DE10001104A1 - Druckbehälter mit einer eingeschlossenen Gasmasse - Google Patents

Abstract

Druckbehälter, der mit einem mindestens einem Medium gefüllt ist, das von einer in einem formveränderlichen Hüllkörper eingeschlossene Gasmasse vorgespannt ist, insbesondere zum Volumenausgleich bei einem Schwingungsdämpfer, umfassend eine Wandung, in der ein unter Druck stehendes Gas eingeschlossen ist, wobei die Wandung des Hüllkörpers zumindest teilweise aus einer gasdichten Sperrschicht gebildet wird und der Druckbehälter in Umfangsrichtung winkling zueinander ausgerichtete Abschnitte aufweist, wobei die Wandung zwischen den zueinander winklig ausgerichteten Abschnitten einen geprägten Übergang aufweist. Zusätzlich kann die Wandung mit einem Dehnungsprofil ausgeführt sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter entsprechend dem Oberbegriff von Patentan­ spruch 1.

Eingeschlossene Gasmassen werden u. a. dort eingesetzt, wo ein Medium unter Druck gesetzt und gehalten werden soll, aber keine Vermischung mit einem offenen Druck­ fluid eingehen darf. Eine verbreitete Anwendung liegt bei Kolben-Zylinderaggregaten wie Schwingungsdämpfer vor. Ein solcher Schwingungsdämpfer mit einer eingeschlos­ senen Gasmasse ist beispielsweise aus der US 3 294 391 bekannt. Die eingeschlossene Gasmasse dient zur Kompensation des Volumens der in den Schwingungsdämpfer ein­ tauchenden Kolbenstange bzw. des Kolbens.

Die DE 198 35 222 A1 beschreibt einen Druckbehälter mit einem formveränderlichen Hüllkörper, in dem eine Gasmasse eingeschlossen ist. Versuche haben ergeben, daß der Hüllkörper an bestimmten Stellen Spannungsspitzen aufweist, die die Lebensdauer des Druckbehälters nachteilig beeinflussen. Bei einem Druckbehälter in Rechteckform, der in einen runde Einbaulage gebracht wird, beispielsweise in einem Schwingungsdämpfer, kann es willkürliche Knicke geben. Als eine Maßnahme diese Knicke zu vermeiden, hat man, wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, Verbindungen 27 V vorgenommen und damit in Umfangsrichtung winklig verlaufende Abschnitte erreicht. Danach traten die erwähnten Spannungsspitzen auf.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen runden Druckbehälter, beispielsweise wie in der Fig. 5 dargestellt, zu verwenden. Der Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß für jede Durchmessergröße des den Druckbehälter umgebenden Rohres eine sepa­ rate Druckbehälterausführung hergestellt werden müßte, wenn man das Ziel verfolgt, einen möglichst großen Druckbehälter zu verwenden bzw. eine optimale Raumausnut­ zung anstrebt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter für eine eingeschlosse­ ne Gasmasse zu erreichen, dessen Hüllkörper möglichst kleine Spannungsspitzen auf­ weist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer ersten Variante durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Der geprägte Übergang verhindert, daß der Hüllkörper undefinierten Knickungen aus­ gesetzt ist und übermäßig Reibung an den Wandungen auftritt. Entsprechende ausge­ rundete Übergänge minimieren die Spannungszustände in dem Hüllkörper, so daß die Lebensdauer des Hüllkörpers entscheidend verlängert werden konnte. In weiterer vor­ teilhafter Ausgestaltung ist der geprägte Übergang als Radius ausgeführt.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Minimierung der Spannungszustände in dem Hüllkörper besteht darin, daß die Wandung mit einem Dehnungsprofil ausgeführt ist. Gerade dann, wenn die Wandung des Hüllkörpers einen Werkstoff mit einer sehr geringen Dehnungseigenschaft aufweist, z. B. einer Metallfolie, kann die Dehnung des Hüllkörpers durch ein Dehnungprofil erreicht werden. Unter einem Dehnungprofil sind alle Faltungen der Wandung zu verstehen, die eine Längenänderung durch Streckung der Faltung ermöglichen.

Die praktische Ausgestaltung des Dehnungsprofils muß auch unter wirtschaftlichen Ge­ sichtspunkten gesehen werden. Man wird einen Kompromiss zwischen Herstellungs­ aufwand und Dehnungsfähigkeit des Dehnungsprofils suchen. Umfangreiche Versuche haben ergeben, daß ein Dehnungsprofil mit einem sinusförmigen Querschnitt besonders gut geeignet ist, da hierbei die geringsten zusätzlichen Spannungen in die Folie eingelei­ tet werden.

