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Die
Erfindung betrifft einen Druckbehälter entsprechend dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Eingeschlossene
Gasmassen werden u. a. dort eingesetzt, wo ein Medium unter Druck
gesetzt und gehalten werden soll, aber keine Vermischung mit einem
offenen Druckseid eingehen darf. Eine verbreitete Anwendung liegt
bei Kolben-Zylinderaggregaten wie Schwingungsdämpfer vor. Ein solcher Schwingungsdämpfer mit
einer eingeschlossenen Gasmasse ist beispielsweise aus der
US 3 294 391 bekannt. Die
eingeschlossene Gasmasse dient zur Kompensation des Volumens der
in den Schwingungsdämpfer
eintauchenden Kolbenstange bzw. des Kolbens.
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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
2 und
4 ersichtlich
ist, Verbindungen
27V vorgenommen und damit in Umfangsrichtung
winklig verlaufende Abschnitte erreicht. Danach traten die erwähnten Spannungsspitzen
auf.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, einen runden Druckbehälter, beispielsweise wie in
der 5 dargestellt, zu
verwenden. Der Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß für jede Durchmessergröße des den
Druckbehälter
umgebenden Rohres eine separate Druckbehälterausführung hergestellt werden müßte, wenn
man das Ziel verfolgt, einen möglichst
großen
Druckbehälter
zu verwenden bzw. eine optimale Raumausnutzung anstrebt.
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Die
DE 35 16 751 A1 beschreibt
einen elastischen Ausgleichsbehälter
in einem hydraulischen Schwingungsdämpfer. Der elastische Ausgleichsbehälter besteht
aus einem Gummiwerkstoff und setzt sich aus mehreren zylindrischen
Bereichen zusammen.
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In
der
DE 197 41 651
C1 wird ein Volumenausgleichskörper für einen Schwingungsdämpfer offenbart,
wobei der Volumenausgleichskörper
aus einem Schaumstoffmaterials besteht, das mit einer Folie überzogen
ist. Vertiefungen innerhalb des Volumenausgleichskörpers sollen
eine gleichmäßige Druckbelastung
bewirken.
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Die
DE 1 064 825 A offenbart
eine nachgiebige dichte, im wesentlichen zylindrische Hülle mit
einer Balgen- oder Ziehharmonikaform, die einen Schwingungsdämpfer umschließt. Die
Ziehharmonikaform ermöglicht
eine in Längsrichtung
des Schwingungsdämpfers
verlaufende Längenänderung
der Hülle,
wobei die Längenänderung
einer Balgfalte über
den gesamten Umfang gleichmäßig verläuft.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter für eine eingeschlossene
Gasmasse zu erreichen, dessen Hüllkörper auch
bei einer ungleichmäßigen Verformung
möglichst
kleine innere Spannungen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch den Patentanspruch 1 gelöst.
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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.
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Der
Begriff "überlagertes
Profil" ist so zu
verstehen, daß z.
B. die Prägung
zwischen den zueinander winklig ausgerichteten Abschnitten das Dehnungsprofil
nicht unterbricht, sondern auch die Prägung das Dehnungsprofil aufweist.
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Die
praktische Ausgestaltung des Dehnungsprofils muß auch unter wirtschaftlichen
Gesichtspunkten gesehen werden. Man wird einen Kompromiss zwischen
Herstellungsaufwand 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 eingeleitet werden.
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Im
Hinblick auf kurze Taktzeiten bei der Herstellung des Druckbehälters kann
man vorsehen, daß sich
das Dehnungsprofil auf einen Streifen im Bereich des geprägten Übergangs
beschränkt.
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Um
die größtmögliche Wirkung
des Dehnungprofils zu erreichen, erstreckt sich dieses quer zur
Längsachse
des Hüllkörpers. Bei
besonders hochbelasteten Druckbehälter kann man auch vorsehen,
daß das
Dehnungsprofil aus mehreren Einzeldehnungsprofilen besteht.
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Aus
Gründen
der Festigkeit ist vorgesehen, daß das aus mehreren Einzeldehnungsprofilen
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 rautenförmigen Wandungssegmente
auf einem Teilkreis und auf Parallelen zu der Längsachse liegen.
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Anhand
der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1 Anwendungsbeispiel
der eingeschlossenen Gasmassen bei einem Schwingungsdämpfer.
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2.
Schnitt durch den Schwingungsdämpfer
und den Hüllkörper
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3a, 3b Schnitt
durch die Wandung des Hüllkörpers
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4 Ansicht
der eingeschlossenen Gasmassen
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5 Abwicklung
des Hüllkörpers
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6 Detaildarstellung
des Hüllkörpers
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Die 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.
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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.
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Bei
einer Kolbenstangenbewegung wird das verdrängte Kolbenstangenvolumen durch
eine Volumenänderung
der eingeschlossenen Gasmassen ausgeglichen.
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Die 2 zeigt
einen Schnitt durch den Schwingungsdämpfer 1 im Bereich
der eingeschlossenen Gasmasse 19. Die eingeschlossene Gasmasse
besteht aus einem Hüllkörper 27 mit
einer Wandung 29, die mit einem Gas, insbesondere Stickstoff druckgefüllt ist.
Man kann alternativ CO2 oder bei entsprechend
schneller Montage auch ein Flüssiggas verwenden.
