Hydropneumatischer Druckspeicher

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydropneumatischen Druckspeicher mit einem in einem Speichergehäuse angeordneten, bewegbaren Trennelement, das einen ersten Arbeitsraum, vorzugsweise Gasraum, von einem Fluidraum als zweitem Arbeitsraum separiert und durch eine Membran aus einem flexiblen Werkstoff, insbesondere einem Elastomer, gebildet ist, wobei sich am Speichergehäuse eine einen Zugang zum Fluidraum bildende Gehäuseöffnung befindet, deren Durchgang durch eine in eine Freigabestellung und eine Schließstellung überführbare Ventilanordnung steuerbar ist, die einen an einem Flächenabschnitt der Membran befindlichen Ventilkör- per besitzt, der bei Annäherung an einen an der Gehäuseöffnung befindlichen Ventilsitz die Ventilanordnung in die Schließstellung überführt, wobei die Ventilanordnung eine bei der Schließstellung einen begrenzten Durchstrom durch die Gehäuseöffnung ermöglichende Bypassanordnung aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen hydropneumatischen Druckspeichers.

Bei derartigen Membranspeichern ist der gasseitige Arbeitsraum meist mit einem unter einem hohen Vorspanndruck stehenden Arbeitsgas, insbesondere N2, vorgefüllt, wobei es sich um Vorspanndrücke in der Größenord- nung von 100 bar handeln kann. Wenn im Betrieb an der einen Ölan- schluss aufweisenden Gehäuseöffnung ein Hydrauliksystem angeschlossen ist und der Druck des Hydrauliköls des angeschlossenen Hydrosystems im Bereich des vorgesehenen Betriebsdruckes liegt, ist die flexible Membran im Bereich des den Öldruck führenden Fluidraumes so weit von der Innenwand des Speichergehäuses abgehoben, dass die Volumenverringerung, die sich durch das Abwölben der Membran von der fluidseitigen Innen- wand des Speichergehäuses ergibt, den ursprünglichen Vorfülldruck po auf einen Druck pi (momentaner Arbeitsdruck) anhebt, wobei Druckgleichgewicht an der Membran herrscht.

Wenn an der Gehäuseöffnung kein oder nur geringer Fluiddruck herrscht, wenn beispielsweise noch kein Hydrosystem am Ölanschluss angeschlossen ist oder das Hydrosystem drucklos ist, dann liegt die Membran unter der Wirkung des Vorfülldruckes po an der Innenwand des Fluidraumes an, wobei der an die Gehäuseöffnung heran bewegte Flächenabschnitt mit dem daran befindlichen Ventilkörper der Ventilanordnung die Gehäuseöffnung verschließt.

Der Verschluss der Gehäuseöffnung ist insofern vorteilhaft, als der Membranspeicher vor Einbau in eine betreffende Hydroanlage und nachdem im Gasraum der gewünschte Vollfülldruck po aufgebaut worden ist, keine offe- ne Gehäuseöffnung aufweist, weil die den Ölanschl uss bildende Öffnung durch die Membran geschlossen ist. Der vorgefüllte Speicher kann daher gehandhabt, gelagert und transportiert werden, ohne dass zu befürchten ist, dass durch die den Ölanschluss bildende Gehäuseöffnung Verunreinigungen oder Fremdkörper eintreten könnten.