Des weiteren kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der geprägte Übergang zwischen den winklig zueinander ausgerichteten Abschnitten und das Dehnungsprofil ein überla­ gertes Profil bilden. Überlagertes Profil ist so zu verstehen, daß z. B. die Prägung zwi­ schen den zueinander winklig ausgerichteten Abschnitten das Dehnungsprofil nicht un­ terbricht, sondern auch die Prägung das Dehnungsprofil aufweist.

Im Hinblick auf kurze Taktzeiten bei der Herstellung des Druckbehälters kann man vor­ sehen, daß sich das Dehnungsprofil auf einen Streifen im Bereich des geprägten Über­ gangs beschränkt.

Um die größtmögliche Wirkung des Dehnungprofils zu erreichen, erstreckt sich dieses quer zur Längsachse des Hüllkörpers erstreckt. Bei besonders hochbelasteten Druckbe­ hälter kann man auch vorsehen, daß das Dehnungsprofil aus mehreren Einzeldeh­ nungsprofilen besteht.

Aus Gründen der Festigkeit ist vorgesehen, daß das aus mehreren Einzeldehnungsprofi­ len bestehende Dehnungsprofil rautenförmige Wandungssegmente begrenzt. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dehnungprofile schräg zur Längsachse des Druckbehälters verlaufen und die sich dadurch ergebenden Eckpunkte der rautenförmi­ gen Wandungssegmente auf einem Teilkreis und auf Parallelen zu der Längsachse lie­ gen.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Anwendungsbeispiel der eingeschlossene Gasmasses bei einem Schwin­ gungsdämpfer

Fig. 2. Schnitt durch den Schwingungsdämpfer und die eingeschlossene Gasmasse

Fig. 3a, 3b Schnitt durch die Wandung des Hüllkörpers

Fig. 4 Ansicht der eingeschlossene Gasmasses

Fig. 5 Abwicklung des Hüllkörpers

Fig. 6 Detaildarstellung des Hüllkörpers

Die Fig. 1 zeigt einen an sich bekannten Schwingungsdämpfer 1 in Zweirohrbauweise, bei dem eine Kolbenstange 3 mit einem Kolben 5 in einem Druckrohr 7 axial beweglich geführt ist. Der Kolben 5 trennt das Druckrohr in einen oberen Arbeitsraum 9 und einen unteren Arbeitsraum 11, wobei beide Arbeitsräume über Dämpfventile 13 im Kolben verbunden sind.

Das Druckrohr 7 wird von einem Behälterrohr 15 eingehüllt, wobei die Innenwandung des Behälterrohres und die Außenwandung des Druckrohres einen Ausgleichsraum 17 bilden, der vollständig mit Dämpfmittel und einer eingeschlossenen Gasmasse 19 bis an eine Kolbenstangenführung 21 gefüllt ist. Am unteren Ende des Arbeitsraums 11 ist ein Boden angeordnet, der ggf. ein Rückschlagventil 23 und ein Dämpfventil 25 aufweist.

Bei einer Kolbenstangenbewegung wird das verdrängte Kolbenstangenvolumen durch eine Volumenänderung der eingeschlossene Gasmasses ausgeglichen.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Schwingungsdämpfer 1 im Bereich der einge­ schlossenen Gasmasse 19. Die eingeschlossene Gasmasse besteht aus einem Hüllkör­ per 27 mit einer Wandung 29, die mit einem Gas, insbesondere Stickstoff druckgefüllt ist. Man kann alternativ CO₂ oder bei entsprechend schneller Montage auch ein Flüssig­ gas verwenden. Die Wandung 29 besitzt eine Innenwandung 29i und eine Außenwan­ dung 29a, die wiederum einen Anfang und ein Ende bilden. Bei diesem Anwendungs­ beispiel ist die eingeschlossene Gasmasse kreisbogenförmig in den Ausgleichsraum 17 eingelegt. In der Schnittdarstellung sind in Reihe angeordnete zueinander winklig aus­ gerichtete Abschnitte 41 der eingeschlossenen Gasmasse erkennbar. Die Abschnitte 41 werden durch parallel zur Achse des Schwingungsdämpfers verlaufende geprägte Über­ gange 43 zwischen der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a gebildet.