Die Wandung 29 besitzt eine Innenwandung 29i und
eine Außenwandung 29a,
die wiederum einen Anfang und ein Ende bilden. Bei diesem Anwendungsbeispiel
ist die eingeschlossene Gasmasse kreisbogenförmig in den Ausgleichsraum 17 eingelegt.
In der Schnittdarstellung sind in Reihe angeordnete zueinander winklig
ausgerichtete Abschnitte 41 der eingeschlossenen Gasmasse
erkennbar. Die Abschnitte 41 werden durch parallel zur
Achse des Schwingungsdämpfers
verlaufende geprägte Übergange 43 zwischen
der Innenwandung 29i und der Außenwandung 29a gebildet.
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Zu
der eingeschlossenen Gasmasse gehört ein Füllanschluß 31, der über eine
Füllöffnung 33 im Behälterrohr
zugänglich
ist. Bei der Montage des Schwingungsdämpfers wird der ungefüllte Hüllkörper in
das Behälterrohr 15 eingelegt,
wobei der Füllanschluß 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 Schwingungsdämpfer geschlossen,
kann über
eine nicht dargestellte Fülleinheit
z.B. Injektionsnadel die eingeschlossene Gasmasse zugeführt werden.
Wird die Injektionsnadel entfernt, so verschließt sich die Einstichöffnung selbsttätig. Die
Füllöffnung kann
nach dem Befüllen durch
eine eingedrückte
Kugel 35 verschlossen werden.
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In
der 3a ist ein Schnitt durch die Wandung 29 dargestellt,
wobei die Innenwandung 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 eingeschlossene Gas. Nach außen ist die Aluminiumfolie
durch eine Schutzfolie 29S beschichtet. Diese Schutzfolie
fördert
die Stabilität,
erhöht
die Reißfestigkeit
und verhindert eine zu starke Knitterbildung. Diese Schicht hat
eine Stärke
im Bereich der Alufolie und besteht beispielsweise aus PET oder
Polyamid.
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Nach
innen verfügt
die Wandung über
eine verschweißbare
Beschichtung 29V. Die verschweißbare 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 kreuzweise zueinander aufgetragen.
Dadurch erreicht man eine hohe Festigkeit und Formstabilität, 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 Siegel schweißung für den Hüllkörper vornehmen. Bei einer Siegelschweißung wird
die Schutzschicht überlappend
auf die Schweißschicht gelegt
und durch Wärmezufuhr
verschweißt.
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Die 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 bekommt gummielastische
Eigenschaften. Des weiteren stellt die Tragschicht einen Schutz
der Metallfolie beim Schweißvorgang
dar. Es muß gesichert
sein, daß kein
Betriebsmedium aus dem Druckbehälter
mit der Metallfolie in Kontakt tritt. Je nach Betriebsmedium kann
die Metallfolie chemisch angegriffen werden. Es ist anzustreben,
die Metallfolie 29AL in die neutrale Fase der Wandung des
Hüllkörpers anzuordnen,
um die Biegebeanspruchung zu optimieren.
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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.
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Die 4 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Abschnitt 41 des Hüllkörpers 27. In dieser
Ansicht ist ein Dehnungsprofil 45 deutlich zu erkennen. Dieses
Dehnungsprofil unterstützt
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.
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In
der 5 ist ein abgewickelter Hüllkörper 27 dargestellt.
Am Rand sind Schweißnähte 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 3,
benötigt.
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Die 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 Schweißnähten 37 verlaufen
lassen, da in diesem Bereich mit einer größeren Faltenbildung zu rechnen
ist.
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Das
mittlere Dehnungsprofil 45 ist waagerecht ausgeführt. Ein
waagerechtes Dehnungprofil ist besonders leicht herstellbar. Die
rechte Variante zeigt ein Dehnungsprofi 45, das aus zwei
sich kreuzenden Einzeldehnungprofilen 45a; 45b besteht,
wodurch rautenförmige
Wandungssegmente 49 bestimmt werden. Wenn man, wie dargestellt,
die Einzeldehnungsprofile wechselweise unter 45° verlaufen, dann liegen die
Schnittpunkte des Dehnungsprofils parallel der Hauptachsen des Hüllkörpers 27.
Damit wird das Dehnungsverhalten des Hüllkörpers nochmals nachhaltig verbessert,
da sich bei Kraftangriff an den Schnittpunkten eine größere Dehnung
einstellt im Vergleich zu einer horizontalen und vertikalen Ausführung des
Dehnungsprofils 45.
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Mit
der 6 soll verdeutlicht werden, daß der geprägte Übergang 43 zwischen
den Abschnitten 41 der eingeschlossenen Gasmasse und das
Dehnungsprofil 45 ein überlagertes
Profil bilden, in dem beide Profilcharakteristiken erhalten bleiben.
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Die
beschriebene Anwendung beim Schwingungsdämpfer ist nur beispielhaft
zu bewerten. 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 Federelementen
eingesetzt wird. Bei einigen Anwendungen, z. B. bei einem Einrohrdämpfer 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 1, wobei
identische Bauteile dieselben Bezugsziffern tragen. Als Anschlag
kann man beispielsweise einen eingespannten Ring, oder soweit vorhanden,
Bodenventil 25 verwenden.