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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring aus kautschukelastischem Werkstoff für Pumpen, insbesondere für Erdöltiefpumpen, wobei sich an einem Basisteil eine konische Manschette anschliesst.
Bekannte Kolbentiefpumpen sind mit einem in das Mantelrohr exakt eingepassten Kolbenrohr versehen, wobei die Aussenfläche des metallenen Kolbenrohres an der Innenfläche des Mantelrohres dichtend gleitet. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist, dass die Herstellung der genauen Passung zwischen Kolbenrohr und Mantelrohr sehr kostspielig ist und dass sowohl am Kolbenrohr als auch am Mantelrohr ein hoher Verschleiss auftritt.
Es wurde daher schon vorgeschlagen, am Kolbenrohr einer Kolbentiefpumpe nichtmetallische Dichtungselemente anzubringen. Diese bekannten Dichtungselemente sind aus einem Material hergestellt, welches unter Einwirkung von Flüssigkeit aufquillt und erst nach vollständigem Aufquellen eine ausreichende Dichtung gewährleistet. Nachteilig hiebei ist, dass bei Verwendung dieser Dichtungselemente am Kolbenrohr an die Mantelrohrinnenseite genau angepasste metallene Zwischenstücke angeordnet werden müssen, welche bis zur Beendigung des Quellvorganges eine gewisse Dichtung zwischen Kolbenrohr und Mantelrohr gewährleisten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese Dichtungselemente vor allem wegen der geringen Zähigkeit des Materials schon nach verhältnismässig kurzer Zeit Risse aufweisen und ausgewechselt werden müssen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, als Dichtungselemente Kolbenringe aus nachgiebigem
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(deutsche Patentschrift Nr. 842308). Dieser bekannte Kolbenring besteht aus einem Basisteil mit einer zylindrischen und aus einer Manschette mit einer konischen Aussenmantelfläche. Diese konische Manschette wird im wesentlichen durch eine stark vorspringende Lippe gebildet und schliesst sich an den zylindrischen Basisteil an. Für die gute Funktion der Lippe ist eine einwandfreie und unbeschädigte Randausbildung erforderlich, die ein besonderes Herstellungsverfahren beansprucht. Aus diesem Grund wird die Teilfuge der Vulkanisierform von dem Rand der vorerwähnten Lippe weg verlegt, damit Verpressungen oder mangelhafte Entfernung des Antriebes die Funktion der Lippe nicht beeinträchtigen.
Die bekannte Ausführung hat weiters den Nachteil, dass die Höhe des konischen Teiles nur etwa 1/4 bis
1/3 der Gesamthöhe des Kolbenringes beträgt. Die gesamte Beanspruchung konzentriert sich daher auf diesen, verhältnismässig kleinen Bereich. Ein schneller Verschleiss des so beanspruchten Bestandteiles ist somit kaum zu vermeiden. Durch die zwingende Massnahme, dass der Kolbenring fest aufzuziehen bzw. aufzuschrauben ist und dadurch an der Kante ein besonders hoher Anpressdruck gebildet wird, wird dieser Nachteil noch erhöht.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen besonders robusten und verschleissfesten Kolbenring für das Kolbenrohr einer Kolbenpumpe zu schaffen, bei deren Verwendung ausserdem auf in das Mantelrohr genau eingepasste metallene Zwischenstücke verzichtet werden kann.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die ebenfalls konisch ausgebildete Aussenfläche des Basisteiles stetig in die konische Aussenmantelfläche der Manschette übergeht, dass beide konischen Aussenflächen die gleiche Neigung zur Mittelachse des Kolbenringes haben, u. zw. von 1 bis 30, vorzugsweise 1045', sowie dass der Kolbenring zumindest teilweise aus einem kautschukelastisch vernetzten Polyurethan, wie einem Äthylenglykol-Adipinsäure-Polyester in Kombination mit Naphthalin-l, 5-düsocyanat oder einem mit Butylenglykol vernetzten Diol-Adipinsäureester in Kombination mit Naphthylen-l, 5-diisocyanat (Vulkollan) besteht.
