Die Erfindung betrifft ein Trennelement, insbesondere für einen Balgspei cher, bestehend aus einer einzelnen Membran, die unter Bildung einer Viel zahl von Balgfalten an Umlenkstellen im Querschnitt gesehen bogenförmig umgelenkt ist, die die jeweilige Balgfalte nach außen und innen hin begren- zen. Die Erfindung betrifft weiter einen Hydrospeicher mit einem dahinge henden Trennelement.

Durch DE 100 09 865 B4 ist ein hydropneumatischer Druckspeicher, insbe sondere Pulsationsdämpfer bekannt, der in der Art eines Balgspeichers aus- gebildet ist und der zumindest aufweist:

- ein Speichergehäuse, das einen Fluidraum für die Aufnahme einer einen Vorspanndruck erzeugenden Gasfüllung sowie einen weiteren Fluidraum für die Aufnahme eines Hydraulikmediums enthält;

- einen die beiden Fluidräume voneinander trennenden Metallbalg, der am einen Ende durch eine Endplatte abgeschlossen und mit seinem an deren Ende mit dem Speichergehäuse derart verbunden ist, dass sein In nenraum den weiteren Fluidraum für das Hydraulikmedium bildet;

- einen in der Wand des Speichergehäuses ausgebildeten Kanal, der in den weiteren Fluidraum ausmündet; und - eine Bewegung der Endplatte des Metallbalges begrenzende An schlageinrichtung.

Durch die Anschlageinrichtung mit je einem die Innenseite und die Außen seite der Endplatte des Metallbalges beaufschlagenden Anschlag steht eine mechanische Hubbegrenzung sowohl für das Zusammenziehen als auch für das Ausziehen des Trennbalges zur Verfügung. Dadurch ist der Metallbalg wirksam gegenüber zu großen Belastungen geschützt und bleibt auch über eine längere Einsatzdauer hinweg funktionsfähig.

Für den Erhalt des einstückigen Metallbalges werden zunächst dünnwan dige Rohre als Membranausgangsmaterial angefertigt, die durch Längsnaht schweißen im Endlosverfahren herstellbar sind. Anschließend wird der da hingehende Rohrzylinder durch Umformen zu einem Balg, bei dem ringför mige Wellen als Balgfalten ausgeformt werden müssen. Dabei kommen überwiegend hydraulische Umformverfahren zum Einsatz. Darüberhinaus besteht noch die Möglichkeit, die wellenförmigen Balgfalten durch mecha nische Rollumformung zu erhalten.

Beiden Fertigungsverfahren ist jedoch gemeinsam, dass Balgfalte um Balg falte einzeln aus einem Vollmaterial hergestellt wird, wobei jede Balgfalte an ihrer jeweiligen Umlenkstelle im Querschnitt gesehen bogenförmig, ins besondere halbkreisförmig, ausgebildet ist. Mit den bekannten Balgherstell- verfahren ist eine die Balglebensdauer beeinträchtigende Wanddickenredu zierung, beispielsweise im Bereich der Umlenkstelle mit dem bogenförmi gen Verlauf, weitgehend verhindert. Nachteilig ist jedoch, dass man für jede Trennbalggröße als durchgehende Einzelmembran ein von der Größe her zugehöriges Rohr erst anzufertigen hat, was den Herstellaufwand erhöht. Ferner verlaufen in einem Ausgangszustand der Membran, vor der Auszieh bewegung, die zu den Balgfalten zugehörigen Membranflächen parallel zu einander, was im Betrieb des Trennbalges mit einer Vielzahl von Auszieh- und Zusammenziehvorgängen zu einer ungünstigen Spannungseinleitung in das Membranmaterial führt, so dass zumindest langfristig, insbesondere im Bereich der Umlenkstellen, mit einem Materialversagen zu rechnen sein dürfte.

