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3e 0 c'hrei bung zu der Patentanmeldung BRADY AIR CONTROLS, INC.,
betreffend Schwimmende Trennwand in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf hydropneumatische Behälter, in denen zum Getrennthalten von Wasser und Luft
dienende Schwimmer angeordnet sind, die zusammengelegt werden können, so daß man
sie in den zugehörigen Behälter über eine der normalerweise vorhandenen Wassereinlaß-
oder Wasserauslaßöffnungen ein£hren kann.
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Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von zum Trennen von Luft
und Wasser dienenden Schwimmern für hydropneumatische Behälter bekannt. Schwimmer
von starrer Konstruktion sind z*Bo in den U.S.A.-Patenten 3 030 891, 3 191 536 und
3 273 741 bekannt. Perner ist ein zusammenlegbarer Schwimmer in dem U.S..-Patent
3 159 501 beschrieben.
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Ein Vorteil eines solchen zusammenlegbaren bzw. faltbaren Schwimmers
besteht darin, daß der Schimmer durch einen Wasser einlaßanschluß in den Behälter
eingeführt werden kann, nachdem der eigentliche Behälter fertiggestellt ist. Ein
solcher Anschluß kann bei einem typischen Behälter z.B. in Form eines Gewindestutzens
mit einem Durchmesser von etwa 32 mm ausgebildet sein. In jedem Fall ist es Jedoch
wichtig, die Kosten möglichst niedrig zu halten und gleichzeitig eine Konstruktion
vorzusehen, die ihren Zweck auf optimale Weise erfUllt. Abgesehen von den Herstellungskosten
ergeben sioh bei zusammenlegbaren Schwimmern weitere Aufgaben; beispielsweise soll
der
Schwimmer nur wenig Raum beanspruchen, er soll nicht tiberflutot
werden kdnnen, seine Flexibilität muß begrenzt sein, da er eo ausgebildet sein muß,
daß er der Wirkung eines Drucke standhält, und es soll möglichst weitgehend vermieden
werden, daß das Wasser in dem Behälter Luft absorbieren kann. Die Erfindung sieht
nunmehr eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem bekannten Stand der Technik vor,
denn der erfindungsgemäße Schwimmer ist den bis Jetzt bekannten Konstruktionen im
Hinblick auf die soeben genannten Aufgaben überlegen, Bei einer typischen Ausfiihrungsform
der Erfindung wird ein Schwimmer verwendet, der einen ringförmigen, mit einem Gas
gefüllten Schlauch aus Kunststoff umfaßt, der eine zentrale Fläche umschließt, welche
die Oberfläche des Wassers bedeckt; der Schlauch trägt nach außen vorspringende
Flansche, von denen sioh der eine allgemein nach oben und der andere allgemein nach
unten erstreckt; hierbei sind die äußeren Ränder der Flansche der Innenwand des
Behälters benachbart, und sie begrenzen zusammen mit der Innenwand eine ringförmige
Zone zwischen dem Schlauch und der Behälterwand, die mit Wasser geftillt ist, das
sich im Ruhezustand befindet. DerJenige Teil der Innenfläohe des Behälters, der
sich von der obersten Standhöhe des Wassers bis zur niedrigsten Standhöhe erstreckt,
ist mit einem nicht benetzbaren Material verkleidet, und es ist ein Umlenkteil vorgesehen,
das dazu dient, das zugeftihrte Wasser gegen den Schwimmer zu leiten.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Aus£Ehrungabeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in einem senkrechten Teilschnitt einen zylindrisohen
Behälter mit einer typischen Ausftihrungsform der Erfindung, wobei der obere Teil
des Behälters aus Grtinden der Raumersparnis fortgelassen ist.
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Fig. 2 zeigt einen Teil des Grundrisses des Schwimmers und läßt Einzelheiten
einer Verbindungsetelle erkennen.
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Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2.
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Fig. 4 zeigt in starker Verkleinerung schematisch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung mit einem Abweiser für den Wasserstrom und einer aus der Mitte versetzten
Schwimmeröffnung.
