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Die Erfindung betrifft einen Kolbenspeicher mit einem Speichergehäuse und einem im Speichergehäuse längsverfahrbaren Trennkolben, der zwei Medienräume voneinander separiert.
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Eine der Hauptaufgaben von Hydrospeichern, wie Kolbenspeichern ist u.a. bestimmte Volumen unter Druck stehender Fluide einer hydraulischen Anlage aufzunehmen und diese auf Abruf wieder an die Anlage zurückzugeben. Als Hydrospeicher kommen dabei regelmäßig neben Kolbenspeichern auch Blasenspeicher, Membranspeicher aber auch gewichts- und federbelastete Speicher zum Einsatz. Mit dahingehenden Hydrospeichern lassen sich eine Vielzahl von Aufgaben realisieren, wie der Energiespeicherung, der Stoß-, Schwingungs- und Pulsationsdämpfung, der Rückgewinnung von Energien (Rekuperation) sowie der Volumenstrom-Kompensation.
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Durch
DE 100 57 746 A1 ist ein Hydrospeicher in Form eines Kolbenspeichers bekannt, mit einem Speichergehäuse und mit mindestens einem darin angeordneten Gasraum als dem einen Medienraum und einem Fluid- oder Flüssigkeitsraum als dem anderen Medienraum. Die genannten Medienräume sind über ein kolbenartiges Trennelement voneinander separiert, wobei mindestens einer dieser Medienräume über eine, mindestens ein Schaltventil aufweisende Ventilsteuereinheit mit einem Druckmedium, wie Hydraulikflüssigkeit, befüllbar und von diesem im Betrieb zumindest teilweise entleerbar ist. Bei der bekannten Lösung ist die Ventilsteuereinheit integraler Bestandteil eines massiven Steuerblockes, der sich als Teil des Speichergehäuses an dieses endseitig anschließt.
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Insbesondere bei hoher Dynamik im Betrieb des Kolbenspeichers und bei raschen Entleervorgängen auf der Flüssigkeitsseite des Speichers kann es zu einem harten Aufsetzen respektive Aufschlagen des Trennkolbens, unter dem Einfluss des Gasvorfülldruckes in dem einen Medienraum, auf das massive Abschlussteil des Speichergehäuses in Form des Steuerblockes kommen, so dass zumindest im lang andauernden Betrieb eines solchen Kolbenspeichers mit Beschädigungen am Speichergehäuse und/oder am Trennkolben zu rechnen ist, was die Einsatzdauer solcher Hydrospeicher verringern kann, mit der Folge, dass diese öfters gegen neue Speicher zu tauschen sind.
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Es ist zwar im Rahmen von gattungsfremden Federungszylindern, wie hydropneumatischen Kolbenzylinderanordnungen (
DE 10 2011 010 070 A1 ) bereits vorgeschlagen worden, in ein Zylindergehäuse mit einer darin längsverfahrbar angeordneten Kolbenstange zwecks Dämpfen der Kolbenstangenbewegung einen plattenförmigen Trennwandkörper stationär festzulegen, der mit einer Dämpfungsblende als Dämpfungseinrichtung versehen ist; allein auch wenn man diese Dämpfungsblende, wie gleichfalls aufgezeigt, unmittelbar in den Kolben der Kolbenstange integriert, ist hierfür im Hinblick auf die zusätzlich einzubringende Ventiltechnik der Herstellaufwand und damit auch die Kosten erhöht. Auch hat es sich gezeigt, dass aufgrund der konstanten Drosselquerschnitte der Dämpfungsblende nicht in jedem Fall für jeden Betriebszustand eine hinreichende Dämpfung gewährleistet ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kolbenspeicherlösung zu schaffen, die funktionssicher im Betrieb sich mit geringem Herstellaufwand realisieren lässt und auch bei hohen Bewegungsenergien des Trennkolbens zu guten Dämpfungsresultaten führt. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Kolbenspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung besteht demgemäß darin, dass zwischen Trennkolben und Speichergehäuse eine Endlagendämpfung vorgesehen ist, die mindestens einen Spalt aufweist, der sich mit zunehmender Bewegung des Trennkolbens in Richtung seiner Endstellung verengt und dergestalt einen Strömungswiderstand aufbaut, der die Bewegung des Trennkolbens hemmt und der zumindest in einer der benachbarten Stirnseiten von Trennkolben und Speichergehäuse als Vertiefung eingebracht ist. Durch die mittels des Spaltes angedrosselte Fluidführung beim Bewegen des Trennkolbens in Richtung seiner unteren Anschlagstellung, ist eine funktionssichere wirksame Dämpfung erreicht, die so keine Entsprechung im Stand der Technik hat. Durch die Spaltverringerung kommt es mit zunehmendem Strömungswiderstand zu einer immer stärkeren Andämpfung der Bewegung des Trennkolbens in Richtung seiner Anschlagstellung, so dass auch bei hoher Bewegungsdynamik für den Trennkolben ein ungewolltes Anschlagen an den zugehörigen Teilen des Speichergehäuses