Hydac Technology GmbH, Industriegebiet, 66280 Sulzbach/Saar

Druckspeicher, insbesondere Pulsationsdämpfer

Die Erfindung betrifft einen Druckspeicher, insbesondere Pulsationsdämpfer, mit einem Speichergehäuse, das eine Längsachse definiert und eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung für ein Fluid aufweist, wobei zwei Arbeitsräume, insbesondere ein Gasraum für ein Arbeitsgas und ein Fluid- räum, innerhalb des Speichergehäuses fluiddicht, insbesondere gasdicht, durch ein balgartiges Trennglied voneinander getrennt sind und das Trennglied an seinem einen Ende mit einem einen gehäusefesten Abschluss des Gasraumes bildenden Deckel und an seinem anderen Ende mit einem im Speichergehäuse axial bewegbaren Kolbenteil verbunden ist, das einen beweglichen Abschluss des Gasraumes bildet, so dass Arbeitsbewegungen des Kolbenteiles Volumenänderungen der an das Trennglied angrenzenden Arbeitsräume bewirken.

Druckspeicher dieser Art sind bekannt, vgl. DE 10 2004 004 341 A1. Vor- rangig werden derartige Druckspeicher zur Dämpfung von Druckschwankungen in Hydrauliksystemen eingesetzt, um Mess- und Regeleinrichtungen, Filter und andere im System integrierten Komponenten vor schädlichen Pulsationen zu schützen.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung als Pulsationsdämpfer im Einspritzsystem von Verbrennungsmotoren, insbesondere großer Dieselmo-

toren auf Schiffen oder in Blockheizkraftwerken. Hierbei treten Druckschwankungen sowohl im Kraftstoff-Zulaufsystem als auch im Kraftstoff- Rücklaufsystem auf, wobei Frequenz und Ausprägung der Pulsationen durch die Folge von Einspritzvorgängen bestimmt ist, die das Entnehmen von Kraftstoff aus dem System, das Verdichten, das Einspritzen mittels Hochdruckeinspritzpumpen und das erneute öffnen der Verbindung zum System umfassen. Bei einem 8-Zylinder Viertaktmotor beträgt diese Frequenz beispielsweise 40 Hz bei einer Drehzahl von 600 Umdrehungen/Minute. Je nach Eigenschaften des Systems, den vorgegeben Kraftstoff- förderdrücken und der Funktionsweise der Hochdruckpumpen können Druckspitzen von mehr als 50 Bar auftreten.

Da in derartigen Kraftstoffsystemen üblicher weise Messeinrichtungen wie Viskosimeter, Temperaturmesser und dergleichen integriert sind, die für Druckschwankungen empfindlich sind, ist es wichtig, die Druckschwankungen zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren.

Im Hinblick hierauf liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckspeicher zu schaffen, der sich trotz kompakter Bauweise durch eine beson- ders gute Dämpferwirkung auszeichnet.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Druckspeicher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht eine wesentliche erfinderische Besonderheit gegenüber dem Stande der Technik darin, dass eine In-Line-Bauweise verwirklicht ist, bei der beide Fluidanschlüsse, die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung, auf einer Achse liegen. Gegenüber den bekannten Lösungen, bei denen an einem Ende des Speicher-

gehäυses ein Strömungsumlenkblock vorgesehen ist, an dem beide Fluidan- schlüsse angeordnet sind und in dem innere Umlenkflächen einen Strömungsweg für einströmendes Fluid und ausströmendes Fluid vorgeben, ergibt sich bei der Erfindung eine geringere Baulänge und damit die erstrebte kompakte Bauweise. Die In-Line-Bauweise ermöglicht auch einen einfacheren und platzsparenderen Einbau. Wenn das Speichergehäuse beispielsweise eine zylindrische Form besitzt, erscheint der Druckspeicher nach dem Einbau wie ein Leitungszwischenstück, das sich lediglich im Durchmesser von der Basisleitung unterscheidet. Da bei In-Line-Einbau keine Biege- /Torsionsmomente vom Druckspeicher auf die Leitung ausgeübt werden, läßt sich möglicherweise die Anzahl von Befestigungselementen verringern.