Andererseits können sich während des Betriebes des in eine Hydroanlage eingebauten Speichers Probleme aufgrund des Vorhandenseins des durch die Ventilanordnung bewirkten Verschlusses der Gehäuseöffnung ergeben. Wenn es im Betrieb beispielsweise zu einem verhältnismäßig plötzlichen Abfall des Druckes am Ölanschluss kommen sollte und dies aufgrund der Flexibilität der Membran zu einem schnellen Schließvorgang führt, weil sich der Ventilkörper schlagartig an die Gehäuseöffnung bewegt, dann kann es zur Bildung so genannter„Öltaschen" kommen, wobei in von der Gehäuseöffnung entfernteren Wandbereichen ein Restvolumen des Hydrauliköls im Fluidraum zurückbleibt. Mit anderen Worten gesagt, ist in diesem Fall die Membran im Bereich von Öltaschen an der Innenwand des Speichergehäuses nicht vollflächig anliegend, sondern dem Volumen der Öltaschen entsprechend leicht abgehoben, wodurch sich eine entsprechende Volumenverkleinerung des Gasraumes gegenüber dessen durch die Geometrie des Speichergehäuses bestimmten Größtvolumen ergibt. Infolgedes- sen entspricht der Gasvorspanndruck im Gasraum, obwohl kein Fluiddruck am Ölanschluss ansteht, nicht dem vorgegebenen Wert po, sondern einem höheren Gasvorspanndruck. Dadurch steigt auch der Ansprechdruck des Speichers an, d. h. der Öffnungsdruck pi steigt an. Somit kann es bei mehrmaligem schnellen Entleeren und Füllen zu einem„Aufpumpen" des Speichers mit ansteigendem pi kommen. Wenn nun Prüfvorgänge auf der Gasseite vorgenommen werden, wie sie durch die Systemsteuerungen bei Hydroanlagen vorgesehen sind, so wird bei einer Kontrolle, ob der Vorfüll- druck dem Wert po entspricht, irrtümlicher Weise ein zu hoher Gasvorspanndruck erkannt, der vom System gegebenenfalls irrtümlicher weise korrigiert wird.

Um hier Abhilfe zu schaffen, d. h. die Gefahr zu vermeiden, dass trotz des Vorhandenseins einer an der ölseitigen Gehäuseöffnung befindlichen Ventilanordnung es bei fehlendem Fluiddruck zu unterschiedlichen, bei Prüf- Vorgängen möglicher Weise irreführenden Gasvorspanndrücken im Gasraum kommen kann, ist es ausweislich dem Dokument DE 20 2007 008 1 75 bereits bekannt, bei einem Druckspeicher der eingangs genannten Art die Ventilanordnung so auszubilden, dass eine bei der Schließstellung einen begrenzten Durchstrom durch die Gehäuseöffnung ermöglichende By- passanordnung gebildet ist. Bei der bekannten Lösung ist die Bypassanord- nung dadurch gebildet, dass an dem als Ventilsitz für den Ventilkörper die- nenden Rand der Gehäuseöffnung des Speichergehäuses Nuten vorgesehen sind, die in den die Ventilsitzfläche bildenden Rand der Gehäuseöffnung des Speichergehäuses eingearbeitet sind. Die Ausbildung der Nuten bedingt einen erhöhten Fertigungsaufwand bei der Herstel lung des Gehäuses. Zu- dem besteht die Gefahr, dass bei entsprechender Nachgiebigkeit des für den Ventil körper vorgesehenen Werkstoffes Material des Ventil körpers in die Nuten eingedrückt wird, was einen dichten Verschluss der Ventilanordnung zur Folge hätte und die Bypassanordnung unwirksam machen würde. Neben den genannten Membranspeichern sind im Stand der Technik auch hydropneumatische Druckspeicher in Form von Balgspeichern bekannt. Bei den genannten Balgspeichern erstreckt sich innerhalb des Speichergehäuses ein in Längsrichtung gesehen ausziehbarer Faltenbalg, der an seinem einen freien Ende regelmäßig mit der Innenseite des Speichergehäuses verbunden ist und an seinem anderen freien Ende in der Regel ein plattenartiges Ventilschließglied aufweist, mit dem der Olfluidanschluß des Speichergehäuses verschlossen, aber auch freigegeben werden kann. Im Inneren des Faltenbalges ist dann vergleichbar der Membranspeicherlösung regelmäßig ein Arbeitsgas, insbesondere in Form von Stickstoffgas, angeordnet. Ein Vertre- ter der dahingehenden Balgspeicherlösungen ist in der EP 1 052 41 2 A2 aufgezeigt, wobei an der Unterseite des plattenförmigen Ventilschließgliedes zur Fluideinlaßöffnung des Speichergehäuses vorstehend ein ringförmiger Elastomer-Dichtrand vorsteht, der der besseren Anschlagdämpfung wegen einzelne ringsegmentartige Vorsprünge aufweist, die jedoch in ihrer Gesamtausdehnung in der die Fluideinlaßöffnung absperrenden Schließstellung diese allseitig und vollständig umfassen. Die eingangs erwähnte vorteilhafte„Bypassanordnung" ist mit der dahingehend bekannten Falten- balgspeicherlösung nicht erreicht. Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Druckspeicher der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, der sich sowohl durch eine besonders einfache Bauweise als auch ein besonders gutes Betriebsverhalten auszeichnet.