vermieden ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers, ist vorgesehen, dass der Spalt ein Ringspalt ist, der eine Medienöffnung umfasst, die das Innere des einen Medienraums medienführend mit der Umgebung verbindet, insbesondere mit medienführenden Komponenten einer technischen Anlage, wie einer Hydraulikanlage. Dergestalt lässt sich zentral über die Medienöffnung Fluid respektive Flüssigkeit, wie Hydrauliköl, aus dem Speicher abführen, so dass der Trennkolben mit seinem Dichtungssystem zentral Betätigungs- und Bewegungskräften ausgesetzt ist, was hilft, dass Dichtungs- und Führungsbandsystem für den Trennkolben zu entlasten. Dies gilt nicht nur bei Entleervorgängen des Speichers, sondern spielt auch eine zentrale Rolle, wenn über die Medienöffnung in den unteren flüssigkeitsführenden Medienraum Fluid hohen Druckes von einer hydraulischen Anlage stammend, in den Speicher strömt und dabei den Trennkolben nach oben in Richtung des Gasvorrates im einen Medienraum bei Erhöhung der Gasvorspannung drückt. Vorzugsweise mündet dabei der Spalt in Richtung der Medienöffnung aus und ist außenumfangsseitig von Wandteilen des Speichergehäuses und/oder des Trennkolbens begrenzt. Der Ringspalt, der auch umfangsseitig in Teilbereiche segmentiert sein kann, erlaubt dergestalt ein ungehindertes Ausströmen des Fluids in Richtung der Medienöffnung aus dem Kolbenspeicher heraus, was einer verbesserten Dämpfungswirkung entgegenkommt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei Anschlag des Trennkolbens am benachbarten Speichergehäuse die Spaltweite konstant ist, wobei der Spalt von parallel zueinander verlaufenden, benachbarten, stirnseitigen Wandteilen von Trennkolben und Speichergehäuse begrenzt ist. Dergestalt lassen sich auch relativ große Fluidvolumina über den Spalt aus dem Speicher abführen, ohne dass es hierbei zu einer hohen thermischen Quetschbeanspruchung des Fluids kommt.
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Besonders bevorzugt ist bei einem erfindungsgemäßen Kolbenspeicher jedoch vorgesehen, dass die Spaltweite kontinuierlich in Richtung der Medienöffnung abnimmt. Dergestalt ergibt sich bei der Bewegung des Trennkolbens in seine untere Anschlagstellung eine zunehmende Spaltweitenverringerung, was besonders gute Dämpfungswerte ergibt, die die Bewegung des Trennkolbens in progressiver Weise dämpft, wohingegen eine konstante Spaltweite eher zu einem linear verlaufenden Dämpfungsverhalten führt.
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Vorzugsweise ist dabei der Spalt als Vertiefung in die Stirnwand des Trennkolbens eingebracht, wobei auch die Möglichkeit besteht, die Vertiefung in der zum Trennkolben benachbarten Stirnwand des Speichergehäuses einzubringen oder nach Möglichkeit spiegelsymmetrisch sowohl eine Spaltvertiefung im Trennkolben als auch im Speichergehäuse an deren benachbarten Stirnwänden vorzusehen.
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Um ein definiertes Aufstoppverhalten des Trennkolbens zu erreichen, was einer Optimierung des Abflussverhaltens des Fluids aus dem Spalt entgegenkommt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Trennkolben unter Begrenzung des Spaltes in zumindest einer seiner Endlagenstellungen, insbesondere in Form der unteren Endlagenstellung, mit seinen Kolbenteilen außenumfangsseitig und/oder innenumfangsseitig auf Anschlag zum Speichergehäuse geht. Ein etwaig innenumfangsseitig verlaufender Anschlag für den Trennkolben kann mit Durchbrechungen versehen sein, die die Spaltvertiefung mit der Medienöffnung im Speicher verbinden, so dass dergestalt angedrosselt, als Teil der Dämpfungseinrichtung Fluid aus dem anderen Medienraum abfließen kann.
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Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, vorzusehen, dass der Trennkolben an seiner freien, der Medienöffnung zugewandten Stirnseite eine zapfenartige Verlängerung aufweist, die als Teil der Endlagendämpfung bei deren Wirksamwerden in die Medienöffnung eintaucht. Über die genannte Verlängerung kann ein weiteres Androsseln des Fluidstroms, ausgehend von der jeweiligen Spaltvertiefung, in Richtung der Medienöffnung vorgesehen sein, was zu verbesserten Dämpfungsergebnissen führt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers ist dabei vorgesehen, dass die kontinuierlich sich verringernde Spaltgröße zumindest teilweise aus einem Konus im Trennkolben gebildet ist. Insbesondere bei der konvexen Ausgestaltung des Spaltverlaufes kommt es zu einem harmonischen Strömungsverhalten und unerwünschte Kavitätserscheinungen im Betrieb des Speichers sind im Bereich der Spaltverringerung in jedem Fall vermieden.