Da an jedem Gehäuseende lediglich eine öffnung vorhanden ist, sind besonders groß dimensionierte Fluidanschlüsse möglich, so dass wesentlich größere Durchflussmengen als beim Stand der Technik realisiert werden können. Diese führt, in Verbindung mit der Durchströmung des Speichergehäuses in dessen Längsrichtung zu der erstrebten Verbesserung der Dämpfungswirkung.

Vorzugsweise ist als Trennglied ein Metallbalg mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Falten oder Membranpaaren vorgesehen, der in seinem Innenraum den Gasraum zwischen Deckel und Kolbenteil begrenzt. Bei Verwendung eines derartigen Metallbalges treten praktisch keine Gasverluste auf. Bei Verwendung geeigneter Metalle, beispielsweise nicht ro- stendem Stahl, ergeben sich keinerlei Probleme durch aggressive Fluide wie Dieselöl, Schweröl oder biologische Kraftstoffe. Auch sind erhöhte Kraftstofftemperaturen nicht störend, da entsprechende metallische Werkstoffe für Temperaturen weit über 200° Celsius beständig sind. Da am Metallbalg

Schweißverbindungen vorgesehen sind, ergibt sich ein gasdichter Abschluss ohne zusätzliche Dichtungen.

Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist das Kolbenteil an seiner an den Fluidraum angrenzenden Seite einen das Volumen des Fluidraumes vergrößernden Hohlraum auf. Wenn hierbei die Anordnung so getroffen ist, dass das Kolbenteil topfförmig mit kreiszylinderförmiger Seitenwand ausgebildet ist, die sich in den kreiszylindrischen Innenraum des Metallbalges entlang der Innenseite von dessen Falten mit entsprechend der Arbeitsbe- wegungen des Kolbenteiles unterschiedlich großer Eintauchtiefe hinein erstreckt, geht die Vergrößerung des Volumens des Fluidraumes gleichzeitig mit einer Verringerung des Volumens des Gasraumes einher. Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen ermöglicht die Wahl der Tiefe des „Topfes" eine Anpassung des Volumenverhältnisses von Gasraum zu Fluid- räum entsprechend den jeweiligen Arbeitsbedingungen. Zum anderen ergibt sich der besondere Vorteil, dass die Länge des Metallbalges auch bei wünschenswert kleinem Volumen des Gasraumes ausreichend lang gewählt sein kann, so dass er eine Vielzahl von Falten aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Balg bei der Ausführung alternierender Bewegungen im Bereich erträglicher Materialspannungen befindet, so dass er einen möglichst großen Hub mit einer möglichst großen Anzahl von Wiederholungen ausführen kann, ohne dass die Betriebssicherheit gefährdet wäre.

Schließlich ist dadurch, dass das Kolbenteil sich topfartig in den Innenraum des Metallbalges erstreckt, der Metallbalg von innen geführt und gestützt, so dass die Möglichkeiten einer angularen oder lateralen Auslenkung begrenzt sind, was den Metallbalg vor ungünstigen Betriebszuständen schützt und einen optimalen Bewegungsablauf gewährleistet.

Bei einer besonders einfachen und kostengünstigen Bauweise ist das Speichergehäuse ein kreiszylindrischer Rohrkörper, in dem der Metallbalg konzentrisch unter Bildung eines Ringraumes zwischen Innenwand des Rohrkörpers und Außenseite des Metallbalges aufgenommen ist und der Rin- graum Teil des Ström ungsweges des Fluides zwischen Einströmöffnung und Ausströmöffnung bildet.

Wenn hierbei der Innendurchmesser des Rohrkörpers in solchem Maße größer gewählt ist als der Außendurchmesser des Metallbalges dass der lich- te Querschnitt des durch den Ringraum gebildeten Strömungsweges gleich oder größer als der lichte Querschnitt von Einströmöffnung und Ausströmöffnung ist, dann lassen sich möglichst große Fluid-Durchflußmengen ohne ins Gewicht fallende Drosselung realisieren.

