.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Hydrospeicher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 die in Radialrichtung gemessene Dicke der Schweißnähte größer als die in Axialrichtung gemessene Dicke einer einzelnen Membranscheibe ist, ist gewährleistet, dass die Schweißnaht hinreichend dimensioniert ist, was nicht nur die Stabilität der Schweißnaht, sondern ebenfalls die Lebensdauer des gesamten Metallbalges erhöht.
Die Schweißnähte an den Membranscheibenpaaren sind in spezieller Weise so ausgebildet sind, dass die jeweilige Schweißnaht keinen axialen Überstand über die das Membranscheibenpaar axial begrenzenden Endflächen hinaus bildet. Hieraus ergibt sich für die Membranscheiben, verglichen mit dem Stand der Technik, ein weit günstigerer Belastungszustand, als wenn der Metallbalg durch eine durch hohen Außendruck erzeugte Druckdifferenz vollständig zusammengedrückt ist. Wenn der Metallbalg beim Stand der Technik vollständig zummengedrückt wird, so dass er in die sogenannte "Blocklage" kommt, bei der sich eine gegenseitige Abstützung aufeinanderfolgender Membranscheibenpaare ergibt, dann erfolgt bei bekannten Hydrospeichern die Berührung zwischen den Membranscheibenpaaren nicht flächig, sondern linienförmig an den Schweißnähten, die an den Membranscheibenpaaren Flächenverdickungen bilden. Dadurch verbleibt zwischen den jeweils benachbarten Membranscheibenpaaren ein wenn auch kleiner Abstand bestehen, durch welchen den Membranscheiben die jeweilige flächige Ab- bzw. Unterstützung durch die benachbarte Membranscheibe fehlt.
Dadurch, dass eine Dimensionierung der Schweißnähte derart vorgesehen ist, dass diese keine Flächenverdickung bilden, ist sichergestellt, dass die Membranscheiben in Blocklage flächig aneinander anliegen und eine flächige Abstützung gebildet wird, so dass keine Verformung einzelner Membranscheibenpaare erfolgen kann. Durch das Aneinanderliegen der Membranscheiben in der Blocklage ohne Zwischenräume hat der Metallbalg bei der Blocklage eine quasi monolithische Struktur, so dass besonders hohe Druckdifferenzen ohne eine Gefahr der Beschädigung zulässig sind.
Vorzugsweise sind die Membranscheiben ringförmig und in unverformtem Zustand im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und vorzugsweise so geformt, dass die Ränder der Membranscheiben im wesentlichen eben verlaufen. Letzteres ist im Hinblick auf das Verschweißen der Ränder der Membranscheiben von Vorteil, da so keine gekrümmten oder abgewinkelten Bereiche verschweißt werden müssen und ebenfalls keine Längenunterschiede der Membranscheiben zueinander ausgeglichen werden müssen. Die Ränder der zu verschweißenden Membranscheiben können dann einfach plan aufeinandergelegt und mittels einer Schweißnaht verbunden werden.
Die Anordnung kann auch so getroffen sein, dass die Membranscheiben in Teilbereichen konzentrisch zur Axialrichtung profiliert mit in etwa wellenförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Durch diese Ausgestaltung wird die Flexibilität der Metallbälge erhöht und macht diese insgesamt für große Axialbewegungen geeignet.