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Es hat sich aus fertigungstechnischer Sicht heraus als vorteilhaft erwiesen, bei einem Kolbenspeicher vorzusehen, dass das Speichergehäuse zumindest aus einer, vorzugsweise zylindrischen, Gehäusewand und aus einem, vorzugsweise zylindrischen, Abschlussteil gebildet ist, das den Medienanschluss aufweist und vorzugsweise in die Gehäusewand eingeschraubt ist. Dergestalt lässt sich mit wenig Komponenten in herstelltechnisch einfacher Weise ein verlässlich funktionierender Kolbenspeicher verwirklichen, der über eine verlässlich funktionierende Endlagendämpfung verfügt. Von besonderer Bedeutung für die erfindungsgemäße Lösung ist weiter, dass wenn der Trennkolben seine untere Anschlagposition anfährt, bei der er beispielsweise auf dem äußeren Anlagering des Gehäusedeckels aufsitzt, in jedem Fall die flüssigkeitsführende Bohrung im Gehäusedeckel nicht verschlossen wird, also offen bleibt, so dass insoweit ungestört Flüssigkeit aus dem spaltförmigen Dämpfungsraum in die ölseitige Anschlussbohrung strömen kann.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßer Kolbenspeicher anhand von Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 6 näher erläutert.
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Die 1 zeigt im Längsschnitt den unteren Teil eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbenspeichers in einer seiner Betriebsstellungen. Der Kolbenspeicher weist einen in einem zylindrischen Speichergehäuse 10 längsverfahrbaren Trennkolben 12 auf, der in Blickrichtung auf die 1 gesehen einen unteren Medienraum 14 von einem oberen Medienraum 16 separiert. Der obere, eine Medienraum 16 dient der Bevorratung eines Arbeitsgases, wie beispielsweise Stickstoffgas, wohingegen der untere, andere Medienraum 14 der Aufnahme einer Flüssigkeit dient, insbesondere in Form von Hydrauliköl.
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Solche Kolbenspeicher sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen auf dem Markt frei erhältlich, so dass auf ihren Aufbau im Einzelnen nur noch insoweit eingegangen wird, als es die Erfindung betrifft. Der Trennkolben 12 ist mit Führungsbändern 18 und Dichtungsringanordnungen 20 versehen, im Speichergehäuse 10 in seiner gezeigten Betriebseinbaulage längsverfahrbar und mithin auf- und abfahrbar angeordnet. Das zylindrische Speichergehäuse 10 ist nach oben hin mediendicht verschlossen, beispielsweise in einer Art wie in der gattungsgemäßen
DE 100 57 746 A1 aufgezeigt. Im Bereich seiner bodenseitigen Öffnung 22 ist das Speichergehäuse 10 mittels eines zylindrischen Abschlussteils 24 verschlossen, das über die bodenseitige Öffnung 22 in die Gehäusewand 25 eingesetzt ist, insbesondere über eine Gewindestrecke 26 in das untere Ende des Speichergehäuses 10 eingeschraubt ist. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Lösung eine Endlagendämpfung 28 auf, die dafür Sorge trägt, dass bei insbesondere raschen Abwärtsbewegungen des Trennkolbens 12 dieser gebremst und insbesondere ein Aufschlagen des Trennkolbens 12 auf dem Abschlussteil 24, was zu Materialschädigungen führen kann, vermieden ist.
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Das Abschlussteil 24 ist an seiner dem Trennkolben 12 zugewandten Stirnseite 30 als eben verlaufende Begrenzungswand ausgeführt, die innenumfangsseitig überstandsfrei in eine Medienöffnung 32 ausmündet, die als zentraler Fluidkanal in Längsrichtung des Speichergehäuses 10 ausgebildet, den unteren Medienraum 14 mit Teilen einer nicht näher dargestellten Hydraulikanlage verbindet. Hierfür weist der Fluidkanal 32 an seiner unteren Auslaufstelle ein Innengewinde 34 zwecks Anschließen einer korrespondierenden Fluid- oder Flüssigkeitsleitung der Hydraulikanlage auf. Außenumfangsseitig geht die plane Begrenzungswand 30 des Abschlussteils 24 in eine zylindrische Anlagewand 36 über, die kopfseitig einen Dichtring 38 aufnimmt, der in abdichtender Weise mit der Innenwand des Speichergehäuses 10 in Anlage ist. Fußseitig schließt sich der Anlagewand 36 dann das Außengewinde 26 des Abschlussteils 24 als Teil der Gewindestrecke 26 an.