In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, die Anordnung so zu treffen, dass der Deckel des Metallbalges an der Innenwand des Rohrkörpers über eine Tragstruktur fixiert ist, deren Strukturelemente im Hinblick auf eine Minimierung einer Drosselung am Strömungsweg zwischen Ringraum und benachbarter Ausströmöffnung ausgelegt sind. Zu diesem Zweck kann die Tragstruktur einen an der Innenwand des Rohrkörpers fixierten Haltering aufweisen, mit dem der Deckel des Metallbalges über sich vom Seitenrand des Deckels zum Haltering erstreckende Befestigungsstangen verbunden ist. Bei entsprechend schlanker Gestaltung von Haltering und Befestigungsstangen ergibt sich lediglich ein geringer Strömungswiderstand.

Um die den Metallbalg ausziehende Arbeitsbewegung des Kolbenteiles zu begrenzen, wenn beispielsweise kein Fluid-Systemdruck vorhanden ist und der Gasraum mit dem Arbeitsgas vorgefüllt ist, ist eine Anschlageinrichtung für die Zusammenwirkung mit dem Kolbenteil vorhanden.

In ähnlicher Weise wie bei der den Deckel des Metallbalges fixierenden Tragstruktur kann auch die Anschlageinrichtung durch eine Struktur gebildet sein, deren Strukturelemente im Hinblick auf die Minimierung der durch sie bewirkten Drosselung des Strömungsweges ausgewählt sind.

Auch hierfür kann ein an der Innenwand des Rohrkörpers fixierter Haltering und zumindest eine den Innenraum des Halteringes überspannende Befestigungsstange vorgesehen sein.

Als Arbeitsgas, mit dem der Arbeitsraum vorgefüllt wird, kommt beispielsweise Stickstoffgas (N ₂ ) in Frage. Zusätzlich kann der Gasraum mit einer Zusatzmenge eines Alkohols, vorzugsweise Ethylenglykol, befüllt sein. Dadurch läßt sich das Volumen des Gasraumes zusätzlich zum Zweck einer Feineinstellung reduzieren.

Bei entsprechend ausreichender Zusatzmenge des Alkohols ergibt sich eine Schutzfunktion für den Metallbalg, d.h. bevor das Kolbenteil, beispielsweise bei überdruck im Fluidsystem, am Deckel des Metallbalges anschlägt, bildet sich zwischen Kolbenteil und Deckel ein schützendes Flüssigkeitspol- ster.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

- Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Druckspeichers;

- Fig. 2 eine perspektivische Schrägansicht lediglich der im Inneren des Speichergehäuses des Ausführungsbeispieles von Fig. 1 vorgesehenen

Dämpfereinheit, gesehen im wesentlichen in der in Fig. 1 mit Pfeil Il angegebenen Blickrichtung, und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende, perspektivische Schrägansicht der Dämpfereinheit, jedoch gesehen im wesentlichen in der in Fig. 1 mit Pfeil III angegebenen Blickrichtung.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckspeichers, das als Pulsationsdämpfer einsetzbar ist, weist als Speichergehäuse einen kreiszylindrischen Rohrkörper 1 mit einer Längsach- se 3 auf. Der Rohrkörper 1 weist an seiner Innenwand 5 schmale Ringnuten 7 als Sitz für unten zu beschreibende Sprengringe auf sowie je ein Innengewinde 9 an beiden Endbereichen. Mit diesen Innengewinden 9 ist an beiden Enden ein Speicherdeckel 11 verschraubt, die beide gleich ausgebildet und über jeweils ein Dichtelement 13 am Rohrkörper 1 abgedichtet sind. Der in der Figur links gelegene Speicherdeckel 11 weist eine zentrale Einströmöffnung 15 auf, während der in den Figur rechts gelegene Speicherdeckel 11 eine entsprechende Ausströmöffnung 17 für das Fluid aufweist, dessen Druckschwankungen gedämpft werden sollen.