Des Weiteren ist durch DE 10 2006 014 456 A1 ein Hydrospeicher mit ei nem Speichergehäuse bekannt, in dessen Innenraum ein Metallbalg ange ordnet ist, der eine Mehrzahl von einzelnen Membranscheiben aufweist, deren Ränder wechselseitig miteinander durch Schweißnähte verbunden sind, und der insoweit ein bewegbares Trennelement zwischen einer Gasseite und einer Fluidseite bildet, deren Volumina durch in Axialrichtung erfolgendes Ausziehen und Zusammendrücken des Metallbalges innerhalb des Speichergehäuses veränderlich sind. Dadurch, dass bei zumindest ei nem Teil der Membranscheiben die Schweißnähte derart dimensioniert sind, dass die in Richtung der Dicke der Membranscheiben gemessene Di cke der Schweißnähte höchstens gleich der Gesamtdicke der zu verschwei ßenden Membranscheiben ist, ergibt sich für die Membranscheiben ein weit günstigerer Belastungszustand, als wenn der Metallbalg, wie im sonsti gen Stand der Technik aufgezeigt, durch eine durch hohen Außendruck er zeugte Druckdifferenz vollständig zusammengedrückt wird.

Mit der bekannten Lösung lassen sich auch kreisförmige Membranscheiben zu einem hohlzylindrischen Metallbalg zusammenschweißen, die zwischen den spitz zulaufenden Schweißnähten jeweils eine Profilierung mit einer zur Längsachse des Metallbalges konzentrisch verlaufenden Wellenform aufweisen. Geht eine dahingehende Membranscheibe mit Wellenform mit benachbart angeschweißten Membranscheiben vergleichbarer Ausgestal tung „auf Block", ist der Metallbalg vollständig zusammengedrückt und die wellenförmigen Membranscheiben stützen sich gegenseitig in besonders vorteilhafter Weise ab. Dabei eventuell auftretende Querkräfte führen inso- weit nicht ungewollt zu einem gegenseitigen Abgleiten der Membranschei ben, was zu einem Versagen im Bereich der Schweißnähte führen könnte. Trotz der dahingehenden zusätzlichen Sicherheit über die Wellenform kann natürlich ein Versagen im Hinblick auf die Vielzahl von Schweißnähten grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden, auch wenn diese mittels mo derner Laserschweißeinrichtungen zustande kommen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Trennelement, insbesondere für den Einsatz in einem Hydro speicher, zu schaffen, das sich einfach und kostengünstig hersteilen lässt und das auch über eine lange Einsatzdauer hinweg versagensfrei betrieben werden kann.

Eine dahingehende Aufgabe löst ein Trennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit sowie ein Hydrospeicher mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.

Erfindungsgemäß wird das Trennelement aus einer einstückigen, einzelnen Membran zusammen mit den einzelnen Balgfalten mittels eines 3D-Druck- verfahrens respektive additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Als beson ders geeignet hat sich dabei das sogenannte Elektronstrahlschmelzen als 3D-Druckverfahren erwiesen. Bei dem Elektronenstrahlschmelzen (Electro nic Beam Melting) wird ein Metallpulver schichtweise aufgeschmolzen und als Trennelement zusammen mit seinen Balgfalten abgetragen. Ebenso ge eignet ist das selektive Laserschmelzen, bei dem ein Metallpulver lediglich lokal aufgeschmolzen wird. Gleichfalls möglich ist der Einsatz des selek tiven Lasersinterns, bei dem ein Metallpulver mit einem Laser kurzzeitig derart erhitzt wird, dass dies schmilzt, wobei es sich anschließend wieder unter Bildung des metallischen Trennelementes verfestigt. Alle vorstehend genannten 3D-Druckverfahren gehören im weitesten Sinne der Gattung der Sinter- und Pulverdruckverfahren an. Dabei kann jedes Trennelement als dreidimensionales Objekt durch schichtweisen Aufbau des Membranmaterials individuell erhalten werden, wobei auch eine Serienfertigung mit größerer Stückzahl möglich ist. Derge stalt ist auf einfache und kostengünstige Weise das Trennelement erhalten, ohne dass der Einsatz hydraulischer Umformverfahren oder von Rollierver- fahren und/oder von Schweißverfahren notwendig wäre.