Zu der eingeschlossenen Gasmasse gehört ein Füllanschluß 31, der über eine Füllöff­ nung 33 im Behälterrohr zugänglich ist. Bei der Montage des Schwingungsdämpfers wird der ungefüllte Hüllkörper in das Behälterrohr 15 eingelegt, wobei der Füllan­ schluß 31 in die Füllöffnung eingeknöpft wird. Danach führt man das Druckrohr 7 ein. Anschließend wird der gesamte Schwingungsdämpfer mit Öl gefüllt, wobei sich das Volumen der Ölfüllung nach dem späteren Betriebsdruck richtet, der bei Stillstand der Kolbenstange durch die eingeschlossene Gasmasse bestimmt wird. Ist der Schwin­ gungsdämpfer geschlossen, kann über eine nicht dargestellte Fülleinheit z. B. Injektions­ nadel die eingeschlossene Gasmasse zugeführt werden. Wird die Injektionsnadel ent­ fernt, so verschließt sich die Einstichöffnung selbsttätig. Die Füllöffnung kann nach dem Befüllen durch eine eingedrückte Kugel 35 verschlossen werden.

In der Fig. 3a ist ein Schnitt durch die Wandung 29 dargestellt, wobei die Innenwan­ dung 29i und die Außenwandung 29a aus demselben Werkstoff bestehen können bzw. denselben Aufbau aufweisen. Kernstück der Wandung ist eine Metallfolie, insbesondere eine Aluminiumfolie 29Al, die nur wenige µm dick ist. Vornehmlich Walzaluminium ist besonders geeignet. Die Aluminiumfolie übernimmt die Dichtfunktion für das einge­ schlossene Gas. Nach außen ist die Aluminiumfolie durch eine Schutzfolie 295 beschich­ tet. Diese Schutzfolie fördert die Stabilität, erhöht die Reißfestigkeit und verhindert eine zu starke Knitterbildung. Diese Schicht hat eine Stärke im Bereich der Alufolie und be­ steht beispielsweise aus PET oder Polyamid.

Nach innen verfügt die Wandung über eine verschweißbare Beschichtung 29V. Die ver­ schweißbare Beschichtung kann auch mehrlagig, beispielsweise zweilagig ausgeführt sein und etwa die vier- bis fünffache Materialstärke der Aluminiumfolie aufweisen. Bei einer mehrlagigen Beschichtung 29V werden die einzelnen Lagen gereckt und kreuz­ weise zueinander aufgetragen. Dadurch erreicht man eine hohe Festigkeit und Form­ stabilität, insbesondere innere Spannungen werden kompensiert. Als Materialien haben sich PP und PA bewährt. Die Schichtdicke beträgt ca 50 bis 100 µm. Wenn für die Schutzschicht und die Schweißschicht jeweils PA eingesetzt wird, kann man eine Siegelschweißung für den Hüllkörper vornehmen. Bei einer Siegelschweißung wird die Schutz­ schicht überlappend auf die Schweißschicht gelegt und durch Wärmezufuhr ver­ schweißt.

Die Fig. 3b zeigt den Aufbau der Wand des Hüllkörpers, die zusätzlich eine Tragschicht 29T aufweist. Diese Tragschicht sorgt für die Festigkeit in allen Belastungsrichtungen des Hüllkörpers 29. Bei der Verwendung der Tragschicht kann die Metallfolie 29Al bis auf das absolute Minimum reduziert werden. Dadurch wird der Hüllkörper flexibler und be­ kommt gummielastische Eigenschaften. Des weiteren stellt die Tragschicht einen Schutz der Metallfolie beim Schweißvorgang dar. Es muß gesichert sein, daß kein Betriebsme­ dium aus dem Druckbehälter mit der Metallfolie in Kontakt tritt. Je nach Betriebsmedi­ um kann die Metallfolie chemisch angegriffen werden. Es ist anzustreben, die Metallfo­ lie 29AL in die neutrale Fase der Wandung des Hüllkörpers anzuordnen, um die Biege­ beanspruchung zu optimieren.

Zwischen den genannten Schichten kann eine Klebeschicht 29K, beispielsweise aus PU aufgetragen werden, der für einen gesicherten Zusammenhang der Schichten sorgt. Die Klebeschicht kann wie ein herkömmlicher Kleber aufgetragen oden auch als Klebefolie eingelegt werden. Alternativ können die einzelnen Schichten auch kalandriert werden.

Die Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt 41 des Hüllkörpers 27. In die­ ser Ansicht ist ein Dehnungsprofil 45 deutlich zu erkennen. Dieses Dehnungsprofil un­ terstützt eine Kissenform der Abschnitte zwischen den geprägten Übergängen 43. Im Bereich der Übergänge kann sich die Wandung in Falten legen und am Äquator 47 des Kissens max. strecken. Beispielhaft ist ein Dehnungsprofil in Sinusform dargestellt. Eine abweichende Faltenbildung ist selbstverständlich auch denkbar. Das Sinusprofil weist beispielsweise einen Abstand von einer Oberwelle zur nächten Oberwelle einen Abstand von 3 mm und eine Amplitude zwischen 0,2 bis 0,3 mm auf.