In konzentrisch zur Längsachse 3 gelegener Anordnung befindet sich im Innenraum des Rohrkörpers 1 die in den Fig. 2 und 3 gesondert dargestellte Dämpfereinheit, die in den letzt genannten Figuren als Ganzes mit 19 bezeichnet ist. Wesentlicher Bestandteil der Dämpfereinheit ist ein Metallbalg 21 in Form eines Faltenbalges kreiszylindrischer Gestalt, der in Fig. 1 in voll ausgezogenem Zustand dargestellt ist, der dem größten Volumen des im

Inneren des Metallbalges 21 befindlichen Gasraumes 23 entspricht. Anstelle eines Faltenbalges könnte auch ein nicht näher dargestellter Membranbalg zum Einsatz kommen, der anstelle von übereinander angeordneten Falten über dahingehend angeordnete Membranpaare verfügt. Zur Bildung eines

gehäusefesten Abschlusses des Gasraumes 23 ist ein Ende 25 des Metallbalges 21 mit einem Deckel 27 verschweißt. An seinem anderen Ende 29 ist der Metallbalg 21 mit einem Kolbenteil 31 verschweißt, das einen beweglichen Abschluss des Gasraumes 23 bildet und im Speichergehäuse eine axiale Arbeitsbewegung ausführen kann, die zu Volumenänderungen des Gasraumes 23 und des die Dämpfereinheit 19 umgebenden Fluidrau- mes 33 führt.

Der Deckel 27 ist über eine Tragstruktur an der Innenwand 5 des Rohrkör- pers 1 fixiert. Diese Tragstruktur weist einen Haltering 35 auf, der mittels eines Sprengringes 37, der in der bereits erwähnten Ringnut 7 sitzt, gesichert ist. Der Haltering 35 wiederum ist über Befestigungsstangen 39 mit dem Seitenrand des Deckels 27 verbunden.

Wie aus Fig. 1 deutlich zu ersehen ist, hat das Kolbenteil 31 die Form eines Topfes, dessen kreiszylindrische Seitenwand 41 sich in den Innenraum des Metallbalges 21 hinein erstreckt, wobei die Eintauchtiefe in den Innenraum von der Kolbenstellung bei der Arbeitsbewegung des Kolbenteiles 31 abhängig ist. Wie erwähnt, hat das Kolbenteil 31 bei der Darstellung von Fig. 1 die dem größten Volumen des Gasraumes 23 entsprechende Endstellung, wobei das Kolbenteil 31 mit seinem offenen Topfrand an Stangen 43 anliegt, die Teil einer Anschlageinrichtung bilden. Diese Anschlageinrichtung ist durch eine ähnliche Struktur gebildet, wie sie auch als Tragstruktur für den Deckel 27 Verwendung findet, d. h. es ist ein Haltering 45 mittels eines Sprengringes 47 in der Ringnut 7 gesichert, wobei die Stangen 43 sich in ähnlicher Weise wie die Befestigungsstangen 39 am Haltering 35, sich vom Innenrand des Halteringes 45 erstrecken.

Der Deckel 27 weist einen zentralen Fiillanschluss 49 auf, über den der Gasraum 23 mit einer Vorfüllung versehen werden kann, die aus dem Arbeitsgas, namentlich N ₂ , sowie einer Zusatzmenge aus einem Alkohol, vorzugsweise Ethylenglykol, besteht.

