Hochdruckgefäss mit Stempel
Wenn ein zylindrischer Stempel gegen eine Unterlage gedrückt oder in anderer Weise in Richtung der Symmetrieachse belastet wird, zerbricht er, wenn der Druck gleich der Kompressionsfestigkeit des Stempelmaterials oder grösser als diese wird. Es ist bekannt, da# ein Stempel aus demselben Material, der wie ein Kegelstumpf ausgeformt ist, wobei die kleinere der parallelen Flächen des Kegels gleich gross wie die Druckfläche des genannten zylindrischen Stempels ist, einem höheren gegen die kleinere Fläche gerichteten Druck widersteht als der zylin- drische Stempel. Je stumpfer der Kegel ist, desto besser wird das Druckwiderstandsvermogea des Stempels.
Da die Spitze oder Druckfläche der Stempel, z. B. wenn diese in Hochdruckgefässen zum Erzeugen von Druck der Grössenordnung 10000 atm und dar über benutzt werden, oft einem starken Verschleiss und deformierenden Kräften ausgesetzt ist, werden die Stempel oft aus Hartmetall oder dergleichen hergestellt.
In Anbetracht dessert, dass die-übrigen Teils eines Stempels im allgemeinen nicht in demselben Masse verschleissen und deformiert werden wie seirie Spitze oder Druckfläche, und dass das verschleissfeste Material oft tercer und schwer zu bearbeiten ist, ist es wünschenswert, den Stempel aus wenigstens zwei Teilen zusammenzusetzen, wobei der eine Teil an der Spitze des Stempels angeordnet ist ulwd aus einem gegen Verschleiss und Deformierung wi derstandsfesten Material, z. B.
Hartmetall, besteht, und der andere Teil ein Stück von der Spitze entfernt angeordnet ist und aus weniger widerstandsfestem Material, z. B. einem Werkzeugstahl oder an- derem Star, besteht. auch wenn der Stempel nur aus dem gleichen Material hergestellt ist, kann es oft vorteilhaft sein, ihn in mehrere Teile aufzuteilen.
Wenn der Stempel nämlich in solcher Teilen zerstört wird, die besonders grossen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ist es unter solchen Umständen-nicht notwendig, den ganzen Stempel auszutauschen, sondern nur den Teil oder die Teile ; die die zerstörten Partien enthalten.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hochdruckgefä#, das einen Druckraum und mindestens einen gegen den Druckraum gerichteten Stem- pel enthält, der eine sich durch den Druckraum erstreckende Symmetrieachse aufweist und mindestens zwei in einer Fläche einander anliegende Teile un- fasst. Das Hochdruckgefäss nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anliegefläche eine gewölbte, nicht abwickelbare Oberfläche ist und da# der Kriimmungsmittelpunkt der gekrümmten Oberfläche im wesentlichen mit der Symmetrieachse des Stempels zusammenfällt und auf der gegen des Druckraum gekehrten Seite der Anliegefläche liegt.
Der Stempel erhält zweckmässig die Form eines Drehkörpers, eines Körpers also mit im wesentlichen zylin- drischer oder konischer Form. In einem Stempel mit mehreren sphärischen Anliegeflächen-kÏnnen die Krummungsmittelpunkte der Anliegeflächebn vorteilhafterweise derart zusammenfallen, da# die Anliege- flächen praktisch konzertrisch werden.
Es hat sich gezeigt, dass ein Stempel, in dem angrenzende Teile in nicht abwickelbaren Anliegeflächen aneinander an- liegen, einem bedeutend höheren Druck im Hoeh druekgefäss widerstehen kann als ein entsprechender Stempel, bei dem die angrenzenden Teile yangs ebe- nen Anliegeflächen angeordnet sind Bei einem konischen Stempel, bei dem angrenzende Teile in ebenen Anliegeflächen aneinanderliegen, entstehen gewöhn- lich Risse, die mit der Symmetrieachse des Kegels parallel sind, und disse treten bei einem beträchtlich niedrigeren'Druck au'f als bei einem entsprechenden massiven Stempel aus einem einheitlichen Material.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, die verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Hochdruckgefässes zeigt, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Stempel, der aus zwei Teilen mit einer sphärischen Anliegefläche zwischen den Teilen besteht, der dazu vorgesehen ist, in eine Öffnung eines zylindrischen Hochdruckraumes eingeführt zu werden.
