DE102009012266B3

DE102009012266B3 - Hochdruckdichtung für Hochdruckplunger

Info

Publication number: DE102009012266B3
Application number: DE200910012266
Authority: DE
Inventors: Rolf Einhaus
Original assignee: Uhde High Pressure Technologies GmbH
Current assignee: Uhde High Pressure Technologies GmbH
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2029-03-12

Abstract

Hochdruck-Dichtungsanordnung für einen axial verschiebbaren Plunger, mit dem ein hoher Druck von bis zu 4000 bar auf ein Fluid ausgeübt wird, mit den Merkmalen, dass sowohl der Dichtungsring als auch der Stützring an seinen aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Konus und jeweils einen Radius aufweisen, der Dichtungsring eine Einführschräge auf der Innenseite aufweist, die Hochdruck-Dichtungen gemäß der Ansprüche anordnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Dichtungsanordnung für einen axial verschiebbaren Plunger, mit dem ein hoher Druck von bis zu 4000 bar auf ein Fluid ausgeübt wird.
Aus der DE 33 22 106 A1 ist eine Dichtungsanordnung bekannt, wobei ein Dichtungsring aus Gummi mit einem Konus über einen Radius in einem Absatz ausläuft. Auf dem Absatz des Gummirings liegt ein Stützring aus Polytetrafluorethylen mit einem trapezförmigen Querschnitt an. Zusammen in einer Nut eingebettet ergibt sich ein rechteckförmiger Raum. Diese Dichtungsanordnung ist nur bis etwa 1000 bar einsetzbar.
DE 1 674 252 U beschreibt eine Napf- bzw. Hut-Manschetten, wobei das Stützelement aus einem elastischen Werkstoff besteht. Eine Dichtungsanordnung ist in US 3 907 307 A beschrieben, hierzu wurden vor allem V- und Laterne-Ringe für einen Plunger in einer hydraulischen Pumpe verwendet, und die Druckbelastung liegt unter 1000 bar.
In US 4 306 728 A wurde eine andere Dichtungsanordnung eingesetzt, die geeignet für Hochdruckpumpen bis zu 750 bar, und bestehend aus einer Mehrzahl von Dichtungsringe und Führungsringe sind, wobei die Führungsringe aus Kohlenstoff, die Dichtungsringe aus PTFE-Fasern bestehen.
JP 11-51193 A offenbart eine Dichtungsanordnung für eine ultra Hochdruck Pumpe ab 5000 bar oder mehr. Die Dichtungsanordnung besteht vor allem aus einem elastischen Polyethylen enthaltenen Verbindungsring, der auf dem Plunger anliegt, einem Querschnitt-trapezförmigen Stützring und einem Bodenring, wobei der Stützring und der Bodenring aus Metall sind.
Aus einer Präsentationsbroschüre der Firma UHDE High Pressure Technologies GmbH, D-58093 Hagen, mit dem Titel „High Pressure components for waterjet cutting units”, ist u. a. aus dem Bild „HP Pump head PN-4150” der Seite 10 und „Plunger packing” der Seite 11 ein Druckübersetzer bekannt, bei dem eine Hochdruck- Dichtungsanordung für den axial verschiebbaren Plunger im Einsatz ist. Der auf dem Plunger anliegende Dichtungsring hat auf seiner Außenseite einen Absatz, wobei der Dichtungsring einen L-förmigen Querschnitt aufweist, und der auf dem Absatz anliegende Stützring aus starrem Metall besteht. Beide Ringe zusammen weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Diese Kombination der Anordnung tendiert dazu, dass Risse im Dichtungsring entstehen, unter anderem sind auch starke Verschleißspuren an der Innenseite der Druckfeder deutlich zu erkennen. Dies führt automatisch später zu zerstörten Dichtungen. Diese Hochdruck-Dichtungsanordnung hat generell bis zu 200 Stunden Standzeit im Betrieb erzielen können.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Hochdruck-Dichtungsanordnung für einen axial verschiebbaren Plunger zu schaffen, die bei von bis zu 4000 bar Druck eine höhere Standzeit im Betrieb zu erreichen vermag.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Hochdruck-Dichtungsanordnung für einen axial verschiebbaren Plunger, mit dem ein hoher Druck von bis zu 4000 bar auf ein Fluid ausgeübt wird, von der Fluidseite aus gesehen folgende Elemente aufweist:

• mindestens eine Buchse (8, 10) mit Bohrungen,
• eine Druckfeder (9),
• einen auf dem Plunger anliegenden Druckring (7), der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist,
• einen auf dem Plunger anliegenden Gleitring (5), der auf seiner Außenseite einen Absatz aufweist, wobei der Gleitring (5) mit der Absatzseite am Druckring (7) anliegt,
• einem auf dem Absatz des Gleitrings (5) anliegenden O-Ring (6), der ebenfalls an dem Druckring (7) anliegt,
• neben dem Gleitring (5) einen auf dem Plunger anliegenden Dichtungsring (4), der auf seiner Außenseite einen Absatz aufweist,
• einen auf dem Absatz des Dichtungsrings (4) anliegenden Stützring (3),
• wobei der Dichtungsring (4) zwei bis vier Mal so breit wie der Stützring (3) ist,
• und sich beim Zusammenfügen der beiden Ringe ein rechteckförmiger Querschnitt ergibt, wobei Dichtungsring (4) und Stützring (3) auf einer Seite einen gemeinsamen Abschluss bilden,
• einen auf dem Plunger anliegenden Führungsring (2) mit einem rechteckförmigen Querschnitt, der an dem durch Dichtungsring (4) und Stützring (3) gebildeten Abschluss anliegt,
• eine auf dem Plunger anliegende Führungsbuchse (1) mit einem rechteckförmigen Querschnitt.

Durch die Bohrungen an der Mantelfläche der Buchsen (8, 10) wird der Druck um die Buchsen ausgeglichen. Das Einbringen des Druckrings (7) bewirkt, dass der hohe Druck erst vom Druckring (7) aufgefangen wird, weil der Druckring (7) aus extrem widerstandsfähigem Metall besteht. Damit werden die Druckfeder (9) sowie der Gleitring (5) mit dem O-Ring (6) vor und nach dem Druckring (7) entsprechend entlastet, der Gleitring (5) mit dem O-Ring (6) kann die radial abdichtende Wirkung besser entfalten. Sowohl der Dichtungsring (4) als auch der Stützring (3) haben an seinen aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Konus mit einem Radius. Beim Zusammenfügen der beiden Ringe entsteht zwischen den Ringen ein kleiner Spalt. Nach der ersten hohen Druckbeanspruchung verschwindet der kleine Spalt. Der Stützring (3) sitzt danach auf dem Absatz des Dichtungsrings (4) wie angegossen. Die Ringe bilden dann eine gemeinsam dichtende Einheit. Da der Stützring (3) auch aus dem gleichen Werkstoff wie der Druckring (7) besteht, wird der Dichtungsring (4) durch den Stützring (3) darin gestärkt, den Plunger in axialer Richtung besser abzudichten.
In Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stützring (3) sowie der Dichtungsring (4) an den aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Konus mit einer Schräge gegenüber der Plungerachse zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° aufweisen und einen Radius zwischen 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 1 mm aufweisen. Die Einführschräge auf der Innenseite des Dichtungsrings (4) weist eine Schräge gegenüber der Plungerachse zwischen 10° und 30°, vorzugsweise 20° auf. Dies ermöglicht dem Dichtungsring (4), dem Druck in radialer Richtung auszuweichen und dem Stützring (3) entgegenzuwirken. Mit diesen optimierten Merkmalen an den Ringen wird die Riss-Bildung am Dichtungsring (4) verhindert.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung bestehen der Druckring (7) sowie der Stützring (3) aus besonders widerstandsfähigem Werkstoff, vorzugsweise aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung. Der Dichtungsring (4) besteht aus Polyethylen, vorzugsweise aus ultrahochmolekularem Polyethylen. Die gewählte Werkstoff-Kombination hat sich in der praktischen Ausführung sehr gut bewährt. Der Gleitring (5) besteht aus einem Gemisch von Kunststoff und Metall, vorzugsweise aus dem Gemisch von ultrahochmolekularem Polyethylen und Bronze. Der O-Ring (6) besteht aus elastischem Kunststoff, vorzugsweise aus NBR (Nitrile Butadiene Rubber) mit einer Härte zwischen 60 und 90 Shore.
Der Gleitring (5) weist dabei einen Radius zwischen 1 bis 3 mm, vorzugsweise 1,8 mm auf. Der Absatz mit dem gewählten Radius nimmt den O-Ring (6) optimal in sich auf, so dass der O-Ring (6) nicht von der Stelle abweicht, sondern den anliegenden Plunger in radiale Richtung abdichtet. Am Dichtungsring (4) liegende Seite weist außerdem der Gleitring (5) einen Kegelstumpf mit einem Einstellwinkel gegenüber der Plungerachse zwischen 2° und 4°, vorzugsweise 3° auf. Zusätzlich hat der Gleitring (5) 45°-Phasen an der dem Plunger zugewandten und abgewandten Seite vorzugsweise mit jeweils 0,3 mm Tiefe. Dies begünstigt die Gleiteigenschaft des Gleitrings (5).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 Querschnitt einer Hochdruck-Dichtungsanordnung.
2 Querschnitt des Dichtungsrings (4) und Querschnitt des Stützrings (3).
3 Querschnitt des Gleitrings (5).
1 zeigt eine Ausführung der Hochdruck-Dichtungsanordnung. Von Rechts nach Links folgen zuerst eine Buchse (10) mit Bohrungen, hier auch Distanzbuchse (10) genannt, dann eine Druckfeder (9) und eine Buchse (8) mit Bohrungen, einen Druckring (7), einen Gleitring (5) und einen auf dem Absatz des Gleitrings (5) anliegenden O-Ring (6), sowie eine dichtende Einheit, bestehend aus einem Dichtungsring (4) und einem auf dem Dichtungsring (4) aufgesteckten Stützring (3), danach noch einen Führungsring (2) und eine Führungsbuchse (1).
2 zeigt einen Querschnitt des Dichtungsrings (4) und einen Querschnitt des Stützrings (3). In der Zeichnung kann man sehr gut erkennen, dass der Stützring (3) praktisch den komplementären Teil des Dichtungsrings (4) besitzt. Durch den gleichen Radius R passt der Stützring (3) perfekt auf den Absatz des Dichtungsrings (4).
3 zeigt einen Querschnitt des Gleitrings (5), wobei der Absatz einer perfekten Passform entspricht, der den O-Ring (6) passend aufnimmt.
Die Konstellation der Hochdruck-Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Fluids, insbesondere bei von bis zu 4000 bar Wasserdruck, hat sich in praktischen Versuchen als funktionstüchtig und vorteilhaft erwiesen. Mit der erfindungsgemäßen Hochdruck-Dichtungsanordnung im Einsatz konnte eine Standzeit von ca. 1040 Stunden erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme konnte die Lebensdauer der Hochdruck-Dichtungsanordnung somit deutlich erhöht werden, was ein Vorteil der Erfindung ist.