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Ausgehend von der Gewindestrecke 26, gebildet durch das Außengewinde des Abschlussteils 24 und das zugeordnete Innengewinde des Speichergehäuses 10, die an der dünnsten Stelle 42 des Speichergehäuses 10 in deren unterem Bereich angeordnet ist, erweitert sich in Stufen 44 die Wandstärke des Speichergehäuses 10, wobei eine mittlere Wandstärke 46 im Bereich der benachbarten Anlagewand 36 des Abschlussteils 24 erreicht ist und der Wandstärkenbereich 48 mit der größten Wanddicke bildet innenumfangsseitig die Lauffläche für den Trennkolben 12 in diesem unteren Bereich aus. Die Übergangsstelle von mittlerem 46 zu größtem 48 Wandstärkenbereich bildet eine ringförmige Begrenzungsfläche 50 aus, die den maximalen Eingriffsbereich des Abschlussteils 24 in das Speichergehäuse 10 vorgibt, wobei wie dargestellt nicht zwingend die Begrenzungswand 30 des Abschlussteils 24 in Anlage mit der abgerundet auslaufenden Anlagefläche 50 des Speichergehäuses 10 zu kommen braucht.
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Der zur Erhöhung des einsetzbaren Gasvolumens mit einer Ausnehmung 54 versehene Trennkolben 12 weist an seinem unteren Ende 56 einen äußeren Begrenzungsring 58 und einen inneren zylindrischen, zapfenartig vorstehenden Anlagebereich 60 auf. Der Begrenzungsring 58 geht außenumfangsseitig einstückig in die äußere Führungswand 62 des Trennkolbens 12 über und seine freie Stirnseite 59 liegt in einer Ebene mit der freien Stirnseite 61 des zylindrischen Anlagebereiches 60, der wiederum einstückiger Bestandteil des Trennkolbens 12 ist und parallel zu der Begrenzungswand 30 des Abschlussteils 24 in jeder Verfahrstellung des Trennkolbens 12 angeordnet ist.
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Der Außendurchmesser des Begrenzungsringes 58 fällt etwas geringer aus als der Außendurchmesser des Abschlussteils 24 im Bereich seiner zylindrischen Anlagewand 36, so dass mit Aufsetzen des Trennkolbens 12 auf dem Abschlussteil 24 eine optimale, schonende Krafteinleitung erreicht ist. Der Außendurchmesser des zylindrischen Anlagebereiches 60 ist wiederum etwas größer gewählt als der freie Durchmesser der Medienöffnung 32, respektive des Zentralkanals, so dass es beim vorstehend beschriebenen Aufsetzen zu einer zentralen Abstützung bei der Krafteinleitung durch den Gegenpart Abschlussteil 24 kommt. Zwischen dem äußeren Begrenzungsring 58 und dem inneren Anlagebereich 60 ist in die freie, nach unten gerichtete Stirnwand 56 des Trennkolbens 12 eine von der Tiefe her gleichbleibende Vertiefung 64 eingebracht, die im Trennkolben 12 einen Ringspalt 66 ausbildet, der konzentrisch zur Längsachse 68 des Speichergehäuses 10 verläuft und Bestandteil der Endlagendämpfung 28 ist.
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Mit Einbringen der Vertiefung 64 in den Trennkolben 12 bleiben der äußere Begrenzungsring 58 und der innere zylindrische, stutzenartige Anlagebereich 60 frei stehen, die bei zuunterst eingenommener Verfahrlage des Trennkolbens 12 in Anlage sind mit der benachbarten, ebenen Begrenzungswand 30 des Abschlussteils 24. In Richtung dieser untersten Verfahrstellung überfährt der Begrenzungsring 58 in axialer Vefahrrichtung parallel zur Längsachse 68 des Speichergehäuses 10 gesehen, den Übergang zwischen mittlerem 46 und größtem 48 Wandstärkenbereich des Speichergehäuses 10. Die Vertiefung 64 in Form des vom Aufnahmevolumen her gleichbleibenden Ringraums, weist einen durch den Trennkolben 12 gebildeten Boden 70 auf, der eben verlaufend, parallel zu den freien Stirnseiten 59, 61 von Begrenzungsring 58 und Anlagebereich 60 verläuft.
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Bewegt sich der Trennkolben 12 bei einem Entnahmevorgang auf seiner Flüssigkeitsseite 14 unter dem Vorspanndruck des Arbeitsgases 16 nach unten, was dynamisch mit entsprechend hohen Geschwindigkeiten erfolgen kann, verengt sich zusehends eine Spaltöffnung, gebildet aus den benachbarten Wandteilen von Abschlussteil 24 und zylindrischem Anlagebereich 60, was zusehends zum Aufbau eines Strömungswiderstandes führt, der im Sinne einer Endlagendämpfung die Bewegung des Trennkolbens 12 in Richtung des Abschlussteils 24 hemmt, was durch die Vertiefung 64 im Trennkolben 12 entsprechend mitbegünstigt ist und ein materialermüdendes Aufschlagen des Trennkolbens 12 auf das stationär angeordnete Abschlussteil 24 des Speichergehäuses 10 als Teil desselben ist verhindert.