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Fig. 5 zeigt in einer verkleinerten Teildarstellung eine weitere
Ausführungsform eines Strömungsabweisers und einer aus der Mitte versetzten Schwimmeröffnung.
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Fig. 6 zeigt in einem vergrößerten Teilschnitt Einzelheiten einer
weiteren Ausftihrungsform eines Schwimmers nach der Erfindung.
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Fig. 7 zeigt in einem vergrößerten Teilschnitt eine weitere mögliche
Ausftihrungsform eines erfindungsgemäßen Schwimmere.
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In Fig. 1 erkennt man einen insgesamt mit 11 bezeichneten hydropneumatis
chen Behälter mit einer senkrechten sylindreschen Wand 12, der am nicht dargestellten
oberen Ende abgeschlossen und am unteren Ende mit einem nach innen gewölbten Boden
13 versehen ist. An der Behälterwand 12 ist ein Verstlirkungßring 14 mit einer Gewindebohrung
ZUM aufnehmen eines Wassereinlaß- und Wasserauslaßrohrs 16 befestigt. In dem Behälter
befindet sich ein insgesamt mit 17 bezeichneter Sohwi;-mer, der eine schwimmfähige
Sperre bildet, durch die verhindert wird, daß das Wasser 15 Luft aus dem Raum oberhalb
des Schwimobere absorbiert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt der Schwimmer einen als
Strangpreßteil hergestellten Schlauch 18 von kreisrundem Querschnitt, der sich längs
eines Kreises erstreckt, so daß seine Enden in der in Fig. 2 bei 19 dargestellten
Weise zusammentreffen. Der als Strangpreßerzeugnis hergestellte Schlauch besteht
aus einem flexiblen, elastischen und knickfesten Kunststoff, z.B. thylenvinyia'oetat.
Die beiden Enden des Schlauchs werden susammengebracht und bei einer typischen Konstruktion
durch einen starren Stopfen 20 aus Kunststoff verschlossen, der in beide Enden des
Schlauchs eingeftihrt und mit dem Schlauchmaterial durch einen Klebstoff verbunden
ist. Ee
ist jedoch auch möglich, keinen solchen Stopfen zu verwenden,
sondern die beiden Enden auf dielektrischem Wege zu verbinden, eine Heißversiegelung
der Enden zu bewirken oder, wie es bei manchen Kunststoffen in Frage kommt, die
unter Benutzung eines Lösungsmittels zu verbinden. Der Schlauch ist normalerweise
mit unter dem Atmosphärendruck stehender Luft gefüllt, doch kann er auch mit einem
beliebigen unstarren, einen Auftrieb erzeugenden Material gefüllt sein, z.B. mit
einem anderen Gas oder mit einem Polystyrolgranulat.
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Der Außendurchmesser des Schlauchs 18 bzw. des durch ihn gebildeten
Rings entspricht annähernd dem Innendurchmesser der Behälterwand, so daß zwischen
dem äußeren Rand des Schlauchs und der Behälterwand ein sehr schmaler Ringraum 21
vorhanden ist.
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Gemäß der Erfindung erstreckt sich ferner ein waagerechter kreisrunder
Flansch 22 vom inneren Rand des ringförmigen Schlauchs 18 aus radial nach innen;
dieser Flansch bildet eine Schulter oder Auflage, an der eine zentrale Fläche 23
befestigt werden kann, um sie mit dem Schlauch zu verbinden. Die Fläche 23 besteht
aus einem dünnen Kunststoff-Flachmaterial und kann $*B aus Äthylenvinylacetat bestehen
und mit dem Flansch 22 unter Verwendung eines chemischen Bindemittels oder mit Hilfe
eines dielektrischen Schweißverfahrens, d.h. unter Anwendung von Wärme, verbunden
sein. Diese Fläche 23 ist zu einem noch zu erläuternden Zweck mit einer zentralen
Öffnung 24 versehen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Plansch
26 vorgesehen ist, der sich von dem Schlauch 18 aus nach oben und außen erstreckt,
so daß er annähernd eine kegelstumpfförmige Fläche bildet. Der freie Rand 27 dieses
Plansches bildet einen Kreis und kann in einem sehr kleinen Abstand von der Innenwand
des Behälters angeordnet sein. Bin ähnlicher Flansch 28 erstreckt sich von dem Schlauch
18 aus nach unten und außen, und dieser Flansch kann die gleiche Form haben wie
der Flansch 26. Die drei Flansche 22, 26 und 28 bilden Bestandteile eines einzigen
Strangpreßprofils, das auch den eigentlichen Schlauch 18 umfaßt.
