DE887132C - Energiespeicher - Google Patents

Description

• Energiespeicher Die Erfindung betrifft Energiespeicher mit Flüssigkeit und Luft, insbesondere Energiespeicher mit Öl und Luft, bei welchen die beiden in dem zylindrischen Körper des Speichers enthaltenen Druckmittel, z. B. Luft und Öl, durch einen frei beweglichen Kolben voneinander getrennt sind.
• Bei dieser Speicherbauart ist die Dichtigkeit zwischen dem Kolben und dem zylindrischen Körper schwer zu erreichen.
• Die Erfindung hat einen Energiespeicher dieser Bauart zum Gegenstand, bei welchem die Dichtigkeit zwischen dem frei beweglichen Kolben und dem zylindrischen Körper auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt wird.
• Die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung des Speichers besteht wesentlich aus einem Ring aus einem plastischen oder elastischen Werkstoff, welcher an dem Umfang des Kolbens in einem zwischen der Wand des Zylinders und einer zylindrischen Wand des verringerten Durchmessers des Kolbens angeordnet ist, und einem Ringrand, der den verringerten mit dem normalen Durchmesser des Kolbens verbindet, und einem frei zwischen der Zylinderwand und der zylindrischen Wand verringerten Durchmessers des Kolbens gleitenden Ringkörper, welcher der Einwirkung von elastischen Mitteln ausgesetzt ist, so daß er den elastischen Ring zusammendrückt. Diese Anordnung bezweckt, dem Ring mittels eines axial gerichteten Druckes eine radiale Verformung zu erteilen, welche einerseits den Ring mit der Zylinderwand in Berührung bringt oder in Berührung mit dieser hält und andererseits seine Andrückung gegen diese Wand mit einem zur Herstellung der gewünschten Dichtigkeit ausreichenden Druck gewährleistet. Der Querschnitt und der Werkstoff des Ringes können entsprechend den Betriebstemperaturen und der Art der Druckmittel gewählt werden.
• Es ist insbesondere vorgesehen, einen Ring mit kreisförmigem Querschnitt zu benutzen, welcher in den meisten Fällen eine hinreichende Dichtigkeit gewährleistet und infolge seiner normalisierten Massenherstellung billig ist.
• Ferner ist im besonderen vorgesehen, einen Ring aus einem plastischen oder elastischen Werkstoff, wie Neopren, Perbunan, Silikonen oder Polyamiden, insbesondere die unter dem Namen Nylon, Fluon bekannten, zu benutzen. Diese plastischen Werkstoffe haben nämlich die bemerkenswerte Eigenschaft, daß sie unter der Einwirkung einer konstanten Kraft eine langsame plastische Verformung erfahren, so daß sie in Kombination mit den erfindungsgemäßen Druckmitteln unter allen in Betracht kommenden Benutzungsbedingungen eine tadellose Dichtigkeit gewährleisten. Wenn sich nämlich diese Dichtungsbeläge abnutzen, bewirkt der fortdauernde Druck zusätzliche Verformungen, welche die Dichtigkeit wiederherstellen.
• Falls andererseits die Einrichtung sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist, welche eine Kontraktion des Werkstoffs des Dichtungsbelages hervorrufen können, stellt der Druck der elastischen Mittel selbsttätig die Dichtigkeit wieder her. Bei - 8o° C ausgeführte Versuche haben die Wirksamkeit dieser Maßnahme bestätigt.
• Der erwähnte Ringrand des Kolbens und die mit dem Ring in Berührung stehende Seite des Ringkörpers können übrigens entweder eben oder konisch sein und/oder eine flache ringförmige Ausnehmung beliebigen Querschnitts besitzen.
• Die Reibung des Kolbens an dem Zylinder bestimmt einen geringen Druckunterschied zwischen den beiden Druckmitteln. -Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung sind die elastischen Mittel so berechnet, daß der radiale Druck, mit welchem der Ring gegen die Zylinderwand gepreßt wird; merklich größer als -dieser Druckunterschied wird. -Da die Reibung zwischen den in Betracht kommenden metallischen Organen praktisch vernachlässigbar ist, kann man annehmen, daß die Gesamtreibung gleich der zwischen dem Ring und der Zylinderwand auftretenden Reibung ist.