Durch diese Massnahmen wird einerseits ein sicheres Anliegen des Kolbenringes an der Innenseite des Mantelrohres der Pumpe und damit eine hervorragende Dichtung schon zu Beginn des Pumpvorganges und anderseits eine hohe Widerstandsfähigkeit und somit eine hohe Lebensdauer des Kolbenringes gewährleistet. Die gute Dichtung entsteht dadurch, dass sich die Aussenmantelfläche von Basisteil und Manschette zumindest über den Grossteil der gesamten Kolbenringhöhe unter einer dosierten Vorspannung gegen die Mantelrohrinnenfläche legt.
Erfindungsgemäss ist die Aussenfläche des Basisteiles und der Manschette mit einer gleichbleibenden Konizität ausgebildet, wobei die Aussenfläche des Basisteiles stetig in die konische Aussenmantelfläche der Manschette übergeht. Durch diese Massnahme wird die nachteilige übergangsstelle zwischen der zylindrischen Aussenfläche des Basisteiles und der konischen Aussenmantelfläche der Manschette beim Bekannten vermieden, wodurch sich auch die besonders kritische Randausbildung einer stark vorspringenden Lippe erübrigt. Auch die besondere Ausgestaltung der Vulkanisierform kann erspart werden.
Durch die kleine Neigung von 1 bis 30, insbesondere 1045', der Aussenmantelfläche des Kolbenringes zur Mittelachse des Kolbenringes wird nicht nur eine weitgehend vollkommene Abdichtung des mit dem anmeldungsgemässen Kolbenring versehenen Kolbenrohres gegen die Innenwand des Mantelrohres erzielt, sondern auch ein störender Abrieb des Aussenmantels vermieden. Bei der Verwendung des Kolbenringes gemäss der Erfindung kann auch auf in das Mantelrohr ansonsten eingepasste metallische Zwischenstücke verzichtet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Kolbenringes soll die Aussenmantelfläche unter Bildung einer vorzugsweise scharfen Kante in die Basisfläche übergehen, weil dadurch einerseits eine fertigkeitsmässig günstige Materialverteilung und anderseits eine leichte Herstellung gesichert ist.
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Die Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung am Übergang von der Mantelaussenfläche zur Basisfläche des Kolbenringes ist besonders hoch, wenn die Aussenmantelfläche des Basisteiles im wesentlichen rechtwinkelig in die Basisfläche des Kolbenringes übergeht, oder wenn die Basisfläche der Manschette konkav ausgebildet ist und unter spitzem Winkel in die Aussenmantelfläche des Kolbenringes übergeht.
Eine Rissbildung wird bei einer derartigen Ausbildung des Kolbenringes deshalb vermieden, weil an der Übergangsstelle zwischen Basisfläche und Aussenmantelfläche mehr Dichtungsmaterial vorhanden ist als bei den bekannten Dichtungselementen, die an dieser Stelle entweder stark abgerundet oder stark abgeschrägt sind. Die erfindungsgemässe Materialverteilung wird erst bei der Verwendung des oben erwähnten kautschukelastischen Kunststoffes besonders wirkungsvoll, weil dieser eine hohe Abriebfestigkeit aufweist und somit die Gefahr einer Beschädigung der Dichtung bereits beim Einführen des Kolbenrohres in das Mantelrohr ausgeschlossen ist.
Eine Kolbenpumpe, die mit einem Kolbenring gemäss der Erfindung ausgestattet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Durchmesser des Kolbenringes an seiner Basisfläche ganz wenig geringer ist, als der Innendurchmesser des Mantelrohres, wodurch-wie bereits erwähnt-die Aussenmantelfläche des Kolbenringes zumindest über einen Grossteil ihrer Höhe unter Vorspannung gegen die Mantelrohrinnenfläche angelegt ist.
Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen Fig. l einen Schnitt durch eine Kolbentiefpumpe mit in das Mantelrohr eingepasstem Kolbenrohr, Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht durch ein mit bekannten Dichtungselementen versehenes Kolbenrohr und Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kolbenring gemäss der Erfindung.
Fig. l zeigt eine zur Erdölförderung dienende Kolbentiefpumpe mit einem axial gebohrten Metallkolben der in guter Passung in einem Metallzylinder, dem Mantelrohr --2-- dichtend geführt wird. Am
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stellt ein wesentliches Kriterium in der Funktionsfähigkeit derartiger Tiefpumpen dar. Zur Verbesserung der notwendigen Dichtungswirkung wurden in jüngerer Zeit in zunehmendem Masse am metallischen Kolbenrohr - 1-- nichtmetallische Dichtelemente --7-- angebracht (s. Fig. 2). In der weiteren Folge wurden Kolbenrohre entwickelt, die über den Grossteil ihrer Länge mit solchen Dichtungselementen besetzt sind. Die für diese bekannten Dichtungselemente verwendeten Materialien haben im allgemeinen die Eigenschaft beim Eintauchen in Flüssigkeit anzuquellen, wodurch eine Abdichtung zur Mantelrohrinnenwand-5-erreicht wird.