Fig. 2 zeigt einen aus drei Teilen mit sphäri- schen Anliegeflächen zwischen den Teilen bestehenden Stempel, der dazu vorgesehen ist, in einen konischen Hochdruckraum oder in eine konische Offnung, die zu einem Hochdruckraum fiihrt, eingeführt zu werden.
Fig. 3 zeigt ein Hochdruckgefäss, in dem der Druck mit einem in den Druckraum bewegbaren Stempel erzeugt wird, der sowohl konische als auch zylindrische Teile hat.
Der zylindrische Stempel 11 nach Fig. 1 besteht aus den Teilen 12 und 13. Die Flächen 14 und 15 sind flach und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Zylinders. Die Anliegefläche 16 zwischen den Teilen ist sphärisch und ihr Krümmungsmittelpunkt ist auf der Symmetrieachse des Zylinders gelegen. Der Teil 12, der vorgesehen ist, gegen das Innere des Hochdruckraumes gerichtet zu werden, kann z. B. aus Hartmetall und der Teil 13 aus Werkzeugstahl hergestellt sein.
Der konische Stempel 17 nach Fig. 2 besteht aus den Teilen 18, 19 und 20. Die Flächen 21 und 22 sind eben und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Kegels. Die Anliegeflächen 23 und 24 zwischen den Teilen 18 und 19 bzw. zwischen den Teilen 19 und 20 sind sphärisch. Die Krümmungs- mittelpunkte für die Anliegeflächen fallen mit der Symmetrieachse des Kegels zusammen. Der Teil 18, der vorgesehen ist, gegen das Innere des Druckraumes gerichtet zu werden, kann z. B. aus Hartmetall bestehen, der Teil 19 aus einem Werkzeugstahl mit gewünschter Härte und der Teil 20 aus einem Werkzeugstahl mit niedrigerer Härte als der Stahl des Teiles 19.
Das Hochdruckgefäss nach Fig. 3 enthält einen zylindrischen Raum 25, der vom Rohr 26 und den beiden Stempeln 30 und 31 begrenzt ist. Die radialen Wände des Hochdruckgefässes bestehen ausser aus dem Rohr 26 aus einer Anzahl mit diesem konzentrischer Teile, nämlich den zylindrischen Teilen 27 und 28 und dem aussen konischen Teil 29. Aussen wird der Teil 29 von einem innen konischen, beweglichen Mantel 50 gestützt, der z. B. mit einer hydraulischen Presse nach oben gepresst werden und dabei den radialen Wänden einen stützenden Druck geben kann. Der Stempel 30 ist an einer Stützplatte 56 angeordnet, die ihrerseits von einer nicht gezeigten festen Stütze gestützt wird. Der Stempel 30 hat eine konische Partie, die im wesentlichen die Teile 32 und 33 umfasst, und eine in der Hauptsache zylin drische Partie, die den Teil 34 umfasst.
Die Flächen 35 und 36 sind eben und winkelrecht zur Symmetrieachse des Stempels. Die Anliegefläche 37 zwischen den Teilen 32 und 33 sowie die Anliegeflächen zwischen den Teilen 33 und 34 sind sphärisch. Die Krümmungsmittelpunkte der Anliegeflächen liegen auf der Symmetrieachse des Stempels, und der Krümmungsradius jeder der sphärischen Anliegeflä- chen 37 und 38 ist gleich gross wie der Durchmesser der sphärischen Kalotte, die von der entsprechenden Anliegefläche gebildet wird. Der Stempel 31 ist beweglich. Der Druck im Raum 25 wird dadurch erzeugt, dass der Stempel 31 z. B. mit einer nicht gezeigten hydraulischen Presse nach oben geschoben wird.
Der Stempel 31 hat konische Partien, die die Teile 39, 40 und 41 bilden, und aussen zylindrische Partien, die die Teile 42 und 43 bilden. Die Flächen 44 und 45 sind eben und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Stempels. Die Anliegefläche 46 zwischen den Teilen 39 und 40, die Anliegefläche 47 zwischen den Teilen 40 und 42, die Anliegefläche 48 zwischen den Teilen 42 und 41 und die Anliegefläche 49 zwischen den Teilen 41 und 43 sind alle sphärisch. Die Krümmungsmittelpunkte der Anliegeflächen liegen auf der Symmetrieachse des Stempels, und der Krümmungsradius jeder der sphärischen An liegeflächen 46, 47, 48 und 49 ist gleich gross wie der Durchmesser der sphärischen Kalotte, die von der entsprechenden Anliegefläche gebildet wird.