• Es sei: R = innerer Halbmesser des Zylinders 8 (Fig. i, i a, 2), v = äußerer Halbmesser des zylindrischen Teils_ verringerten Durchmessers 7 des KolbensA, F = Reibungsl@xaft des Ringes i an dem Zylinder 8, b = Höhe der Andrückung des Ringes i an den Zylinder 8, @,. = Radialdruck der Andrückung des Ringes i gegen die Zylinderwand 8, Druck des Druckmittels auf die Aufnahmeseite des Kolbens, p --b dp = Druck des Druckmittels auf die Triebseite des Kolbens. Der Kolben-verstellt sich in dem Zylinder unter der Einwirkung des Unterschiedes der auf seine beiden Seiten wirkenden Drücke. Die Triebkraft ist gleich dem Produkt aus diesem Druckunterschied dp und der Fläche der zylindrischen Bohrung n R2. Ihr wird durch den Reibungswiderstand des Ringes an dem Zylinder das Gleichgewicht gehalten, welcher gleich dem Produkt -aus der Andrückkraft P,., der Anlagefläche des Ringes an demZylinder 2 n R . b und dem Reibungskoeffizienten k ist.
• Man kann somit schreiben: F=dpnR2=p,.27vR-b-k. Die Dichtigkeit ist gewährleistet, wenn die Ungleichung P,. > dp erfüllt ist.
• Diese Bedingung ist erfüllt, wenn ur R2 > 2 n R - b - k, d. h. k ist.
• Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist vorgesehen, dem Ring eine solche axiale Abmessung,b zu geben, daß, wenn R der Halbmesser des Zylinders und k der Reibungskoeffizient des Ringes an dem Zylinder ist, die Bedingung erfüllt ist.
• Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 2 zeigt in einem axialen Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Energiespeicher mit Flüssigkeit und Luft; Fig. i zeigt einen Teil des Kolbens des Speichers der Fig. 2 vor dem Einbau der elastischen Mittel zur Erzeugung des axialen Druckes auf den Ring, welcher vor seiner Verformung durch diesen Druck dargestellt ist; Fig. ra zeigt den durch den Ringdruckkörper vervollständigten Kolben der Fig. i sowie die diesen Körper auf den Ring drückende Feder und eine Anschlagscheibe, gegen welche sich das andere Ende der Feder legt; Fig. 3 zeigt in größerem Maßstab eine Abwandlung der Anordnung der Fig. i a und 2, bei welcher der Ring die Form eines abgeplatteten Kreisringes hat.
• In den Fig. i, i a und 2 sieht man zunächst bei i einen Ring aus einem plastischen oder elastischen Werkstoff, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt hat und auf einem Ringrand 5 eines Kolbens 6 ruht, wobei der Ringrand 5 mit einem Absatz versehen ist, so daß der Ring i mit einer Seite auf der senkrecht zu der Kolbenachse liegenden Oberseite des Ringrandes 5 ruht und mit seiner Innenseite die Zylinderwand 7 des Absatzes berührt. Man sieht bei 8 den Körper des Zylinders. Der Ring i ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einem durch die Zylinderfläche 7, die Oberseite des Ringrandes 5 und die Innenseite des Zylinders 8 gebildeten Ringraum angeordnet.
• In Fig. i ä ist der zusammengebaute Kolben gezeigt. Wie ersichtlich, ist der Ring i einem Axialdruck ausgesetzt, welcher durch ein Element 2 ausgeübt wird, -welches in dem dargestellten Beispiel die Form einer Ringscheibe mit einem umgebogenen Rand 211 aufweist, dessen radiale Ausdehnung etwas kleiner als die der Nut ist, in welcher der Ring untergebracht ist. Auf dieses Element wird gemäß der Figur ein von oben nach unten gerichteter Druck durch eine Feder 3 ausgeübt, welche zwischen der Oberseite des Elements 2 und der Unterseite einer Ringscheibe 4 angebracht ist, welche mittels eines Anschlags g festgelegt ist, welcher in dem dargestellten Beispiel durch eine Klaviersaite gebildet wird, welche in eine an dem oberen Ende des Kolbens 6 vorgesehene Nut zo eintritt. Diese Anordnung erleichtert den Zusammenbau und den Auseinanderbau. Die Kraft der Feder wird erfindungsgemäß stets so berechnet, daß bei den verschiedenen Drücken, welche gleichzeitig auf die beiden Seiten des Kolbens wirken können, die oben aufgestellten Bedingungen erfüllt sind. Unter diesen Umständen ist die Dichtigkeit durch die Andrückung der Außenseite des Ringes gegen die Innenwand des Zylinders 8 unabhängig von dem Absolutwert der Drücke gewährleistet.
• Es ist leicht einzusehen, daß man mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Schleifen der Bohrung mit dem Ring z, dessen Abmessungen keinerlei Genauigkeit erfordern, und mit Organen einfacher und billiger Herstellung, nämlich dem Kolben 6, 5, den Ringscheiben 2, q. und der Feder 3, eine einwandfreie Dichtigkeit herstellen kann, wenn die einzige notwendige und hinreichende Bedingung erfüllt ist, daß die Federkraft in der oben angegebenen Weise bestimmt wird.
• In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Energiespeicher mit Flüssigkeit und Luft dargestellt, und zwar insbesondere ein Energiespeicher mit Öl und Luft.
• Bei der Herstellung eines Energiespeichers mit Öl und Luft muß unbedingt verhindert werden, daß die Luft, welche zur Aufspeicherung der Energie verdichtet werden soll, sich mit dem Öl mischen kann, welches zur Verdichtung des Luftkissens unter Druck in den Energiespeicher geschickt wird, wobei dieses Luftkissen bei seiner Entspannung das Öl des Speichers in den Benutzungskreis drückt.
• Wegen der bisher aufgetretenen Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser Dichtigkeit hat man im allgemeinen die Trennwand zwischen dem Öl und der Luft bildende verformbare Membranen benutzt oder Blasen aus synthetischem Kautschuk, welche mit verdichteter Luft gefüllt und von dem Öl umgeben sind, welches den Raum zwischen der Außenwand der Blase und der Innenwand des den Körper des Speichers bildenden starren Behälters ausfüllt.
• Die bei der Herstellung derartiger Energiespeicher j auftretenden Probleme sind sehr verwickelt. Die Form der Blasen, die Form der Behälter, die Befestigung der Blasen in den Behältern usw. stellen ebenso viele zu lösende Probleme dar. Ferner ist die Widerstandsfähigkeit der Blasen beschränkt und bietet in zahlreichen Anwendungsfällen nicht die gewünschte Sicherheit.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Energiespeichers, der aus einem einfachen zylindrischen Rohr 8 der Fig. 2 besteht, welches an seinen beiden Enden durch Böden iz und 12 geschlossen ist, von denen der Boden ZZ eine Öffnung 13 für die Zufuhr und die Abfuhr der Flüssigkeit, z. B. des Öls, aufweist, während der Boden 12 eine Aufpumpöffnung 1q. enthält, wobei der Innenraum dieses j Rohrs in dichter Weise durch den frei beweglichen Kolben A in zwei Abteilungen 15 und 16 veränderlichen Volumens aufgeteilt wird.
• Die Arbeitsweise des Speichers der Fig. 2 ist leicht verständlich Zunächst wird Luft durch die Öffnung 1q eingeführt. Diese Luft treibt den Kolben A zu dem Boden rr. Wenn der Druck den gewünschten Wert erreicht hat, z. B. Zoo kg/cm2, wird die Öffnung 14 durch den Stöpsel 17 verschlossen, die Schutzkappe 18 wird aufgeschraubt, und die Öffnung 13 wird mit der Druckölleitung verbunden. Der Kolben A gleitet von unten nach oben (Fig. 2) und verdichtet die Luft, welche die Kammer 15 und den unteren Raum zg des Kolbens A, welcher mit der Kammer 15 durch die in der Ringscheibe q. angebrachte Öffnung 2o in Verbindung steht, füllt. Es ist zu bemerken, daß die Gesamtheit des oberhalb des Ringes z liegenden Volumens somit als Luftkammer benutzt wird. Wenn der Druck in der Kammer 16 dem Druck in der Ölleitung, z. B. 3oo kg/cm2, das Gleichgewicht hält, ist der Energiespeicher betriebsbereit.
• Es ist leicht einzusehen, daß ein Energiespeicher der beschriebenen Bauart gegenüber den bestehenden Speichern zahlreiche Vorteile aufweist: Er besitzt einen einfachen, billigen Aufbau, ist leicht und schnell zusammenzubauen und auseinanderzubauen und weist kein empfindliches Organ auf.
• Es ist wohlverstanden, daß die Ausbildung des den Körper des Speichers bildenden zylindrischen Behälters sowie der in den Böden dieser Behälter vorgesehenen Öffnungen usw. sowie die genaue Ausgestaltung des Kolbens A konstruktive Veränderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• In Fig. 3 sieht man bei z einen Dichtungsring in Form eines abgeplatteten Kreisringes, welcher sich in zwei diametral gegenüberliegenden Zonen einerseits gegen die zylindrische Wand 5a des Kolbens 5 und andererseits gegen die zylindrische Wand 8a des Zylinders 8 legt. Man sieht bei 51 die leicht konkave Seite des an dem Kolben 5 vorgesehenen Ringrandes und bei 21 eine der ersteren zugeordnete, leicht konkave Seite des Ringkörpers 2. Schließlich sieht man bei 3 die Feder, welche wie bei der Ausführungsform der Fig. z, Za und 2 auf den Ring r mittels des Ringkörpers 2 einen Axialdruck ausübt, der eine radiale Verformung des Ringes z bewirkt, welche die Dichtigkeit in der oben beschriebenen Weise gewährleistet.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: z. Energiespeicher mit Flüssigkeit und Gas, insbesondere mit Öl und Luft, mit einem Zylinder, welcher einen frei beweglichen Kolben enthält, welcher einen Raum zur Verbindung mit einem ein flüssiges Druckmittel enthaltenden System, wie z. B. Drucköl, von einem Raum, in welchen ein gasförmiges Druckmittel, z. B. Luft, mit einem bestimmten Druck eingeführt werden kann, trennt; gekennzeichnet durch einen Kolben mit einem in dem Zylinder (8) frei beweglichen Kopf (5) und - einem zylindrischen Teil (7) mit einem verringerten Durchmesser, welcher mit diesem Kopf ein Stück bildet und mit diesem durch einen Ringrand verbunden ist, und einen elastischen Dichtungsring (i) aus einem plastisch verformbaren Werkstoff, der auf diesem Ringrand angeordnet ist, wobei er im unverformten Zustand frei oder mit leichter Reibung in die Zylinderbohrung (8) und auf den Teil (7) verringerten Durchmessers des Kolbens paßt, und einen den Dichtungsting (i) zusammendrückenden Ringkörper (2), der frei in den Ringraum zwischen der Zylinderwand (8) und dem Teil (7) verringerten Durchmessers des Kolbens paßt, und eine Feder (3) zwischen dem Ringkörper (2) und einem in bezug auf den Kopf festliegenden Anschlag (q:), wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Feder über den Ringkörper einen axialen Druck auf den Dichtungsring ausübt, wobei die Federkraft größer als der Wert ist, welcher gerade die Andrückung des Dichtungsringes gegen die Zylinderwand längs einer ununterbrochenen Berührungsfläche bewirkt.
2. 2. Energiespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der Feder (3) so eingestellt ist, daß der auf den Dichtungsring (i) ausgeübte axiale Druck größer ist als der, welcher erforderlich ist, um den Dichtungsring so weit zu verformen, däß er die Zylinderwand längs einer ununterbrochenen Berührungsfläche berührt.
3. 3. Energiespeicher nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Reibungskoeffizient (k) zwischen dem Dichtungsring (i) und der Zylinderwand (8) wesentlich kleiner ist als das halbe Verhältnis zwischen dem inneren Halbmesser (R) des Zylinders und der axialen Dicke (b) des Dichtungsringes q.. Energiespeicher, insbesondere füMl und Luft, nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (r) aus einem Werkstoff besteht, der mit der Zeit unter der Einwirkung einer sich ständig ändernden Druckbelastung plastische Verformungen erfährt, wie z. B. Neopren, Perbunan, Silikone oder Polyamide, z. B. aus Nylon oder Fluon. 5. Energiespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (5b bzw. 2b) des Ringrandes (5) bzw. des Ringkörpers (2), die mit dem Dichtungsring (i) in Berührung stehen, leicht nach innen gekrümmt sind. 6. Energiespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß jede Oberfläche (5b bzw. 2b) des Ringrandes (5) bzw. des Ringkörpers (2), die mit dem Dichtungsring (i) in Berührung steht, aus mindestens einer konischen Fläche besteht. 7. Energiespeicher nach den Ansprüchen i, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (i) nahezu kreisförmigen Querschnitt hat.