Des Weiteren hat sich aus der Verbindung des 3D-Druckverfahrens mit der speziellen Geometrie des Trennelementes, bei der die Umlenkstellen der Balgfalten im Querschnitt gesehen bogenförmig ausgebildet sind und bei der die fiktiven Verlängerungen der an einer jeden Umlenkstelle jeweils be nachbart angrenzenden Membranflächen, zumindest in einem Ausgangszu stand, einen spitzen Winkel miteinander einschließen, ergeben, dass in je dem Betriebszustand des Trennelementes in der Membran, ein isotensoider oder ein im Wesentlicher isotensoider Spannungsverlauf erreicht ist, so dass materialschädigende Überbeanspruchungen auch im dynamischen Betrieb, beispielsweise im Rahmen einer üblichen Hydrospeicheranwendung, ver mieden sind. Die Auslegung der einzelnen Balgfalten mit ihren bogenförmi gen respektive gerundeten Umlenkstellen führt also auch im dynamischen Betrieb zu einer gleichförmigen Spannungseinleitung und Verteilung in der gesamten Membran.

Für einen günstigen Spannungsverlauf innerhalb des membranartigen Trennelementes hat es sich als günstig erwiesen, dass die jeweiligen im Querschnitt gesehen bogenförmigen Umlenkungen zumindest teilweise aus einem Halbkreisbogen gebildet sind. Vorzugsweise ist dabei ferner vorgese hen, dass der spitze Winkel zwischen zwei angrenzenden Membranflächen im Ausgangszustand < 30° ist, vorzugsweise < 20° ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trennelementes ist vorgesehen, dass das Membranmaterial der Membran, vorzugsweise mittig, zwischen zwei benachbarten Umlenkstellen, die auf einer gemeinsamen Seite der Membran liegen, in der Wandstärke reduziert ist. Es ist für einen Durchschnittsfachmann überraschend, dass er trotz die ser Wandschwächung zu einem gleichförmigen, verbesserten Spannungs eintrag in die Membran kommt, was zu deren Langlebigkeit mitbeiträgt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trennelementes ist vorgesehen, dass die jeweilige Membranfläche zwi schen zwei benachbarten Umlenkstellen, die auf gegenüberliegenden Sei ten der Membran liegen, einen wellenförmigen Verlauf aufweisen. Dabei können im Rahmen einer Eigenstabilisierung die einzelnen wellenförmigen Membranflächen bei einer Aneinanderlage auf Block zumindest teilweise bündig ineinandergreifen, was die Stabilität insgesamt erhöht.

In vorteilhafter Weise ist dabei vorgesehen, dass bei einer Wellenform der Membran, die in Stapelfolge gesehen eine Membranfläche bezogen auf die bogenförmige Umlenkstelle einen stärkeren Neigungsverlauf aufweist, als die benachbart an diese Umlenkstelle angrenzende Membranfläche, so dass die in der Stapelfolge immer jeweils übergeordneten Membranflächen von der darunterliegenden, flacher verlaufenden Membranfläche entsprechend gestützt werden, was im dynamischen Betrieb das Auszieh- und Zusam menziehverhalten des Balges als Ganzes begünstigt.

Die bevorzugt für das im 3D-Druckverfahren erhaltene Trennelement einge setzte Materialien sind Titan, Edelstahl oder Aluminium.

Besonders bevorzugt bildet das Trennelement respektive die Membran im fertiggedruckten Zustand eine Art Hohlzylinder aus, so dass sich das Trenn element ganz allgemein als Kompensatoreinrichtung auch im Rahmen eines Ausgleichelementes für fluidführende Rohrleitungen ohne Weiteres erset zen lässt.

Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass balgförmige Trennelement im Rahmen eines Hydrospeichers, in Form eines Balgspeichers einzusetzen, bei dem das Trennelement in einem Speichergehäuse eingesetzt zwei Me dien- oder Fluidräume voneinander separiert, wobei das Trennelement be vorzugt wie vorstehend beschrieben ausgeführt ist. Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Trennelement sowie ein Hydro speicher nach der Zeichnung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Dar stellung die

Figuren 1 und 2 in einem stark schematisch vereinfachten Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Hydrospeichers mit ei nem bewegbaren Trennelement im Innenraum des Speichergehäuses, einmal in Form eines ausgezogenen Metallbalges und einmal im zusammengezogenen auf Block befindlichen Zustand;

Figur 3 einen Ausschnitt auf eine Faltenanordnung eines

Trennelementes mit geradlinig verlaufendem Faltenver lauf;

Figur 4 einen hohlzylindrischen Metallbalg, wie er sich aus ei nem Faltenverlauf nach der Figur 3 ergibt;

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein balgförmiges

Trennelement mit wellenförmigem Faltenverlauf; Figur 6 einen nach beiden Seiten weitergezeichneten Falten verlauf, wie er sich aus der Darstellung nach der Figur 5 ergibt; und

Figur 7 einen halbseitig aufgeschnittenen hohlzylindrischen

Faltenbalg, wie er sich aus der Faltenanordnung gemäß den Darstellungen nach den Figuren 5 und 6 ergibt.

Der als Balgspeicher konzipierte Hydrospeicher nach den Figuren 1 und 2 weist beispielhaft ein kreiszylindrisches Speichergehäuse 10 auf, wobei im Innenraum des Speichergehäuses 10 ein Metallbalg 12 vorgesehen ist, der als bewegbares Trennelement 14 dient, das im Innenraum des Speicherge häuses 10 eine Gasseite 16 von einer Fluidseite 18 trennt. In der bei derarti gen Hydrospeichern üblichen Weise sind am Speichergehäuse 10 ein zur Gasseite 16 führender Anschluss 20 für ein Arbeitsgas, vorzugsweise Stick stoffgas, sowie ein zur Fluid- oder Flüssigkeitsseite 18 führender Fluidan schluss 22 vorhanden.

Der Metallbalg 12 respektive das Trennelement 14 ist an seinem in Blick richtung auf die Figuren 1 und 2 gesehen unteren, offenen Ende mit einem Befestigungsring 24 verschweißt, der an der Innenwand des Speichergehäu ses 10 festgelegt ist. Das andere Ende des Metallbalges 12 ist durch eine, vorzugsweise angeschweißte, Endplatte 26 fluiddicht abgeschlossen. Zwi schen der Endplatte 26 und dem Befestigungsring 24 weist der Metallbalg 12 eine Vielzahl von einzelnen aufeinanderfolgenden Balgfalten 28 auf, de ren Ausgestaltung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren noch näher erläutert werden wird.

Figur 1 zeigt den Hydrospeicher in einem Betriebszustand mit geringem oder fehlendem Gasdruck auf der Gasseite 16, wobei dahingehend der Me tallbalg 12 in einem ausgezogenen Zustand dargestellt ist, so dass das freie Volumen der an der Balgaußenseite befindlichen Gasseite 16 verkleinert und das Volumen der an der Innenseite des Metallbalges 12 angrenzenden Fluidseite 18 vergrößert ist.

Demgegenüber zeigt Figur 2 einen Betriebszustand bei geringem oder feh lendem Fluiddruck auf der Fluid- oder Flüssigkeitsseite 18, wobei der Me tallbalg 12 respektive das Trennelement 14 vollständig zusammengedrückt ist und wobei die einzelnen Balgfalten 28 zur gegenseitigen Abstützung an einander angepresst sind, was man fachsprachlich als „Blocklage" oder „auf Block gehen" bezeichnet. Insoweit bildet der Metallbalg 12 eine außeror dentlich druckfeste Struktur aus, so dass der Hydrospeicher auch bei sehr hohem Gasdruckniveau bei einem Abfall oder einem vollständigen Fehlen des Fluiddruckes betriebssicher bleibt.