Bei einem hydropneumatischen Druckspeicher der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ventilkörper zur Bildung der Bypassanordnung an seiner dem Ventilsitz zugewandten Fläche zumindest einen Vorsprung aufweist, der gegenüber dem Ventilsitz einen den Durchstrom ermöglichenden Abstandhalter bildet. Dadurch ist, ohne dass eine Modifizierung des Speichergehäuses erforderlich wäre, lediglich durch die Formgebung des Ventilkörpers eine das sichere Abfließen des gesamten Öl Inhaltes des Ölraumes sicherstellende Bypassanordnung realisiert. Eine derartige Bauweise ermöglicht eine besonders rationelle Herstellung des Druckspeichers.

Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen können an der dem Ventilsitz zugewandten Fläche des Ventilkörpers zumindest zwei Vorsprünge vorgesehen sein, zwischen denen sich ein den Durchstrom ermöglichender Zwischenraum befindet.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung hierbei so getroffen sein, dass mehrere Vorsprünge an der Fläche des Ventilkörpers in regelmäßiger Lageanordnung verteilt angeordnet sind. Dadurch bilden die Vorsprünge Abstandhalter, die den Ventilkörper kippsicher an der Ventilsitzflä- che abstützen.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen, bei denen die Fläche des Ventilkörpers kreisrund ist, können die Vorsprünge entlang einer konzentrischen Kreislinie angeordnet sein, die in geringem Abstand vom Um- fangsrand der Fläche verläuft, wobei die Vorsprünge durch einen geschlitzten Ringkörper gebildet sein können. Bei einer derartigen Gestaltung kann der geschlitzte Ringkörper vier gleiche Teilringsegmente aufweisen, zwischen denen Zwischenräume mit einer Länge vorhanden sind, die kleiner ist als die halbe Umfangslänge der Teil- ringsegmente. Dadurch ergibt sich ein günstiges Durchströmverhalten trotz ausreichender Standfestigkeit der als Abstandhalter dienenden Vorsprünge.

Diese können, ausgehend von ihrer Basis an der Fläche des Ventilkörpers bis zu ihrem freien Ende hin, eine Verjüngung aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines hy- dropneumatischen Druckspeichers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 , wobei das Verfahren die im Patentanspruch 9 angegebenen Verfahrensschritte und Verfahrensmerkmale aufweist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrospeichers;

Fig. 2 eine gegenüber einer praktischen Ausführungsform vergrößert dargestellte perspektivische Schrägansicht des Ventilkörpers der Ventilanordnung des Ausführungsbeispieles;

Fig. 3 eine im Maßstab von Fig. 2 gezeichnete Draufsicht des Ventil körpers;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Ventilkörpers entsprechend der

Schnittlinie IV-IV von Fig. 3;

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 1 vergrößert und abgebrochen gezeichnete Teilschnittdarstellung lediglich des Bereichs der Gehäuseöffnung und der damit zusammenwirkenden Ventilanordnung des Ausführungsbeispieles des Druckspeichers und Fig. 6 eine unvollständig gezeichnete Schnittdarstellung eines Formteiles einer Spritzform zur Formgebung der Membran zur Herstellung des Druckspeichers unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Hydrospeicher handelt es sich um einen sogenannten Membranspeicher mit einer in einem als Ganzes mit 1 bezeichneten Speichergehäuse angeordneten Trennwand in Form einer elastischen Membran 3. Die Membran 3 trennt das Gehäuse 1 in seinem Inneren in einen Fluidraum 5 und einen Gasraum 7. Das Gehäuse 1 besteht, in Blickrichtung auf Fig. 1 gesehen, aus einer oberen Gehäuseschale 9 und einer unteren Gehäuseschale 1 1 , die jeweils eine kreisrunde Schalenform mit näherungsweise halbkugelförmig gewölbter Innenwand aufweisen. An dem dem Fl uidraum 5 entgegengesetzten Ende des Speichergehäuses 1 , also dem dem Gasraum 7 zugehörigen Ende, befindet sich ein Gasan- schluss 1 3, über den der Gasraum 7 mit einem Arbeitsgas, insbesondere N2- Gas, vorfüllbar ist. Das dem Fluidraum 5 zugeordnete Ende weist eine in den Fluidraum 5 mündende Gehäuseöffnung 1 5 auf, an der ein Ölanschluss 1 7 außenseitig angebracht ist, über den der Speicher an einem (nicht dargestellten) Hydrauliksystem anschließbar ist.