Da die beiden Speicherdeckel 11 lediglich eine öffnung aufweisen, nämlich Einströmöffnung 15 bzw. Ausströmöffnung 17, kann ein großer öffnungsquerschnitt vorgesehen sein, so dass große Durchflussmengen erreicht werden können. Damit ein großer Volumenstrom ohne merkliche Drosselung das Speichergehäuse durchströmen kann, sind der Innendurchmesser des Rohrkörpers 1 und der Außendurchmesser des Metallbalges 21 so gewählt, dass ein ausreichend großer Ringraum 51 als Teil des zum Fluidraum 33 gehörenden Strömungsweges zur Verfügung steht. Im Hinblick hierauf sind auch die Bauelemente der Tragstruktur für den Deckel 27 so gewählt, dass keine wesentliche Behinderung des Strömungsweges gegeben ist, d. h. sowohl der Haltering 35 als auch die Befestigungsstange 39 sind, wie aus den Figuren entnehmbar, schlank ausgebildet, so dass der äußere Rand des Deckels 27 verhältnismäßig ungehindert umströmt werden kann. Entsprechendes gilt für die Gestaltung der Anschlageinrichtung für das Kolbenteil 31, die mit schlank ausgebildetem Haltering 45 und schlanken Stangen 43 keinen beachtlichen Strömungswiderstand bildet.

Dadurch, dass das Speichergehäuse durch einen einfachen Rohrkörper 1 gebildet ist und der Gehäuseabschluss mittels gleich ausgebildeter Spei- cherdeckel 11 erfolgt, ergibt sich eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung. Da die Dämpfereinheit 19 als Baueinheit vorgefertigt werden kann, die als Ganzes in den Rohrkörper 1 eingesetzt und mittels Sprengringen 37, 47 fixiert werden kann, ergibt sich auch eine besonders einfache Montage. Die als Baueinheit vorgefertigte Dämpfereinheit besteht

dabei insbesondere aus dem eigentlichen Metallbalg 21, sowie dem Kolbenteil 31 und dem Haltering 35.

Bei entsprechender Vorfüllmenge besteht eine Schutzfunktion für den Me- tallbalg 21, d.h. bevor das Kolbenteil 31 mit seiner freien Stirnseite an der zugewandten Fläche des Deckels 27 des Halteringes 35 anstößt, bildet sich zwischen den genannten Teilen eine Flüssigkeitsschicht. Hierdurch ist ausgeschlossen, dass auch ein weiterhin ansteigender Druck den Metallbalg 21 radial zusammendrücken könnte.

Im mit Gas vorgefüllten Zustand stützt sich das Kolbenteil 31 auf der Anschlageinrichtung 43 mit ihren Befestigungsstäben ab und der Metallbalg 21 befindet sich insoweit dann in seiner maximalen Streckung. In diesem Zustand ist er so ausgelegt, dass er dem inneren Gasvorfütldruck auf jedenfall Stand halten kann. In allen weiteren Betriebszuständen befindet sich der Metallbalg 21 in einem weitestgehend druckausgeglichenen Zustand. Er wird sich in Abhängigkeit des Systemdruckes und der in ihm herrschenden Gastemperatur zwischen dem unteren und oberen Extrempunkt befinden fähig alle Druckschwankungen für die er ausgelegt ist durch Flüssigkeitsauf- nähme und -abgäbe zu dämpfen bzw. zu eliminieren. Das dahingehende Arbeitsprinzip entspricht dann dem eines klassischen hydropneumatischen Druckspeichers im Dämpfereinsatz.

Die Anschlageinrichtung 43 mit ihren Befestigungsstäben dient dem Ab- stützen des Kolbenteils 31 soweit der Systemdruck unter den Vorfülldruck im Inneren der Metallbalg-Baugruppe, gebildet aus den Komponenten Metallbalg 21 , Kolbenteil 31, Haltering 35 sowie (Gas-)Füllanschluß fällt, was beispielsweise beim Vorfüllen des Metallbalgspeichers 21 mit Stickstoff geschehen kann. Das Abstützen der freien Stirnseite des Kolbenteils 31 er-

möglicht einen freien Durchfluß der Speichereinrichtung, auch wenn der Systemdruck kleiner sein sollte als der Vorfülldruck; das Kolbenteil 31 kann dabei jedenfalls nicht die Fluidöffnung 15 im Deckel 11 versperren.