1: Führungsbuchse
2: Führungsring
3: Stützring
4: Dichtungsring
5: Gleitring
6: O-Ring
7: Druckring
8: Buchse
9: Druckfeder
10: Distanzbuchse

Claims

Hochdruck-Dichtungsanordnung für einen axial verschiebbaren Plunger, mit dem ein hoher Druck von bis zu 4000 bar auf ein Fluid ausgeübt wird, von der Fluidseite aus gesehen aufweisend: • mindestens eine Buchse (8, 10) mit Bohrungen • eine Druckfeder (9) • einen auf dem Plunger anliegenden Druckring (7), der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist • einen auf dem Plunger anliegenden Gleitring (5), der auf seiner Außenseite einen Absatz aufweist, indem der Gleitring (5) mit der Absatzseite am Druckring (7) anliegt • einem auf dem Absatz des Gleitrings (5) anliegenden O-Ring (6), der ebenfalls an dem Druckring (7) anliegt • neben dem Gleitring (5) einen auf dem Plunger anliegenden Dichtungsring (4), der auf seiner Außenseite einen Absatz aufweist • einen auf dem Absatz des Dichtungsrings (4) anliegenden Stützring (3) • wobei der Dichtungsring (4) zwei bis vier Mal so breit wie der Stützring (3) ist • und sich beim Zusammenfügen der beiden Ringe ein rechteckförmiger Querschnitt ergibt, wobei Dichtungsring (4) und Stützring (3) auf einer Seite einen gemeinsamen Abschluss bilden • einen auf dem Plunger anliegenden Führungsring (2) mit einem rechteckförmigen Querschnitt, der an dem durch Dichtungsring (4) und Stützring (3) gebildeten Abschluss anliegt • eine auf dem Plunger anliegende Führungsbuchse (1) mit einem rechteckförmigen Querschnitt dadurch gekennzeichnet, dass • sowohl der Dichtungsring (4) als auch der Stützring (3) an seinen aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Konus mit einem Radius aufweisen, • der Dichtungsring (4) eine Einführschräge auf der Innenseite aufweist, • sich die Hochdruck-Dichtungen wie oben aufgelistet anordnen.
Hochdruck-Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (3) sowie der Dichtungsring (4) an den aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Konus mit einer Schräge gegenüber der Plungerachse, zwischen 10° und 20°, vorzugsweise 15° aufweisen.
Hochdruck-Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (3) sowie der Dichtungsring (4) an den aneinanderliegenden Seiten jeweils einen Radius zwischen 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 1 mm aufweisen.
Hochdruck-Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (4) eine Einführschräge gegenüber der Plungerachse zwischen 10° und 30°, vorzugsweise 20° aufweist.
Hochdruck-Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (7) sowie der Stützring (3) aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer-Beryllium-Legierung bestehen.
Hochdruck-Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (4) aus Polyethylen, vorzugsweise aus ultrahochmolekularem Polyethylen besteht.