Metallische Zwischenstücke --8-- zwischen den Dichtungselementen--7--übernehmen so lange das Abdichten, bis der Quellvorgang die Dichtungselemente ihre endgültige Ausdehnung erreichen lässt.
Wie aus Fig. 2 der Zeichnungen ersichtlich, weisen die bekannten Dichtungselemente --7-- am Übergang von der Aussenmantelfläche zur Basisfläche eine starke Abschrägung auf. Andere bekannte Dichtungselemente sind an dieser Übergangsstelle stark abgerundet. Es ist also bei diesen bekannten Dichtungselementen an der erwähnten übergangsstelle ein Werkstoffmangel vorhanden, der zur Rissbildung an der Manschette führen kann.
Wesentlich für den erfindungsgemässen Kolbenring ist vor allem, dass die ebenfalls konisch ausgebildete
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Basisteiles-10-stetigKolbenring-T-zumindest teilweise aus einem kautschukelastisch vernetzten Polyurethan, wie einem Äthylenglykol-Adipinsäure-Polyester in Kombination mit Naphthalin-1, 5-diisocyanat oder einem mit Butylenglykol vernetzten Diol-Adipinsäureester in Kombination mit Naphthylen-1, 5-diisocyanat (Vulkollan) besteht.
Durch die leicht konische Ausbildung der beiden Aussenmantelflächen --11' und 11"-- zur Basisfläche --10'-- hin kann der Kolbenring, wenn er auf dem Kolbenrohr-l-aufgebracht ist. leicht in das Mantelrohr --2-- eingeführt werden.
Die Einschaltung des geringen Konizitätswinkels --α-- von 1 bis 3 , vorzugsweise 1 45', ergibt nicht nur eine vollkommene Abdichtung, sondern vermeidet auch einen störenden Abrieb des Aussenmantels.
Der aus hoch abriebfestem, kautschukelastischem Kunststoff bestehende Werkstoff wird insbesondere mit Shore-Härten A 65,80, 95, einer Dichte von 1, 26 kg/dm3, einer bleibenden Dehnung von 5 bis 35%, einem
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verwendet. Dieser Werkstoff ermöglicht einerseits durch Vorspannung des Dichtelementsatzes am Kolbenrohr --l- dem Kolbenring-T-die Abdichtung gegen die Mantelrohrinnenwand--5-und verhindert anderseits eine Rissbildung am Grund der Kolbenringdichtung.
Durch die weitere konstruktive Ausgestaltung des Kolbenringes--T--in einem annähernd rechtwinkeligen Zusammentreffen der Basisfläche-10'-mit der Aussenmantelfläche des Basisteiles
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und die Gefahr des Reissens des Kolbenringes am übergang Aussenmantelfläche-11'---Basisfläche auf Grund der an diesem übergang vorhandenen Werkstoffansammlung noch sicherer vermieden.
Die Abmessungen sind so getroffen, dass der Durchmesser des Kolbenringes--T--an seiner Basisfläche --10'-- ganz wenig geringer ist als der Innendurchmesser des Mantelrohres--2--. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich die Aussenmantelfläche --1-- des Kolbenringes --T-- zumindest über den Grossteil ihrer Höhe unter Vorspannung gegen die Mantelrohrinnenfläche -5-- anlegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolbenring aus kautschukelastischem Werkstoff für Pumpen, insbesondere für Erdöltiefpumpen, wobei
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(11") der Manschette (7) übergeht, dass beide konischen Aussenflächen (11'und 11") die gleiche Neigung (a) zur Mittelachse des Kolbenringes (T) haben, u. zw. von 1-30, vorzugsweise 1 45', sowie dass der Kolbenring (T) zumindest teilweise aus einem kautschukelastisch vernetzten Polyurethan, wie einem Äthylenglykol-Adipinsäure-Polyester in Kombination mit Naphthalin-l, 5-diisocyanat oder einem mit Butylenglykol vernetzten
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