In der Fig. 5 ist ein abgewickelter Hüllkörper 27 dargestellt. Am Rand sind Schweißnäh­ te 37 ausgeführt, die aus der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a einen geschlossenen Körper werden lassen. Für die Schweißnähte 37 wird die verschweißbare Beschichtung 29V, siehe Fig. 3, benötigt.

Die Fig. 5 zeigt drei mögliche Formen der Ausgestaltung des Dehnungsprofils 45. Bei der linken Variante beschränkt sich das Dehnungsprofil 45 auf einen Streifen im Bereich des geprägten Übergangs 43, da dort die größten Spannungsspitzen auftreten, die es zu minimieren gilt. Man kann das Dehnungsprofil auch parallel zu den Schweißnäh­ ten 37 verlaufen lassen, da in diesem Bereich mit einer größeren Faltenbildung zu rech­ nen ist.

Das mittlere Dehnungsprofil 45 ist waagerecht ausgeführt. Ein waagerechtes Dehnung­ profil ist besonders leicht herstellbar. Die rechte Variante zeigt ein Dehnungsprofi 45, das aus zwei sich kreuzenden Einzeldehnungprofilen 45a; 45b besteht, wodurch rauten­ förmige Wandungssegmente 49 bestimmt werden. Wenn man, wie dargestellt, die Ein­ zeldehnungsprofile wechselweise unter 45° verlaufen, dann liegen die Schnittpunkte des Dehnungsprofils parallel der Hauptachsen des Hüllkörpers 27. Damit wird das Deh­ nungsverhalten des Hüllkörpers nochmals nachhaltig verbessert, da sich bei Kraftangriff an den Schnittpunkten eine größere Dehnung einstellt im Vergleich zu einer horizonta­ len und vertikalen Ausführung des Dehnungsprofils 45.

Mit der Fig. 6 soll verdeutlicht werden, daß der geprägte Übergang 43 zwischen den Abschnitten 41 der eingeschlossenen Gasmasse und das Dehnungsprofil 45 ein überla­ gertes Profil bilden, in dem beide Profilcharakteristiken erhalten bleiben.

Die beschriebene Anwendung beim Schwingungsdämpfer ist nur beispielhaft zu bewer­ ten. Selbstverständlich können auch die Federkräfte der eingeschlossenen Gasmasse genutzt werden. Denkbar ist zum Beispiel der Einsatz als Gasfeder, teil oder volltragend, wie es beispielsweise in der Fahrwerktechnik zur Niveauregelung und hydraulischen Fe­ derelementen eingesetzt wird. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei einem Einrohrdämp­ fer als Ersatz für den Ausgleichsraum, ist ein Anschlag vorzusehen, der den Auftrieb des Hüllkörpers verhindert. Der Einrohrschwingungsdämpfer besteht im wesentlichen aus denselben Bauteilen wie der Schwingungsdämpfer in Zweirohrbauweise nach der Fig. 1, wobei identische Bauteile dieselben Bezugsziffern tragen. Als Anschlag kann man bei­ spielsweise einen eingespannten Ring, oder soweit vorhanden, Bodenventil 25 verwen­ den.

Claims (9)

1. Druckbehälter, der mit einem mindestens einem Medium gefüllt ist, das von einer in einem formveränderlichen Hüllkörper eingeschlossene Gasmasse vorgespannt ist, ins­ besondere zum Volumenausgleich bei einem Schwingungsdämpfer, umfassend eine Wandung, in der ein unter Druck stehendes Gas eingeschlossen ist, wobei die Wan­ dung des Hüllkörpers zumindest teilweise aus einer gasdichten Sperrschicht gebildet wird und der Druckbehälter in Umfangsrichtung winklig zueinander ausgerichtete Abschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (29) zwischen den zueinander winklig ausgerichteten Abschnit­ ten (41) einen geprägten Übergang (43) aufweist.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geprägte Übergang (43) von einem Radius gebildet wird.

3. Druckbehälter nach dem Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (29) mit einem Dehnungsprofil (45) ausgeführt ist.

4. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsprofil (45) einen sinusförmigen Querschnitt aufweist.

5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geprägte Übergang (43) zwischen den winklig zueinander ausgerichteten Abschnitten (41) und das Dehnungsprofil (45) ein überlagertes Profil bilden.

6. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Dehnungsprofil (45) auf einen Streifen im Bereich des geprägten Über­ gangs (43) beschränkt.

7. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungprofil (45) quer zur Längsachse des Hüllkörpers (27) erstreckt.

8. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsprofil (45) aus mehreren Einzeldehnungsprofile (45a; 45b) besteht.

9. Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus mehreren Einzeldehnungsprofilen (45a; 45b) bestehende Dehnungspro­ fil (45) rautenförmige Wandungssegmente (49) begrenzt.