Figur 3 zeigt nun eine mögliche Ausführungsform eines kreisringförmigen Metallbalges 12 mit einzelnen Balgfalten 28 in Übereinanderanordnung, wobei die obere und die untere Balgfalte 28 nicht vollständig dargestellt sind und es versteht sich, dass in Abhängigkeit von der Einsatzlösung eine Vielzahl solcher übereinander angeordneter Balgfalten 28 das Trennele ment 14 bilden. Die jeweilige Balgfalte 28 bildet nach außen und innen hin gesehen einzelne Umlenkstellen 30 aus, die im Querschnitt gesehen bo genförmig verlaufend sind, insbesondere zumindest teilweise im außenlie genden Bereich einen Halbkreisbogen aufweisen. Eine jede einzelne Balg falte 28 durchläuft eine Wegstrecke von einem Wellenberg aus gesehen zu einem Wellental und zu einem wiederum darauffolgenden Wellenberg, je weils gebildet aus den halbkreisförmigen Umlenkstellen 30. Wie sich des Weiteren aus der Figur 3 ergibt, schließen die fiktiven Verlängerungen 32 der an einer jeden Umlenkstelle 30 jeweils benachbart angrenzenden Membranflächen 34, in dem in den Figuren 1 und 3 gezeigten voll ausge zogenen Ausgangszustand, einen spitzen Winkel a miteinander ein, der < 30° ist. Nimmt hingegen der Metallbalg 12 seine in der Figur 2 gezeigte Blocklage ein, bewegen sich die jeweils benachbarten Paare von Membran flächen 34 aufeinander zu, bei gleichzeitiger Vergrößerung des Winkels a.

Das in der Figur 3 gezeigte Trennelement besteht aus einer einzelnen, einstückigen Membran, die in einem 3D-Druckverfahren hergestellt ist. Insbesondere kommt zur Herstellung der Trennmembran ein Pulverdruck verfahren zum Einsatz. Als Metallpulver für das 3D- Druckverfahren können Stahlmaterialien, wie Edelstahl zum Einsatz kommen oder Werkstoffe, wie Titan oder Aluminium. Die dahingehende Materialaufzählung ist nur bei spielhaft und selbstredend können hier auch andere geeignete Metalle im Rahmen des 3D-Druckverfahrens zum Einsatz kommen.

Dadurch, dass die Umlenkstellen 30 der jeweiligen Balgfalte 28 im Quer schnitt gesehen bogenförmig ausgebildet sind und dass für den Ausgangszu stand des Metallbalges 12 nach der Figur 3, angrenzende Membranflächen 34 den spitzen Winkel a miteinander einschließen, ist insgesamt ein Trenn element 14 erhalten, das über seine gesamte Oberfläche einen isotensoiden oder im Wesentlichen isotensoiden Spannungsverlauf aufweist, d.h. es ist eine gleichförmige Spannungseinleitung sowie Spannungsverteilung in das Trennelement 14 über seine gesamte 3D-Aufbaukonstruktion erreicht, so dass auch im dynamischen Betrieb Spannungsspitzen im Membranmaterial vermieden sind, was einem lang andauernden Betrieb zugutekommt und ein schnelles Reaktionsverhalten für das Trennelement 14, auch bei hoher dynamischer Beanspruchung, erlaubt. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.

Der in der Figur 3 nur ausschnittsweise dargestellte Metallbalg 12 ist als Ganzes in der Figur 4 wiedergegeben und bildet insoweit ein Trennelement 14 aus, wie es auf Block gehend, dargestellt in der Figur 2 wiedergegeben ist. Dabei ist die Oberseite 36 mit der Endplatte 26 verbunden und die Un- terseite 38 des Metallbalges 12 mit dem Befestigungsring 24 für das Festle gen des Trennelementes 14 auf der Innenseite des Speichergehäuses 10 ge mäß den Darstellungen nach den Figuren 1 und 2. Es versteht sich, dass im Rahmen des 3D-Druckverfahrens es auch grundsätzlich möglich ist, sowohl die Endplatte 26 als auch gegebenenfalls den Befestigungsring 24 einstückig mit dem Metallbalg 12 aus entsprechenden Metall Werkstoffen auszubilden.