Zur Erhöhung der Druckfestigkeit bei im wesentlichen gleich bleibender Flexibilität ist es vorteilhaft, den Metallbalg wenigstens zweilagig auszuführen. Dabei werden wenigstens zwei, vorzugsweise zueinander identisch geformte Membranscheiben, mit wenigstens je zwei weiteren vorzugsweise zueinander identisch geformten Membranscheiben unter Bildung eines Paares verschweißt. Auch hier liegt die Schweißnahtdicke unterhalb der Dicke der wenigstens vier Lagen.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen stark schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Hydrospeichers, wobei ein als bewegliches Trennelement im Innenraum des Speichergehäuses befindlicher Metallbalg in ausgezogener Position dargestellt ist;
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt, wobei jedoch der Metallbalg in zusammengedrücktem Zustand (Blocklage) dargestellt ist;
Fig. 3 eine Teil-Seitenansicht einiger Membranscheibenpaare des Metallbalges eines Ausführungsbeispieles des Hydrospeichers;
Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Teil-Seitenansicht von Membranscheibenpaaren des Metallbalges eines anderen Ausführungsbeispieles des Hydrospeichers;
Fig. 5 einen in stark vergrößertem Maßstab gezeichneten Teillängsschnitt des radial außenliegenden Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 6 ein gegenüber Fig. 5 in etwas kleinerem Maßstab gezeichneter Teillängsschnitt des radial außenliegenden Endbereiches dreier aufeinanderfolgender, in Blocklage befindlicher Membranscheibenpaare des Metallbalges des Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 7 einen der Fig. 5 ähnlichen, demgegenüber in etwas kleinerem Maßstab gezeichneten Teillängsschnitt des radial außenliegenden Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Hydrospeichers und
Fig. 8 einen Teillängsschnitt dreier aufeinanderfolgender, entsprechend Fig. 7 ausgebildeter und in Blocklage befindlicher Membranscheibenpaare gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrospeichers.

Fig. 1 und 2 zeigen in stark vereinfachter Darstellung jeweils einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Hydrospeichers mit einem kreiszylindrischen Speichergehäuse 1. Im Innenraum des Speichergehäuses 1 ist ein Metallbalg 3 vorgesehen, der als bewegliches Trennelement dient, das im Innenraum eine Gasseite 5 fluiddicht von einer Fluidseite 7 trennt. In der bei derartigen Hydrospeichern üblichen Weise sind am Speichergehäuse ein zur Gasseite 5 führender Anschluss 9 für ein Arbeitsgas, vorzugsweise Stickstoffgas, sowie ein zur Fluidseite 7 führender Fluidanschluss 11 vorhanden.
Der Metallbalg 3 ist an seinem offenen Ende mit einem Befestigungsring 13 verschweißt, der an der Innenwand des Speichergehäuses 1 festgelegt ist. Das andere Ende des Metallbalges ist durch eine angeschweißte Endplatte 15 abgeschlossen. Zwischen Endplatte 15 und Befestigungsring 13 ist der Metallbalg 3 aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Membranscheiben 17 und 19 aufgebaut, deren Ränder wechselseitig miteinander durch Schweißnähte 21 und 23 verbunden sind. Ausbildung der Membranscheiben und Ausgestaltung der Schweißnähte werden unten mit Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 sowie 7 und 8 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Hydrospeicher in einem Betriebszustand mit geringem oder fehlendem Gasdruck auf der Gasseite 5, wobei der Metallbalg 3 ausgezogen ist, so dass das Volumen der an der Balgaußenseite befindlichen Gasseite 5 verkleinert und das Volumen der an die Innenseite des Metallbalges 3 angrenzenden Fluidseite 7 vergrößert ist. Demgegenüber zeigt Fig. 2 einen Betriebszustand bei geringem oder fehlendem Fluiddruck auf der Fluidseite 7, wobei der Metallbalg 3 vollständig zusammengedrückt ist, wobei die Membranscheiben 17, 19 zur gegenseitigen Abstützung aneinander angepreßt sind. In dieser so genannten Blocklage bildet der Metallbalg 3 eine außerordentlich druckfeste Struktur, so dass der Hydrospeicher auch bei sehr hohem Gasdruckniveau bei einem Abfall oder einem vollständigen Fehlen des Fluiddruckes betriebssicher bleibt. Da die Schweißnähte plan entlang ihres Außenumfanges in die Membranscheiben 17, 19 übergehen, ist insoweit auch bei stoßartiger Krafteinleitung in den Metallbalg 3 ein den Metallbalg 3 schädigender Abrieb zwischen den benachbarten, aneinanderstoßenden Schweißnähten vermieden.