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Die beiden Enden Jedes der beiden Flansche liegen ebenso wie die
beiden Enden des Schlauchs gemäß Fig. 2 bei 19 einander gegeniiber, und sie können
mit Hilfe eines Lösungsmittelschweißverfahrens oder mit Hilfe eines dielektrischen
Verfahrens zum Erzeugen von Wärme miteinander verbunden sein; alternativ sind die
Enden der Flansche nicht miteinander verbunden, sondern sie können gemäß Fig. 2
und 3 mit einem Klebband 29 versehen sein, das die benachbarten Enden der Flansche
verbindet. Dieses Klebband erstreckt sich von aeinem einen Ende 31 an dem Flansch
22 aus nach oben um den Schlauch 18 herum, dann über den Flansch 26, den Teil 32
der lußenfläche des Schlauchs, ueber den unteren Flansch 28 und wieder surtick zu
dem Flansch 22, an dem das andere Ende 33 des Klebbandes anliegt.
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Als Beispiel sei ein Behälter angenommen, der einen Innendurchmesser
von 394 mm hat; bei diesem Behälter kann der äußerste Durchmesser der Flansohe 390
mm betragen, während der Außendurchmesser des ringförmigen Schlauchs 18 z.B. 389
mm beträgt. Der Querschnittedurohmesser der AuBenfläche des Schlauchs 18 kann etwa
12,7 bis etwa 15,9 mm betragen, und die Gesamthöhe zwischen dem tiefsten Punkt auf
dem unteren Flansch und dem höchsten Punkt auf dem oberen Flansch kann z.B. 34t9
= betragen. Ein Schwimmer mit diesen Abmessungen kann längs Jedes beliebigen Durchmessers,
der nicht den starren Stopfen 20 nach Fig. 2 enthält, auf sioh selbst zusammengelegt
bzw. gedoppelt werden und dann von der Außenseite des Behälters her Aber die Öffnung
des Verstärkungsrings 14 in den Behälter eingeführt werden; hierbei braucht der
Innendurohmesser des Verstärkungsrings nur 32 mm zu betragen. Sobald sich der gesamte
Schwimmer in dem Behälter befindet, bewirkt die Elastizität des Schlauchs 18 daß
sich der Schwimmer federnd öffnet und die aus der Zeichnung ersichtliche Form annimmt,
so daß er seinen Zweck er£dllt Daher ist es nicht erforderlich; besondere VerbindungastAcke
und einen zweiteiligen Schlauch zu verwenden und den Einbau in den Behälter mit
besonderer Vorsicht durchzuführen, wie es z.B. bei dem Schwimmer nach dem U.S.A.-Patent
3 159 301 erforderlich ist, um den Schwimmer durch eine enge Anschlußöffnung in
den Behälter einzuftihren.
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Beim Gebrauch des erfindungsgemäßen Schwimmers wirkt der obere Flansch
bzw. die obere Rippe als Spritzschutz, der verhindert, daß turbulent strömendes
Wasser zur Oberseite des Schwimmers gelangt. Der untere Flansch bzw. die "untere
Rippe" verhindert auf dreifache Weise, daß das Wasser Luft absorbiert.
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Erstens begrenzt der untere Flansch gemäß Fig. 1 eine Zone 36, die
mit in Ruhe befindlichem Wasser geftillt ist. Je breiter der Flansch ist, desto
ruhiger ist das Wasser in dem Ringraum zwischen der Behälterwand und dem Flansch.
