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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.
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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 je doch bei verhältnismäßig niedrigem Druckniveau,
d. h. bei verhältnismäßig geringen
am Metallbalg anstehenden Druckdifferenzen, eingesetzt.
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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.
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Erfindungsgemäß ist diese
Aufgabe durch einen Hydrospeicher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches
1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 die Schweißnähte an den Membranscheibenpaaren
in spezieller Weise so ausgebildet sind, dass die jeweilige Schweißnaht keinen axialen Überstand über die
das Membranscheibenpaar axial begrenzenden Endflächen hinaus bildet, 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 Ab stand bestehen, durch welchen den Membranscheiben
die jeweilige flächige
Ab- bzw. Unterstützung
durch die benachbarte Membranscheibe fehlt.
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Dadurch,
dass erfindungsgemäß 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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die in Radialrichtung gemessene Dicke der Schweißnähte größer als
die in Axialrichtung gemessene Dicke einer einzelnen Membranscheibe.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Schweißnaht
hinreichend dimensioniert ist, was nicht nur die Stabilität der Schweißnaht, sondern ebenfalls
die Lebensdauer des gesamten Metallbalges erhöht.
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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.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es
zeigen:
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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;
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2 einen
der 1 entsprechenden Längsschnitt, wobei jedoch der
Metallbalg in zusammengedrücktem
Zustand (Blocklage) dargestellt ist;
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3 eine
Teil-Seitenansicht einiger Membranscheibenpaare des Metallbalges
eines Ausführungsbeispieles
des Hydrospeichers;
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4 eine
der 3 ähnliche
Teil-Seitenansicht von Membranscheibenpaaren des Metallbalges eines
anderen Ausführungsbeispieles
des Hydrospeichers;
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5 einen
in stark vergrößertem Maßstab gezeichneten
Teillängsschnitt
des radial außenliegenden
Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines
Hydrospeichers gemäß dem Stand
der Technik;
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6 ein
gegenüber 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;
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7 einen
der 5 ähnlichen,
demgegenüber
in etwas kleinerem Maßstab
gezeichneten Teillängsschnitt
des radial außenliegenden
Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines
Ausführungsbeispieles
des erfindungsgemäßen Hydrospeichers
und
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8 einen
Teillängsschnitt
dreier aufeinanderfolgender, entsprechend 7 ausgebildeter
und in Blocklage befindlicher Membranscheibenpaare gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Hydrospeichers.
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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.
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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 3 und 4 sowie 7 und 8 näher erläutert.
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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 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.
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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 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 4 zwischen den Schweißnähten 21 und 23 jeweils
eine Profilierung 18 mit einer zur Längsachse 25 konzentrisch
verlaufenden Wellenform auf.
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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 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'. 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 6 nicht gezeigten radial innenliegenden Schweißnähte. Wie
aus 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
feh lenden Abstützung
in den Bereichen der Abstände 27,
was zum Versagen des Balges 3' führt.
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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 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 7)
gemessene Dicke der Schweißnaht 21.
Wie 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.
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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 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 Metall scheiben, der ohne Beschädigung nahezu
unbegrenzte Durckbelastungen ertragen kann.
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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.
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Die
in 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.