Fig. 3 und 4 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen kreisringförmiger Membranscheiben 17 und 19 die über am radial außenliegenden Rand befindliche Schweißnähte 21 und über am radial innenliegenden Rand befindliche Schweißnähte 23 zu Membranscheibenpaaren verbunden sind. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 sind die Membranscheiben 17, 19 in den zwischen den Schweißnähten 21 und 23 verlaufenden Bereichen jeweils mit konischer Biegung ebenflächig ausgebildet. Im Unterschied hierzu weisen die Membranscheiben 17, 19 des Beispieles von Fig. 4 zwischen den Schweißnähten 21 und 23 jeweils eine Profilierung 18 mit einer zur Längsachse 25 konzentrisch verlaufenden Wellenform auf.
Fig. 5 und 6 verdeutlichen die Ausbildung der Schweißverbindungen bei einem Metallbalg 3' eines Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik, aufgezeigt am Beispiel der radial außenliegenden Schweißnähte 21'. Wie am deutlichsten aus Fig. 5 zu ersehen ist, sind beim Stand der Technik die Schweißnähte in Tropfenform, wobei der Durchmesser des "Tropfens" größer ist als die Summe der Dicken der Membranscheiben 17' und 19'. Fig. 6 zeigt den Betriebszustand, bei dem bei einem Metallbalg 3' eines Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik der an der Außenseite des Metallbalges 3' herrschende Druck den Metallbalg in Axialrichtung vollständig bis zur Blocklage zusammengedrückt hat. Hierbei kommt es zur gegenseitigen Anlage der Schweißnähte 21' sowie in entsprechender Weise auch der in Fig. 6 nicht gezeigten radial innenliegenden Schweißnähte. Wie aus Fig. 6 deutlich ersichtlich ist, entsteht, da der Durchmesser der Schweißnähte 21' jeweils größer ist als die Summe der Dicken der betreffenden Membranscheiben 17', 19', jeweils ein Abstand 27 zwischen zusammengeschweißten Membranscheibenpaaren. Wird nun die Druckbelastung weiter erhöht, so verformen sich die einzelnen Membranscheiben 17', 19' infolge der fehlenden Abstützung in den Bereichen der Abstände 27, was zum Versagen des Balges 3' führt.
Fig. 7 und 8 zeigen, wiederum am Beispiel nur der radial außenliegenden Schweißnähte 21, den gegenüber dem Stand der Technik völlig unterschiedlichen Belastungszustand, wie er gegeben ist, wenn der Metallbalg 3 zur Blocklage zusammengedrückt ist. Wie beim Vergleich der Fig. 5 und 7 klar erkennbar ist, ist die Schweißnaht 21 erfindungsgemäß derart andersartig gestaltet, dass die Gesamtdicke der miteinander verschweißten Membranscheiben 17 und 19 gleich oder größer ist als die in Axialrichtung (Vertikalrichtung bei Blickrichtung entsprechend Fig. 7) gemessene Dicke der Schweißnaht 21. Wie Fig. 7 zeigt, hat die Schweißnaht 21 am radial außenliegenden Endbereich eine Querschnittsform in Form eines Teilkreises, wobei der Krümmungsradius kleiner als die Dicke einer einzelnen Membranscheibe 17, 19 ist. Ausgehend von dem teilkreisförmigen radial außenliegenden Querschnittsbereich steigt die Dicke der Schweißnaht 21 dann näherungsweise parabelförmig nur so stark an, dass die Schweißnaht 21 innerhalb der Gesamtdicke der Membranscheiben 17, 19 bleibt. Die jeweilige Schweißnaht ragt in die zuordenbaren Paare an Membranscheiben hinein und ist dort im Querschnitt bis zum Übergang an die Parabel halbkreisförmig ausgebildet.