Wenn sich zweitens das Wasser in dem durch den Flansch abgegrenzten Ringraum vollständig
in Ruhe befindet, ist die Diffusion der absorbierten Luft durch den Ringraum umgekehrt
proportional zur Quadratwurzel der Breite des Flansches, wenn man diese Breite zwischen
dem Wasserspiegel und der der Behälterwand am nächsten benachbarten Kante 38 des
Flansches mißt0 Drittens wirkt der Flansch in der in Fig. 1 durch PSeile 39 angedeuteten
Weise nach Art eines Schabers, durch den das Wasser von der Ringzone weg umgelenkt
wird.
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Der obere Flansch bietet einen weiteren Vorteil. Er arbeitet mit
der zentralen Fläche 23 und dem oberhalb dieser Fläche liegenden Teil des Schlauchs
zusammen und bildet eine Art Becken 41, das, solange es praktisch kein Wasser enthält,
den Auftrieb des Schwimmers vergrößert. Dies ist als Vorteil zu betrachten, denn
unter sonst gleichen Bedingungen ist die Turbulenz bzw.- die in Volumeneinheiten
Je Minute gemessene Strömung, die bei einem bestimmten Schwimmer zulässig ist, proportional
zum Auftrieb des Schwimmers. Somit besteht bei dem erfindungsgemäßen Schwimmer ein
ungewöhnlich großer Tolranzbereich fUr große Durchsatzmengen und eine starke Turbulenz.
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Dies ist darauf zurückzuführen, daß der dicht verschlossene Schlauch
einen primären Auftrieb liefert, und daß das erwähnte Becken 41 einen sekundären
Auftrieb erzeugt, der größer ist als der priaäre Auftrieb.
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Beim anfänglichen Füllen des Behälters ist es möglich, daß das Wasser
das Becken teilweise fiillt, so daß sich der sekundäre Auftrieb und daher dr gesamte
wirksame Auftrieb während einer bestimmten Zeit verringert. Gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindun&tkedoie sehr kleine Öffnung 24
deren Durchmessçr
in der Größenordnung von etwa 1,6 mm liegt, in der Fläche 24 und zwar gewöhnlich
in der Mitte des Schwimmers und in Bluchtung mit der Oberseite der Fläche 23 ausgebildet0
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß zwar zwar das Aufwärtsströmen von
Wasser in das Becken hinein nicht erleichtert wird, daß jedoch Wasser durch die
Öffnung nach unten aus dem Becken ausströmen kann; dies ist auf den konstanten,
allerdings vergleichsweise kleinen primären Auftrieb des dicht verschlossenen Schlauchs
und das geringe spe&ifische Gewicht des Kunststoffs zurückzuSUhren. Somit kann
der dicht verschlossene Schlauch das Becken innerhalb einer Zeitspanne von einer
Stunde bis zu fünf Stunden entleeren, Hierbei wird die Fläche 23 bis zum Wasserspiegel
nach oben bewegt. Da die Öffnung gemäß der vorstehenden Beschreibung einen sehr
kleinen Durchmesser hat, verhindert sie einen Wasseraustausch zwischen den Räumen
oberhalb und unterhalb der Fläche, so daß Jede Erhöhung der Absorptionsgeschwindigkeit
vermieden wird, doch kann bei dieser Anordnung der primäre Auftrieb bewirken, daß
aus dem Becken das Wasser ablaufen kann, das beim anfänglichen Ftillen des Behälters
in das Becken gelangt sein kann. Die AblauföXfnung ermöglichst es somit dem primären
Auftrieb, den sekundären Auftrieb des Beckens wieder herzustellen0 Außerdem kann
silber die Öffnung alles Wasser ablaufen, das an der Stoßstelle der beiden Rippen
aus dem Ringraum in das Becken gelangen könnte, wenn die Stoßstelle der Rippen nicht
verschlossen oder mittels Klebband abgedichtet ist.