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Der dahingehende Androsselvorgang über die freie Spaltöffnung ist in der 1 gezeigt, bevor eventuell der Trennkolben 12 seine untere Anlagestellung mit dem Abschlussteil 24 des Speichergehäuses 10 einnimmt. Ist insoweit die Bewegung nach unten hin abgeschlossen und der Trennkolben 12 in Anlage mit dem Abschlussteil 24 verbleibt eine Restmenge an Flüssigkeit in der Ringvertiefung 64 als Teil des Ringspaltes im Trennkolben 12, die dann eine Art hydrodynamisches Lager ausbildet, das ein hemmnisfreies, kavitationsarmes Nachströmen von Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung von Seiten der Medienöffnung 32 erlaubt, sobald unter einem erhöhten Flüssigkeitsdruck bei gleichzeitiger Erhöhung der Gasvorspannung der Trennkolben 12 von dem Abschlussteil 24 des Speichergehäuses 10 abhebt, sprich in Blickrichtung auf die 1 gesehen, in eine obere Betriebsstellung verfährt.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform besteht darüber hinaus die Möglichkeit in den zylindrischen Anlagebereich 60 des Trennkolbens 12 mindestens eine Drosselbohrung einzubringen, die jeweils mit ihrem einen freien Ende bei Anlage des Trennkolbens 12 in die Medienöffnung 32 und mit ihrem anderen freien Ende in den Ringraum der Vertiefung 64 im Trennkolben 12 ausmündet und dergestalt als Teil einer sich verändernden Spaltgeometrie dient.
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Die 2 zeigt im Längsschnitt den unteren Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers in seiner unteren Endstellung, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 wie folgt unterscheidet:
- In die nach unten gerichtete Stirnwand 56 des Trennkolbens 12 ist eine von dem äußeren Begrenzungsring 58 umfasste Vertiefung 64 mit konstanter Tiefe eingebracht, die im Trennkolben 12 einen scheibenförmigen, zylindrischen Spalt 66 ausbildet, der Bestandteil der Endlagendämpfung 28 ist. Der Spalt 66 ist in Radialrichtung durch die radial innenliegende Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 begrenzt und verläuft konzentrisch zur Längsachse 68 des Speichergehäuses 10. Die Vertiefung 64 im Trennkolben 12 weist einen durch den Trennkolben 12 gebildeten Boden 70 auf, der eben verlaufend parallel zu der freien Stirnseite 59 des äußeren Begrenzungsrings 58 des Trennkolbens 12 verläuft.
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Das Abschlussteil 24 weist an seinem oberen Ende 30, in Radialrichtung gesehen, einen weiteren äußeren Begrenzungsring 76 auf, der koaxial zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers ausgerichtet ist und dessen freie Stirnseite 30 in einer fiktiven Ebene liegt, die senkrecht zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers ausgerichtet ist. Der weitere äußere Begrenzungsring 76 geht außenumfangsseitig einstückig in die äußere Anlagewand 36 des Abschlussteils 24 über. In die nach oben gerichtete Stirnwand 30 des Abschlussteils 24 ist von dem weiteren äußeren Begrenzungsring 76 umfasst eine ringförmige Vertiefung 78 mit konstanter Tiefe eingebracht, die im Abschlussteil 24 einen scheibenförmigen, zylindrischen Spalt 72 ausbildet, der Bestandteil der Endlagendämpfung 28 ist. Der scheibenförmige Spalt 72 ist in Radialrichtung durch die radial innenliegende Seitenwand 80 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 des Abschlussteils 24 begrenzt, die mit der radial innenliegenden Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 des Trennkolbens 12 fluchtet. Die Vertiefung 78 im Abschlussteil 24 weist einen durch das Abschlussteil 24 gebildeten Boden 82 auf, der eben verlaufend, parallel zu der freien Stirnseite 30 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 verläuft und in Richtung radial nach innen überstandsfrei in den Fluidkanal 32 übergeht.
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Die Vertiefung 64 des Trennkolbens 12 weist gegenüber der Vertiefung 78 des Abschlussteils 24 eine geringere Tiefe auf.
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Bei der in 2 gezeigten unteren Endstellung des Trennkolbens 12 sind ausschließlich die einander zugewandten Stirnseiten 30, 59 der Begrenzungsringe des Trennkolbens 12 und des Abschlussteils 24 in Anlage miteinander, wobei die Vertiefungen 64, 78 des Trennkolbens 12 und des Abschlussteils 24 beabstandet voneinander verbleiben. Dadurch ist der in der unteren Endstellung des Trennkolbens 12 durch die Vertiefungen 64, 78 im Trennkolben 12 und Abschlussteil 24 gebildete scheibenförmige Gesamtspalt 66, 72 permanent in fluidführender Verbindung mit dem Fluidkanal 32.