Bei dieser Gestaltung der Schweißnähte 21 und auch der nicht gezeigten, radial inneren Schweißnähte 23 ergibt sich bei vollständigem Zusammendrücken des Metallbalges 3 in die Blocklage der in Fig. 8 gezeigte Zustand. Wie ersichtlich, liegen die Membranscheiben 17, 19 jeweils, ohne dass irgendein Abstand oder Zwischenraum gebildet würde, großflächig aneinander an. In der vollständig zusammengedrückten Blocklage bildet der Metallbalg 3 somit einen drucksteifen Block aus aneinanderliegenden Metallscheiben, der ohne Beschädigung nahezu unbegrenzte Durckbelastungen ertragen kann.
Aufgrund der so gebotenen Drucksicherheit bei Erreichen der Blocklage ist beim erfindungsgemäßen Hydrospeicher vorzugsweise die Anordnung so getroffen, dass die an die Außenseite des Metallbalges 3 angrenzende Seite (zum Beispiel der Gasseite 5) denjenigen Arbeitsraum bildet, in welchen beim Betrieb des Hydrospeichers derjenige Druck herrscht, der am Metallbalg 3 die größte, vorkommende Druckdifferenz erzeugt. Bei an der Außenseite des Metallbalges 3 befindlicher Gasseite 5 ist beim erfindungsgemäßen Hydrospeicher eine Gefahr der Beschädigung auch bei einem Absinken oder einem Ausfall des auf der Fluidseite 7 herrschenden Fluiddruckes vermieden, weil, wie oben dargelegt, der in Blocklage befindliche, vollständig zusammengedrückte Metallbalg 3 eine druckfeste Struktur bildet, die beschädigungsfrei einem auf der Gasseite 5 herrschenden Vorfülldruck oder Gas-Arbeitsdruck widersteht.
Die in Fig. 7 und 8 gezeigte Gestaltung der Schweißnähte lässt sich betriebssicher, rationell und reproduzierbar mittels einer Laserschweißeinrichtung fertigen. Bei geeignetem Werkstoff der zu verschweißenden Membranscheiben 17, 19, beispielsweise einem austenitischen Edelstahl, lassen sich die Schweißnähte 21, 23 durch Anschmelzen der Membranscheiben 17, 19, d. h. ohne Schweißzusatzstoffe, erzeugen.

Claims

Hydrospeicher mit einem Speichergehäuse (1), in dessen Innenraum ein Metallbalg (3) angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Membranscheiben (17, 19) aufweist, deren Ränder wechselseitig miteinander durch Schweißnähte (21, 23) verbunden sind, und der ein bewegliches Trennelement zwischen einer Gasseite (5) und einer Fluidseite (7) bildet, deren Volumina durch in Axialrichtung erfolgendes Ausziehen und Zusammendrücken des Metallbalges (3) veränderlich sind, wobei bei zumindest einem Teil der Membranscheiben (17, 19) die Schweißnähte (21, 23) so dimensioniert sind, dass die in Richtung der Dicke der Membranscheiben (17, 19) gemessene Dicke der Schweißnähte (21, 23) höchstens gleich der Gesamtdicke der zu verschweißenden Membranscheiben (17 und 19) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in Radialrichtung gemessene Dicke der Schweißnähte (21, 23) größer ist als die in Axialrichtung gemessene Dicke einer einzelnen Membranscheibe (17 oder 19).
Hydrospeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranscheiben (17, 19) ringförmig und in unverformtem Zustand im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
Hydrospeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Membranscheiben (17, 19) im wesentlichen eben verlaufen.
Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranscheiben (17, 19) in Teilbereichen konzentrisch zur Axialrichtung profiliert mit in etwa wellenförmigem Querschnitt (18) ausgebildet sind.
Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte (21, 23) im Axialschnitt in etwa parabelförmig ausgebildet sind.
Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte (17, 19) mittels einer Laserschweißeinrichtung erzeugt sind.
Hydrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Seite im Innenraum des Speichergehäuses (1), deren Volumen sich bei dem Zusammendrücken des Metallbalges (3) vergrößert, als die Seite vorgesehen ist, die im Betrieb den höchsten, verkommenden Betriebsdruck trägt.
Hydrospeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Seite, deren Volumen sich beim Zusammendrücken des Metallbalges (3) vergrößert, als die Gasseite (5) vorgesehen ist.