-
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.