Hydrospeicher

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 Trenn- element zwischen einer Gasseite und einer Fluidseite bildet, deren Volumina durch in Axialrichtung erfolgendes Ausziehen und Zusammendrücken des Metallbalges veränderlich sind.

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 austeniti- sehen 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.

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.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch einen Hydrospeicher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

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.

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 Aneinanderlie- gen 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.

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 Längenunter- schiede der Membranscheiben zueinander ausgeglichen werden müssen. Die Ränder der zu verschweißenden Membranscheiben können dann einfach plan aufeinandergelegt und mittels einer Schweißnaht verbunden werden.

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.

Vorzugsweise ist die in Radial richtung gemessene Dicke der Schweißnähte größer als die in Axialrichtung gemessene Dicke einer einzelnen Membranscheibe. Dadurch ist gewährleistet, dass die Schweißnaht hinreichend di- mensioniert ist, was nicht nur die Stabilität der Schweißnaht, sondern ebenfalls die Lebensdauer des gesamten Metallbalges erhöht.

Zur Erhöhung der Druckfestigkeit bei im wesentlichen gleich bleibender Flexibilität ist es vorteilhaft, den Metallbalg wenigstens zweitägig auszufüh- ren. 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.

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

Fig. 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;

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt, wobei jedoch der Metallbalg in zusammengedrücktem Zustand (Blocklage) dargestellt ist;

- Fig. 3 eine Teil-Seitenansicht einiger Membranscheibenpaare des Metallbalges eines Ausführungsbeispieles des Hydrospeichers;

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Teil-Seitenansicht von Membranscheibenpaaren des Metallbalges eines anderen Ausführungsbeispieles des Hydrospeichers;

- Fig. 5 einen in stark vergrößertem Maßstab gezeichneten Teillängs- schnitt des radial außenliegenden Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik;

- Fig. 6 ein gegenüber Fig. 5 in etwas kleinerem Maßstab gezeichneter Teillängsschnitt des radial außenliegenden Endbereiches dreier aufein- anderfolgender, in Blocklage befindlicher Membranscheibenpaare des

Metallbalges des Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik;

- Fig. 7 einen der Fig. 5 ähnlichen, demgegenüber in etwas kleinerem Maßstab gezeichneten Teillängsschnitt des radial außenliegenden Endbereiches eines Membranscheibenpaares des Metallbalges eines Aus- führungsbeispieles des erfindungsgemäßen Hydrospeichers und

- Fig. 8 einen Teillängsschnitt dreier aufeinanderfolgender, entsprechend Fig. 7 ausgebildeter und in Blocklage befindlicher Membranscheibenpaare gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrospeichers.

Fig. 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 Trenn- element 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 Stickstoff gas, sowie ein zur Fluidseite 7 führender Fluidanschluss 1 1 vorhanden.

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 Fig. 3 und 4 sowie 7 und 8 näher erläutert.

Fig. 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 Fig. 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 anein- ander 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 Kraftein leitung in den Metallbalg 3 ein den Metallbalg 3 schädigender Abrieb zwischen den benachbarten, aneinanderstoßenden Schweißnähten vermieden.

Fig. 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 Fig. 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 Fig. 4 zwischen den Schweißnähten 21 und 23 jeweils eine Profilierung 18 mit einer zur Längs- achse 25 konzentrisch verlaufenden Wellenform auf.

Fig. 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 Fig. 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'. Fig. 6 zeigt den Betriebszustand, bei dem bei einem Metallbalg 3' eines Hydrospeichers gemäß dem Stand der Technik der an der Außenseite des Metall- balges 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 Fig. 6 nicht gezeigten radial innenliegenden Schweißnähte. Wie aus Fig. 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.

Fig. 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 Fig. 5 und 7 klar erkennbar ist, ist die Schweißnaht 21 erfindungsgemäß derart andersartig gestaltet, dass die Gesamtdicke der miteinander verschweißten Mem- branscheiben 17 und 19 gleich oder größer ist als die in Axialrichtung (Vertikalrichtung bei Blickrichtung entsprechend Fig. 7) gemessene Dicke der Schweißnaht 21. Wie Fig. 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 Membran- Scheibe 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 hin- ein und ist dort im Querschnitt bis zum übergang an die Parabel halbkreisförmig ausgebildet.

Bei dieser Gestaltung der Schweißnähte 21 und auch der nicht gezeigten, radial inneren Schweißnähte 23 ergibt sich bei vollständigem Zusammen- drücken des Metallbalges 3 in die Blocklage der in Fig. 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.

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 erfindungsgemä- ßen 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.

Die in Fig. 7 und 8 gezeigte Gestaltung der Schweißnähte lässt sich betriebssicher, rationell und reproduzierbar mittels einer Laserschweißeinrichtung fertigen. Bei geeignetem Werkstoff der zu verschweißenden Membran- Scheiben 17, 19, beispielsweise einem austenitischen Edelstahl, lassen sich die Schweißnähte 21 , 23 durch Anschmelzen der Membranscheiben 17, 19, d. h. ohne Schweißzusatzstoffe, erzeugen.