Figur 5 zeigt eine weitere, gegenüber der Lösung nach den Figuren 3 und 4 geänderte Trennelementlösung, wobei die bisherigen Ausführungen auch für die geänderte Ausführungsform gelten und insoweit werden für diesel ben Komponenten auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt auf eine wellenförmige Membran, bei der die Um lenkstellen 30, wiederum endseitig, mit einem halbkreisförmigen Bogenver lauf versehen sind. Auch hier schließen die paarweise einander zugeordne- ten Membranflächen 34, mit ihren fiktiven Verlängerungen 32 an einer je den Umlenkstelle 30, einen spitzen Winkel a von weniger als 20° mitei nander ein, insbesondere einen Winkel von 15°. Dergestalt entsteht im je weils außenumfangsseitigen Endbereich des Trennelementes, im Quer schnitt gesehen, eine Art Keil, der besonders wirksam ist, im Rahmen der Kräfteaufnahme beim Zusammendrücken des Metallbalges 12.

Wie sich des Weiteren aus der Figur 5 ergibt, weist in Stapelabfolge die je weils zuoberst aufliegende Membranfläche 34 gegenüber der darunterlie genden Membranfläche 34 einer Balgfalte 28, eine stärkere Krümmung auf, was zur Erhöhung der Biegefestigkeitswerte führt. Des Weiteren ist beim Einfedern einer jeden Balgfalte 28, durch den flacher verlaufenden Unter grund, gebildet durch die Membranfläche 34, eine verbesserte Abstützwir kung erreicht mit entsprechend hoher Krafteinleitung. Figur 5 betrifft wiede rum den Ausgangszustand bei auseinandergezogenen Balgfalten 28, gemäß der Darstellung nach der Figur 1 . Des Weiteren sind die einzelnen Balgfal- ten 28 im Wesentlichen auf einem konstanten Abstand zu einander gehal ten sowohl im auseinandergezogenen, als auch im zusammengezogenen Zustand.

Figur 6 gibt den Faltenverlauf nach der Figur 5 für eine wellenförmige Trennmembran als Ganzes wieder, mit in einem äußeren Wandbereich und einem inneren Wandbereich angeordneten Umlenkstellen 30.

Die Darstellung nach der Figur 7 stellt einen Halbschnitt dar und zeigt ver gleichbar der Darstellung nach der Figur 4, das Trennelement als Hohlzylin der, das wiederum mit seiner Oberseite 36 mit der Endplatte 26 verbindbar ist und mit seiner Unterseite 38 mit dem Befestigungsring 24. Wie sich des Weiteren aus den Figuren 5 und 6 ergibt, greifen die Membranflächen 34 bei ihrer wellenförmigen Ausgestaltung, zumindest teilweise, mit ihren Oberflächen ineinander ein, sofern die einzelnen Balgfalten 28 auf Block, gemäß der Darstellung nach der Figur 2 gehen. Insoweit ergibt sich auch eine verbesserte Aussteifung gegenüber etwaig auftretenden Querkräften.

Wie sich des Weiteren aus der Figur 3 ergibt, besteht die Möglichkeit das Membranmaterial der Membran, vorzugsweise mittig zwischen zwei be nachbarten Umlenkstellen 30 einer Balgfalte 28 von der Wandstärke her zu reduzieren, wobei der dahingehende Bereich der Wandstärkenreduzierung in der Figur 3 mit 40 bezeichnet ist. Eine dahingehende Wanddickenredu zierung ist im Grunde nach auch bei der Membran nach den Figuren 5 bis 7 möglich. Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Aus legung solcher Trennelemente überraschend, dass er zu einem verbesserten Biegekraftverhalten kommt, trotz der angesprochenen Wandstärkenreduzie rung 40.