Obere Gehäuseschale 9 und andere Gehäuseschale 1 1 , die längs einer Nahtstelle 19 aneinander stoßen, sind mittels eines Elektronenstrahl- schweißverfahrens miteinander verbunden. Im Bereich der Nahtstelle 19 ist an der Innenwand ein Befestigungsring 21 festgelegt, der den Träger für die Membran 3 bildet, die mit einem verdickten, umfänglichen Randwulst 23 in einer Ringnut 25 des Befestigungsringes 21 sitzt. Dieser ist über ein Dichtelement 27 an der Innenwand des Gehäuses 1 abgedichtet. Die Fig. 1 zeigt den Membranspeicher in einem Betriebszustand, bei dem sich die Membran 3 in einer Zwischenstellung befindet, bei der an beiden Seiten in die Membran 3 Druckgleichgewicht herrscht, weil das am Ölan- schluss 1 7 angeschlossene, jedoch nicht dargestellte Hydrauliksystem im Fluidraum 5 einen Fluiddruck erzeugt, der dem im Gasraum 7 herrschenden Druck entspricht. Bei Zuständen, bei denen im Ölraum 5 nur ein geringer Öldruck herrscht oder dieser fehlt, bewegt sich die Membran 3, bei Blickrichtung entsprechend der Fig. 1 , nach unten und legt sich an die Innenseite der unteren Gehäuseschale 1 1 an, wobei die Membran 3 mit ei- nem an ihrem zentralen Flächenbereich befindlichen Ventilkörper 29 einen Ventilsitz 33 am Rand 31 der Gehäuseöffnung 1 5 überdeckt. Bei diesem Betriebszustand, der dem kleinsten Volumen des Ölraumes 5 und dem größten Volumen des Fluidraumes 7 entspricht, herrscht im Fluidraum 7 der Vorfülldruck po. Dessen Größe ist einsatzspezifisch gewählt und stellt den Vorfülldruck dar, der als Voreinstellung des Hydrospeichers, während der Fluidraum 5 drucklos ist, im Gasraum 7 aufgebaut wird. Bei laufendem Betrieb wird in zweckmäßiger Weise eine Prüfung dahingehend durchgeführt, ob der Vorfülldruck po unverändert ist und dementsprechend der Speicher ein unverändertes Betriebsverhalten besitzt.

Wenn es im Betrieb zu einem sehr raschen und schlagartigen Abfall des Druckes im Fluidraum 5 kommt, bewegt sich die Membran 3 schlagartig in Richtung auf die Gehäuseöffnung 15, wobei der Ventilkörper 29 am Ventilsitz 33 anliegt. Somit bildet der Ventilkörper 29 Bestandteil einer Venti- lanordnung.