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Dergestalt ergibt sich beim Entleeren des Speichers auf seiner Flüssigkeitsseite 14 mit gleichzeitiger Abwärtsbewegung des Trennkolbens 12 eine rasche Fluidströmung in diesem Bereich, was zu einem Unterdruck im nach innen hin offenen Spalt 66, 72 führt, der zum einen die Abwärtsbewegung des Trennkolbens 12 beschleunigt, zum anderen aber auch mehr oder minder dispergierte Gasanteile in der Flüssigkeit mitnimmt, die aufgrund ihres kompressiblen Verhaltens einer wirksamen Dämpfung ansonsten entgegenstehen würden.
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Die 3 zeigt im Längsschnitt den unteren Teil eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers in einer seiner Betriebsstellungen. Ein Teillängsschnitt des Trennkolbens 12 des dritten Ausführungsbeispiels des Kolbenspeichers aus 3 im Bereich seiner Vertiefung 64 ist in 4 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel des Kolbenspeichers unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 wie folgt:
- In die nach unten gerichtete Stirnwand 56 des Trennkolbens 12 ist eine von dem äußeren Begrenzungsring 58 umfasste, kegelstumpfförmige Vertiefung 64 eingebracht, die im Trennkolben 12 einen entsprechenden Spalt 66 ausbildet, der Bestandteil der Endlagendämpfung 28 ist. Die maximale Tiefe weist die Vertiefung 64 in direktem Anschluss an die radial innenliegende Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 des Trennkolbens 12 auf im Bereich einer linien- und kreisförmigen Kante 84 im Übergang zwischen der radial innenliegenden Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 und dem Boden 70 der Vertiefung 64. Die minimale Tiefe weist die Vertiefung 64 im Bereich einer zentralen und ebenen Kreisfläche 86 auf, die konzentrisch zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers ausgerichtet, in einer senkrecht zu derselben ausgerichteten fiktiven Ebene liegt. Derart ausgebildet überragt in Axialrichtung zum Abschlussteil 24 hin der äußere Begrenzungsring 58 des Trennkolbens 12 die zentrale Kreisfläche 86, die wiederum die kreisförmige Kante 84 im Übergang zwischen dem Boden 70 der Vertiefung 64 und der radial innenliegenden Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 überragt. Ausgehend von der Kante 84 im Übergang zwischen dem Boden 70 der Vertiefung 64 und der radial innenliegenden Seitenwand 74 des äußeren Begrenzungsrings 58 erstreckt sich der Boden 70 der Vertiefung 64 in Richtung des Abschlussteils 24 und der Längsachse 68 des Kolbenspeichers mit konstanter Steigung konisch zulaufend zu der zentralen Kreisfläche 86 hin und geht in diese über.
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Die 3 zeigt den Kolbenspeicher in einem Zustand, in dem der Trennkolben 12 geringfügig von dem Abschlussteil 24 beabstandet angeordnet ist. Bei einer Bewegung des Trennkolbens 12 in Richtung des Abschlussteils 24 findet in diesem Zustand - genauso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 - unter Aufbau eines Strömungswiderstandes eine Androsselung über die freie Spaltweite statt, wodurch eine Endlagendämpfung 28 bewirkt ist.
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Der Durchmesser der zentralen Kreisfläche 86 ist kleiner als der Innendurchmesser des Fluidkanals 32 des Abschlussteils 24, so dass der in seiner unteren Endstellung angeordnete Trennkolben 12 ausschließlich mit seinem äußeren Begrenzungsring 58 in Anlage mit der ebenen Stirnseite 30 des Abschlussteils 24 ist, wobei der Trennkolben 12 im Bereich seiner Vertiefung 64 beabstandet ist von dem Abschlussteil 24. Dadurch ist der in der unteren Endstellung des Trennkolbens 12 durch die Vertiefung 64 im Trennkolben 12 und die Stirnseite 30 des Abschlussteils 24 mitbegrenzte Spalt 66 permanent in fluidführender Verbindung mit dem Fluidkanal 32. Ausgehend von seiner radial außenliegenden Seite läuft der Spalt 66 in Richtung des Fluidkanals 32 aufgrund seiner schräg verlaufenden Oberseite, im Längsschnitt gesehen, keilförmig zu.