Um die Teile 41 und 43 des unteren Stempels herum ist ein Stützkörper 51, der die Form einer Hülse haben kann, angeordnet. Das Material des Stützkörpers ist Gummi oder ein ähnliches anderes Material mit grosser und kontinuierlicher Kompressi bilität, z. B. Naturgummi ( Qualität 190 der Trelleborgs Gummifabrik AB). Wenn der Stempel 31 nach oben geschoben wird, wird der Stützkörper 51 einem Druck von dem Teil 42 ausgesetzt, was zur Folge hat, dal3 der Stützkörper einen Stützdruck auf den Stempel ausübt. Dichtungsringe 52 und 53 aus gehärtetem Stahl sind an den Aussenkanten des Stützkörpers angeordnet.
Die äussere vertikale Fläche des Teiles 42 ist der inneren zylindrischen Fläche des Rohrs 28 angepasst, und ihr oberer Teil ist abgeschrägt, um mit der dem Teil 42 zugekehrten Fläche des Packungsringes 52 zusammenzupassen.
Der Stempel 30 ist, abgesehen von kleineren Partien, wie aus der Figur hervorgeht, von einem elektrisch isolierenden Material 54 umgeben, z. B. Glimmer oder Papier, dessen Aufgabe es ist, zu ermöglichen, dass elektrischer Strom über den Bolzen 55 in den Druckraum geleitet werden kann. Der Strom wird durch den unteren Stempel heraus und weiter zu der Aussenseite des Apparates geleitet, wo zweckmässige Kontakte angeordnet werden können, so dass ein geschlossener Stromkreis aufrechterhalten werden kann. Innerhalb des Druckraumes kann der Strom z. B. von einem (einer) in dem zu behandelnden Material eingeschlossenen Metalldraht oder Metall- spirale geleitet werden, der (die) mit den Teilen 34 und 43 der entsprechenden Stempel Kontakt macht.
Natürlich kann auch der obere Stempel 30 wie der untere Stempel 31 beweglich gemacht und mit einem Stempelteil versehen werden, der in die Druckkammer hineingeschoben wird, wobei der Druck in der Kammer dadurch erzeugt werden kann, dass beide Stempel eingedrückt werden. Der obere Stempel kann dann z. B. wie der untere Stempel 31 ausgeführt werden mit einem stützenden Körper wie der Körper 51, der die am nächsten beim Druckraum liegenden Stempelteile umgibt.
Als Beispiele verwendbaren Materials für die metallischen Teile im Hochdruckgefäss nach Fig. 3 kön- nen genannt werden : für das Rohr 26 der Werkzeugstahl WKE Brilliant (Fagersta Bruk AB, Schweden) oder SAE/AISI T4 mit einer Härte von RC 60, für den Teil 27 Werkzeugstahl WKE Brilliant oder SAE/AISI T4 mit einer Härte von RC 65, für den Teil 28 der Werkzeugstahl C 550 (Fagersta Bruk AB) oder SAE/AISI A2 mit einer Härte von RC 62, für den Teil 29 der Werkzeugstahl C 550 oder SAE/AISI A2 mit einer Härte von RC 55, für den Mantel 50 der Werkzeugstahl RC 7155 (AB Bofors, Schweden), mit einer Härte von RC 55, für die Teile 34, 41, 42 und 43 der Stempel das Hartmetall Coromant H5 (Sandvikens Jernverk AB, Schweden)
oder Carboloy 999 (General Electric Co.), für die Teile 33 und 40 der Werkzeugstahl C 550 oder SAE/AISI 42 mit einer Härte von RC 55, und für die Teile 32 und 39 der Werkzeugstahl RC 7155 mit einer Härte von RC 55.
Die doppelgekriimmte Oberfläche braucht nicht wie in den als Beispiel angeführten Fällen spharisch zu sein, sondern kann z. B. auch ellipsoid-oder paraboloidförmig sein. Wenn mehrere Anliegeflächen in einem Stempel vorhanden sind, könnten diese auch konzentrisch zueinander sein. Um längs der gemeinsamen Flächen einen guten Kontakt zu bekommen, können diese Flächen mit Vorteil oberflä- chenbehandelt werden, so dass sie sehr glatt werden.
Normalerweise sind keine Anordnungen zum Zusammenfügen der einzelnen Teile in einem Stempel erforderlich, aber bei Bedarf können diese mit mechanischen Anordnungen, z. B. Schrauben, durch Löten, Leimen oder dergleichen, zusammengefügt werden.