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Diese Schwimmerkonstruktion mit dem dicht verschlossenen Schlauch
von kleinem Rauminhalt, den nach oben und unten ragenden Flanschen und der zentralen
Fläche mit der kleinen Öffnung bietet mehrere wichtige Vorteile. Wegen des Vorhandenseins
des Beckens, das den sekundären Auftrieb erzeugt, kann man das Volumen und daher
auch die Querschnittsabmessungen des dicht verschlossenen Schlauchs verhältnismäßig
klein machen. Der Auftrieb des Schlauchs braucht nur aus zureichen, um aus dem Becken
die gesamte Wassermenge, möglicherweise mit Ausnahme eines dtinnen Wasserfilms,
zu entfernen, und dieser Vorgang kann sich innerhalb einer Zeitspanne von erheblicher
Länge abapielen, da Wasser in das Becken nur selten und in kleinen
Mengen
eintritt, wenn man von der Möglichkeit absieht, daß beim erstmaligen Pollen des
Behälters Wasser in das Becken gelangte Wenn auf der zentralen Fläche 23 ein dünner
Wasserfilm zurilckbleibt, wird dieser Film mit Luft gesättigt, so daß er keine weitere
Luft absorbieren kann. Da der Schlauch nur kleine Querschnittsabmessungen hat, kann
die verwendete Werkstoffmenge auf ein Minimum verringert werden, und trotzdem geneigt
die Wandstärke, um dem in dem Behälter herrschenden Druck standzuhalten. Wenn der
Schlauch einem bestimmten Druck standhalten soll, ist seine Wand stärke direkt proportional-
zum Durchmesser des Schlauchquerschnitts. Durch die Verkleinerung des Schlauch durchmessers
läßt sich daher eine erhebliche Senkung der Kosten des Schwimmers erzielen. Ferner
ist ea durch die Verwendung von Werkstoffen mit einem niedrigen spezifischen Gewicht
möglioh, den primären Auftrieb durch andere einen Auftrieb erzeugende Mittel zu
erzeugen als durch den dicht verschlossenen Schlauch als solchen. Die zentrale Fläche
23, der Flansch 22 und der Flansch 28 tragen sämtlich zu dem primären Auftrieb des
dargestellten Schwimmers bei, wenn das spezifische Gewicht der verwendeten Werkstoffe
etwa 0,96 beträgt. Es ist zweckmäßig, daß der Auftrieb des Schwimmers eo groß ist,
daß die zentrale Fläche 23 auf gleicher Höhe mit dem Wasserspiegel liegt. Wenn die
Herstellungstoleranzen eine solehe genaue Lagebestimmung der zentralen Fläche im
Gleichgewichtszustand verhindern, wird es vorgezogen, Toleranzen vorzusehen, bei
denen sich im Gleichgewichts zustand die zentrale Fläche etwas unterhalb des Wasserspiegels
befindet, statt mit Toleranzen zu arbeiten, bei denen sich die zentrale Fläche oberhalb
des Wasserspiegels stabilisieren kann. Wenn die zentrale Fläche etwas tiefer liegt
als der Wasserspiegel, fahrt das Vorhandensein eines dünnen Wasserfilms auf der
zentralen Fläche nicht zu irgendwelchen Schwierigkeiten.
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Die Breite der Flansche oder Rippen wird so gewählt, daß die Flansche
gegenüber dem Schlauch um einen erheblichen Betrag nach außen ragen, daß sie Jedoch
dann, wenn der Schwimmer zusammengelegt wird, um ihn ueber die ttinung des AnschluBßtutzens
in den Beälter einzuführen, eine solche Form annehmen, daß das Einführen des Schwimmers
nicht behindert wird. Andererseits
sollen die Flansche Jedoch wieder
ihre ursprtingliche Gestalt annehmen, sobald der Schwimmer innerhalb des Behälters
auseinanderfedert, Der Schwimmer ist gegenüber einer die zentrale Fläche 23 enthaltenden
waagerechten Ebene praktisch symmetrisch, so daß nicht darauf geachtet zu werden
braucht, welche Seite des Schwimmers die Oberseite bildet, wenn der Schwimmer in
dem Behälter auseinanderfedert.
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Beim Gebrauch eines erfindungsgemäßen Schwimmers kann es zweckmäßig
sein, mindestens einen Teil des zugefwirten Wasserstroms auf den mittleren Teil
des Schwimmers zu richten, so daß der nach unten ragende flansch 28 das wasser in
Richtung auf den Boden des Behälters umlenken kann, um so zu gewährleisten, daß
das Wasser in dem Ringraum 36 im Ruhezustand verbleibt.