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Die 5 zeigt im Längsschnitt den unteren Teil eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers in seiner unteren Endstellung, das sich von dem dritten Ausführungsbeispiel nach 3 wie folgt unterscheidet:
- Zusätzlich zu der kegelstumpfförmigen Vertiefung 64 in der nach unten gerichteten Stirnwand 56 des Trennkolbens 12 weist das Abschlussteil 24 an seinem oberen Ende, in Radialrichtung gesehen, einen weiteren äußeren Begrenzungsring 76 auf, der koaxial zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers ausgerichtet ist und dessen freie Stirnseite 30 in einer fiktiven Ebene liegt, die senkrecht zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers ausgerichtet ist. Die radial innenliegende Seitenwand 80 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 fluchtet mit der radial innenliegenden Seitenwand 74 des Begrenzungsrings 58 des Trennkolbens 12. Der weitere äußere Begrenzungsring 76 geht außenumfangsseitig einstückig in die äußere Anlagewand 36 des Abschlussteils 24 über. Das dem unteren Medienraum 14 zugewandte Ende der Wand 88 des Fluidkanals 32 erstreckt sich in Axialrichtung bis zu der fiktiven Ebene, in der die Stirnseite 30 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 liegt. Zwischen dem weiteren äußeren Begrenzungsring 76 und dem dem unteren Medienraum 14 zugewandten Ende der Wand 88 des Fluidkanals 32 ist in die nach oben gerichtete Stirnwand 30 des Abschlussteils 24 eine konisch zulaufende Vertiefung 78 eingebracht, die einen entsprechenden Ringspalt 72 ausbildet, der Bestandteil der Endlagendämpfung 28 ist. Die maximale Tiefe weist die Vertiefung 78 in direktem Anschluss an die radial innenliegende Seitenwand 80 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 des Abschlussteils 24 auf im Bereich einer linien- und kreisförmigen Kante 90 im Übergang zwischen der radial innenliegenden Seitenwand 80 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 und dem Boden 82 der Vertiefung 78. Die minimale Tiefe weist die Vertiefung 78 in direktem Anschluss an das dem unteren Medienraum 14 zugewandte Ende der Wand 88 des Fluidkanals 32 auf. Ausgehend von der Kante 90 im Übergang zwischen der radial innenliegenden Seitenwand 80 des weiteren äußeren Begrenzungsrings 76 und dem Boden 82 der Vertiefung 78 erstreckt sich der Boden 82 der Vertiefung 78 in Richtung des Trennkolbens 12 und der Längsachse 68 des Kolbenspeichers mit konstanter Steigung konisch zulaufend zu dem dem unteren Medienraum 14 zugewandten Ende der Wand 88 des Fluidkanals 32, in dessen Innenwand der Boden 82 übergeht.
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Die maximale Tiefe der Vertiefung 78 des Abschlussteils 24 ist größer als die maximale Tiefe der Vertiefung 64 des Trennkolbens 12.
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Ist der Trennkolben 12, wie in 5 gezeigt, in seiner unteren Endstellung angeordnet, ist dieser ausschließlich mit seinem äußeren Begrenzungsring 58 in Anlage mit dem weiteren äußeren Begrenzungsring 76 des Abschlussteils 24, wobei der Trennkolben 12 im Bereich seiner Vertiefung 64 beabstandet ist von dem Abschlussteil 24. Dadurch ist der in der unteren Endstellung des Trennkolbens 12 durch die Vertiefungen 64, 78 im Trennkolben 12 und Abschlussteil 24 mitbegrenzte Gesamtspalt 66, 72 permanent in fluidführender Verbindung mit dem Fluidkanal 32. Ausgehend von seiner radial außenliegenden Seite läuft der Spalt 66, 72 in Richtung des Fluidkanals 32 aufgrund seiner schräg verlaufenden Ober- und Unterseite, im Längsschnitt gesehen, keilförmig zu.
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Es hat sich gezeigt, dass diese konische Doppelspaltanordnung bei hoher thermischer Beanspruchung zu sehr guten Dämpfungseigenschaften führt, da das thermisch durch die Bewegung des Trennkolbens 12 beanspruchte Fluid gleichermaßen einen Wärmeeintrag in beide Richtungen ermöglicht, also sowohl zum Trennkolben 12, als auch zum Abschlussteil 24 des Speichergehäuses 10.
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Die 6 zeigt im Längsschnitt den unteren Teil eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kolbenspeichers in seiner unteren Endstellung, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 wie folgt unterscheidet:
- Die Vertiefung 64 mit konstanter Tiefe in dem nach unten gerichteten Ende 56 des Trennkolbens 12 ist zwischen dem äußeren Begrenzungsring 58 und einer zentralen Verlängerung 92 in Form eines zapfenartig nach unten vorstehenden Vorsprungs vorgesehen. Der zentrale Vorsprung 92 übersteht in Axialrichtung den äußeren Begrenzungsring 58. Vorzugsweise entspricht die axiale Höhe des zentralen Vorsprungs 92 in etwa der axialen Wandstärke des Bodens 94 des Trennkolbens 12. Die freie Stirnseite 96 des zentralen Vorsprungs 92 ist als ebene Kreisfläche ausgebildet und liegt in einer zur Längsachse 68 des Kolbenspeichers senkrecht ausgerichteten, fiktiven Ebene. Der zentrale Vorsprung 92 ist, in Axialrichtung gesehen, zwischen dem Boden 70 der Vertiefung 64 des Trennkolbens 12 und seinem Mittenbereich zylindrisch ausgebildet, woraufhin der zentrale Vorsprung 92 ausgehend von seinem Mittenbereich in Richtung seiner ebenen, freien Stirnseite 96 konisch zuläuft.
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Zum Ein- und Ausfahren des zentralen Vorsprungs 92 des Trennkolbens 12 in das Abschlussteil 24 ist der Fluidkanal 32 des Abschlussteils 24 derart ausgebildet, dass sich dessen Innendurchmesser in einem dem unteren Medienraum 14 zugewandten Endbereich in Richtung des unteren Medienraumes 14 erweitert unter Ausbildung eines sich konisch erweiternden Zwischenbereichs 100. Die axiale Höhe der Innendurchmessererweiterung 98 des Fluidkanals 32 ist größer als der axiale Abstand zwischen der Stirnseite 59 des äußeren Begrenzungsrings 58 des Trennkolbens 12 und der freien Stirnseite 96 des zentralen Vorsprungs 92. Dadurch ist bei Anordnung des Trennkolbens 12 in seiner unteren Endstellung, in der der äußere Begrenzungsring 58 des Trennkolbens 12 im Sinne eines Anschlages in Anlage ist mit der ebenen Stirnseite 30 des Abschlussteils 24, die freie Stirnseite 96 des zentralen Vorsprungs 92 in Axialrichtung unter Ausbildung eines Spaltes beabstandet von dem sich konisch erweiternden Zwischenbereich 100 des Fluidkanals 32 des Abschlussteils 24 angeordnet. Zudem ist die radiale Breite der Innendurchmessererweiterung 98 des Fluidkanals 32 unter Ausbildung eines Spaltes größer als der größte Außendurchmesser des zentralen Vorsprungs 92.
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Dergestalt ergeben sich verschiedene wirksame Spaltbereiche für die Endlagendämpfung 28. Wenn der Trennkolben 12, wie in 6 gezeigt, in seiner unteren Endstellung angeordnet ist, ist der von der Vertiefung 64 des Trennkolbens 12 und der ebenen Stirnseite 30 des Abschlussteils 24 mitbegrenzte Spalt 66 fluidführend verbunden mit dem von der Außenumfangsseite 102, 104 des zentralen Vorsprungs 92 des Trennkolbens 12 und der Innenumfangsseite des Fluidkanals 32 im Bereich seiner Innenumfangserweiterung 98 mitbegrenzten Spalt, der wiederum über den zwischen dem zentralen Vorsprung 92 und dem sich konisch erweiternden Zwischenbereich 100 des Fluidkanals 32 ausgebildeten Spalt fluidführend verbunden ist mit dem Fluidkanal 32.
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Bewegt sich der von der Abschlusseinrichtung 24 entfernt angeordnete Trennkolben 12 in Richtung der Abschlusseinrichtung 24, taucht zunächst der zentrale Vorsprung 92 mit seinem konisch zulaufenden Umfangsseitenbereich 102 in den Fluidkanal 32 im Bereich seiner Innenumfangserweiterung 98 ein. Bei dieser Bewegung verengt sich der Spalt zwischen der Außenumfangsseite 102 des zentralen Vorsprungs 92 und der Innenumfangsseite des Fluidkanals 32 im Bereich seiner Innenumfangserweiterung 98 zusehends aufgrund des konisch zulaufenden Umfangsseitenbereichs 102 des zentralen Vorsprungs 92, so dass die Abfuhr der Fluidmenge aus den.Spaltbereichen progressiv ansteigend angedrosselt wird. Daraus resultiert eine progressiv ansteigende Dämpfungswirkung der Bewegung des Trennkolbens 12. Die stärkste Androsselung ist erreicht, wenn der zentrale Vorsprung 92 mit seinem zylindrischen Umfangsseitenbereich 104 in den Fluidkanal 32 im Bereich seiner Innenumfangserweiterung 98 eintaucht.
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Dergestalt lassen sich im Rahmen einer konstanten Androsselung zunächst große Fluidmengen aus dem Spalt 66 zwischen Trennkolben 12 und Speichergehäuse 24 abführen, ohne die Dynamik der Trennkolbenbewegung zu beeinträchtigen, um anschließend unter Beibehalten der Dynamik in progressiver Weise die materialschonende Endlagendämpfung 28 vornehmen zu können. Dahingehend konzipierte Hydrospeicher respektive Kolbenspeicher lassen sich für dynamisch hochbelastete Hydraulikanlagen ohne Weiteres verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10057746 A1 [0003, 0018]
- DE 102011010070 A1 [0005]