Um die Gefahr zu vermeiden, dass bei entsprechend rascher oder schlagartiger Bewegung der Membran 3 die Gehäuseöffnung 1 5 geschlossen ist, bevor das gesamte Ölvolumen 5 ausgetreten ist, dass also keine Öltaschen durch verbleibende Restvolumina im Fluidraum 5 gebildet werden, ist der Ventilkörper 29, wie am besten den Fig. 2 bis 5 entnehmbar ist, so gestaltet, dass eine Bypassanordnung gebildet ist, die bei der Schließstellung der Ventilanordnung einen begrenzten Durchstrom durch die Gehäuseöffnung 1 5 ermöglicht, so dass jedes Restvolumen des Öls aus dem Fluidraum 5 abfließen kann. Um die Umgehung der Ventilanordnung zu ermöglichen, sind an der dem Ventilsitz 33 zugewandten Fläche 34 speziell ausgebildete, aus der Ebene der kreisrunden Fläche 34 vorstehende Vorsprünge vorgesehen, deren spezielle Formgebung am deutlichsten aus Fig. 2 und 3 entnehmbar ist. Diese Vorsprünge, die gegenüber dem Ventilsitz 33 Abstandhalter bilden, verhindern eine unmittelbare Anlage der Fläche 34 des Ventilkörpers 29 am Ventilsitz 33. Wie die Fig. 2 und 3 am deutlichsten zeigen, sind die Vorsprünge durch Teilringsegmente 37 eines geschlitzten Ringkörpers gebildet, der sich entlang einer konzentrischen Kreislinie erstreckt, die dem Rand 39 des kreisrunden Ventilkörpers 29 benachbart ist. Zwischen den Teilringsegmenten 37, die jeweils die gleiche Länge besitzen, befinden sich jeweils Zwischenräume 41 , die ebenfalls die gleiche Länge besitzen, so dass die Vorsprünge in regelmäßiger Lageanordnung an der Fläche 34 angeordnet sind. Bei in der Schließstellung befindlicher Ventilanordnung, wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist, bilden die Zwischenräume 41 jeweils Fluid- wege für einen begrenzten Durchstrom zwischen Fl uidraum 5 und Gehäu- seöffnung 15.

Wie den Fig. 2 bis 4 ebenfalls entnehmbar ist, haben die Teilringsegmente 37, ausgehend von ihrer Basis an der Fläche 34 zum freien Ende hin, eine verjüngte Form, die dadurch gebildet ist, dass sie an ihrer radial außenlie- genden Seite durch eine koaxiale Zylinderfläche 43 (siehe Fig. 2 und 4) und an der Innenseite durch eine Kegelfläche 45 begrenzt sind, die durch eine schmale, zur Fläche 34 des Ventilkörpers 29 parallele Endfläche 47 verbunden sind. Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Länge der Zwischenräume 41 jeweils geringer als die halbe Umfangs- länge der Teilringsegmente 37. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind durch Teilringsegmente 37 gebildete Vorsprünge in regelmäßiger Lageanordnung an der Fläche 34 vorgesehen, deren Zwischenräume 41 die Pfade zur Durchströmung bilden. Es versteht sich, dass Abstandhalter anderer Formgebung und Lageanordnung vorgesehen sein könnten, ebenso wie ein einzelner, (nicht dargestellter) einteiliger Vorsprung, wobei in letztgenanntem Falle Durchbrüche oder Ausnehmungen im Vorsprung den Fluidweg für das Durchströmen der Ventilanordnung bilden könnten. Wie Fig. 1 und deutlicher Fig. 5 zu entnehmen ist, kann der Ventil körper 29 so gestaltet sein, dass er an dem die Fläche 34 begrenzten Rand 39 eine aus der Ebene der Fläche 34 geringfügig vorspringende Kante 51 aufweist. Die Benutzung eines Ventilkörpers 29 mit einer derartigen, randseitigen Kante 51 ermöglicht die Herstellung des Druckspeichers nach einem be- sonders vorteilhaften Herstellverfahren. Wird, wie in Fig. 6 lediglich schematisiert angedeutet ist, bei der Herstellung der Membran 3 mit darin eingeformten Ventilkörper 29 so vorgegangen, dass der mit der Kante 51 versehene Ventilkörper 29 in eine Spritzform eingelegt wird, von der in Fig. 6 lediglich ein Formteil 53 schematisiert angedeutet ist, und wird sodann die Membran 3 durch Einspritzen eines Elastomers gebildet, wobei der Ventilkörper 29 eingeformt wird, dann bildet die Kante 51 durch Anlage an der Wand des Formteiles 53 eine Abdichtkante, die wirksam verhindert, dass Elastomer unkontrolliert unter die Fläche 34 des Ventilkörpers 29 gelangt.