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Zu diesem Zweck kann man gemäß Fig. 5 eine Umlenkplatte 46 auf dem
Boden des Behälters auf der Achae des Einlaßrohrs 47 so anordnen, daß das einströmende
Wasser in Richtung des Pfeils 48 nach oben umgelenkt wird, so daß es im Bereich
des mittleren Teils der zentralen Fläche 23 auf diese auftrifft. Danach strömt das
Wasser nach außen und längs der senkrechten Behälterwand nach unten zum Behälterboden;
hierbei trägt der nach unten ragende Flansch 28 dazu bei, das Wasser nach unten
umzulenken. Eine weitere diesem Zweck dienende Anordnung ist it Fig. 4 dargestellt,
gemäß welcher eine nach oben und innen geneigte Umlenkplatte 49 auf der zylindrischen
Wand des Behälters gegenüber dem Einlaßrohr 47 so angeordnet ist, daß der Wasserstrom
in Richtung auf den mittleren Teil des Schwimmers umgelenkt wird, wie es durch den
Pfeil 51 angedeutet ist. Bei den beiden Ausführungsformen nach Fig. 4 und 5 ist
die Öffnung des Schwimmers bei 52 nahe dem äußeren Rand der zentralen Fläche 23
angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Behälter auf seiner
Innenseite mit einer Auskleidung 53 versehen, die sich von einem Punkt unterhalb
der niedrigsten Standhöhe des Wassers bis zu einem Punkt nahe dem oberen Ende des
Behälters, z.B. bis zu dem Punkt 50 in Fig. 4, erstreckt, der oberhalb der höchsten
Standhöhe des Wassers liegt. Gegebenenfalls könnte man die Auskleidung weiter nach
oben verlängern, so daß sie die Innenfläche der gewölbten oberen Stirnwand 56 des
Behälters
überdeckt. Diese Auskleidung bzwO der Überug besteht aus einem Material mit einem
niedrigen Reibungsbeiwert, das nicht benetzbar ist, z.BX aus dem unter der gesetzlich
geschützen Bezeichnung Teflon erhältlichen Material Diese Maßnahme dient dazu, die
Ansammlung von Wassertröpfchen auf der Innenfläche des Behälters zu verhindern,
wenn sich die Standhöhe des Wassers in dem Behälter verringert, Wenn ein solches
Ansammeln von Wassertröpfchen vermieden wird, besteht nicht die Gefahr, daß Luft
von Wassertröpfchen auf der Behälter wand absorbiert wird, wenn die Standhöhe des
Wassers zurückgeht.
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Dieses Merkmal der Erfindung stellt somit eine weitere Vorsichtsmaßnahme
dar, die das Absorbieren von Luft durch das Wasser verhindert.
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Fig. 6 zeigt in einem Teilschnitt einen Schwimmer, bei dem der obere
und der untere Flansch fortgelassen sind, der jedoch den Flansch 22 umfaßt, der
das Befestigen der Fläche 23 längs ihres Umfangs bei 57 mit Hilfe des ungsmittelschweißverfahrens
oder mit Hilfe einer dielektrischen Verschweißung erleichtert. Zwar handelt es sich
bei einem solchen Schwimmer nicht um die bevorzugte Ausfiihrungsform, doch erweist
sich dieser Schwimmer im Vergleich zu Schwimmern bekannter Art als zweckmäßiger.
Eine noch stärker vereinfachte Ausführungsform eines erfindungRgemäßen Schwimmers
ist in Fig. 7 dargestellt; in diesem Fall ist die zentrale Fläche 23 direkt mit
der Wand des Schlauchs bei 58 verbunden, d.h. es ist kein Befestigungsflansch 22
vorgesehen. Die Ausführungsformen nach Fig. 6 und 7 lassen sich über engere Öffnungen
in Behälter einführen als Schwimmer bekannter Art, und zu ihrer Herstellung benötigt
man weniger Material, da man z.B. anstelle von zwei Flächen oder Flachmaterialstücken
nur einen Film für die zentrale Fläche 23 benötigt.
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PatentansPrüche: