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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungseinheit zur Abdichtung eines Kolbens oder Plungers. Insbesondere betrifft die erfindungsgemäße Dichtungseinheit eine Hochdruckdichtung für eine zuverlässige Dichtungswirkung bei Drücken bis zu 2000 bar. Diese Drücke können beispielsweise bei Wasser-Öl-Gemischen auftreten.
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Herkömmliche Dichtungen sind häufig aus Polyurethan hergestellt und eignen sich grundsätzlich für Anwendungen mit Öl. Bei Wasser oder Wasser-Öl-Gemischen sinkt ihre Zuverlässigkeit jedoch erheblich, besonders bei relativ hohen Drücken von häufig bis zu 2000 bar.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Dichtungseinheit zur Abdichtung eines Kolbens oder Plungers mit einer verbesserten Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen vor.
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Dieses Ziel wird mit der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit zur Abdichtung eines Kolbens oder Plungers erreicht, wobei sich die Dichtungseinheit wie folgt zusammensetzt:
- – einen Dichtungskern, der in einer Kammer platziert werden kann, in der sich bei Betrieb der Kolben oder Plunger im Verhältnis zur Kammer bewegt;
- – ein vorderes Dichtungsmittel; und
- – ein hinteres Dichtungsmittel, wobei sich der Dichtungskern bei Betrieb so im Verhältnis zur Kammer bewegt, dass eine Dichtungskraft erreicht wird.
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Die erfindungsgemäße Dichtungseinheit kann beispielsweise für Kolben und Plunger verwendet werden. Eine Plungerpumpe besteht aus einem Zylinder mit darin einem Hubkolben. Die Ansaug- und Auslassventile werden häufig im Kopf dieses Zylinders montiert. Beim Ansaughub zieht sich der Plunger zurück und das Ansaugventil öffnet sich, sodass die Flüssigkeit in den Zylinder eintreten kann. Beim Vorwärtshub drückt der Plunger diese Flüssigkeit über das Auslassventil wieder aus dem Zylinder heraus.
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Für den Zweck dieser Anwendung auf einen Kolben sind die auf die Dichtung wirkenden Kräfte im Vergleich zur Situation mit dem Plunger umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Dichtungseinheit ist mit einem Dichtungskern und einem vordere und hinteren Dichtungsmittel vorgesehen.
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Der Dichtungskern kann in einer Kammer einer Vorrichtung wie beispielsweise einer Pumpe platziert werden. Bei Betrieb bewegt sich die Kammer im Verhältnis zum Kolben oder Plunger. Der Dichtungskern bewegt sich bei Betrieb erfindungsgemäß auf eine Weise im Verhältnis zur Kammer, sodass die erforderliche Dichtungskraft erreicht wird. Auf diese Weise ist die Dichtungskraft auf die auf die Dichtungseinheit einwirkenden Kräfte abgestimmt.
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So sollte beispielsweise beim Einlasshub sowie in Ruhestellung die Dichtungseinheit in der Lage sein, einen Unterdruck oder ein geringes Vakuum zu halten, falls die Vorrichtung mit einem Niederdruckanschluss versehen ist, wie beispielsweise einem Wasserhahn. Die Dichtungseinheit muss an einer Seite die Kammer der Vorrichtung und an der anderen Seite den Plunger abdichten. Das vordere Dichtungsmittel sorgt für die Dichtung zwischen dem Dichtungskern und der Kammer. Das hintere Dichtungsmittel sorgt für die Dichtung zwischen dem Dichtungskern und dem Plunger.
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Beim Verdrängungs- oder Druckhub wird die Dichtungseinheit höheren Drücken ausgesetzt. Auch hier sorgt das vordere Dichtungsmittel für die Abdichtung zwischen Dichtungskern und Kammer und das hintere Dichtungsmittel für die Abdichtung zwischen Dichtungskern und Plunger. Das vordere Dichtungsmittel wird durch den Druck im Zylinder so gegen den Dichtungskern und die Kammer gedrückt, dass die Kraft des vorderen Dichtungsmittels nach außen geleitet wird, wobei es nur eine geringfügige Unterstützung bei der Dichtung des Dichtungskerns gegen den Plunger gewährleistet. Die Dichtungskraft des Kerns gegenüber dem Plunger erhöht sich mit zunehmendem Druck im Zylinder, da die Dichtungseinheit mit der komprimierten Flüssigkeit vom Zylindervolumen gegen eine Stütze weggedrückt wird. Dadurch wird die Dichtungskraft des Dichtungskerns gegenüber dem Plunger erreicht.
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Durch die automatische Erhöhung der Dichtungskraft als eine Funktion des Drucks im Zylinder ist die Dichtungseinheit in der Lage, auch bei relativ hohen Drücken einwandfrei zu funktionieren. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass die erfindungsgemäße Dichtungseinheit in einem Öl-Wassergemisch bei Drücken über 10 bar, über 500 bar, über 1000 bar, über 1500 bar und bis zu 2000 bar korrekt funktioniert.
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Das vordere Dichtungsmittel umfasst vorzugsweise einen O-Ring, der in einer rückspringenden Aussparung des Dichtungskerns liegt. Außerdem enthält das hintere Dichtungsmittel vorzugsweise einen O-Ring, der in einer Rille des Dichtungskerns liegt. Der Dichtungskern ist vorzugsweise in einer Flüssigkeit oder in einer Vorrichtung wie einer Pumpe vorgesehen. Damit unterschiedliche Dichtungskräfte möglich sind, ist der Dichtungskern in der Lage, sich je nach den auf die Dichtungseinheit in der jeweiligen Richtung des Plungers oder Kolbens einwirkenden Kräften leicht im Verhältnis zur Kammer zu bewegen. Das vordere bzw. hintere Dichtungsmittel besteht vorzugsweise aus Nutril-Butadien-Kautschuk (NBR) mit einer Härte von 70 Shore. Der Dichtungskern besteht vorzugsweise aus einem Polymer-Material, vorzugsweise aus ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHMWPE) Grad 1000. Dieses spezielle Material ist relativ leicht zu beschaffen und lässt sich mit herkömmlichen Werkzeugen maschinell bearbeiten, gleichzeitig ist es verschleißfest und kann mit Wasser bzw. Chemikalien angewendet werden.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die Einheit relativ leicht installieren lässt. Außerdem sind die Risiken der Beschädigung der Dichtung bei der Installation der Dichtungsmittel minimal, während sie die Effizienz der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit erhöhen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit ist, dass allgemein verfügbare Materialien ohne schwierige und kostenaufwändige Bearbeitungen erforderlich sind. Dadurch ist die erfindungsgemäße Dichtungseinheit kosteneffizient.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Dichtungskern mit einer Öffnung mit Bohrung versehen, in der der Plunger im Betrieb in der Öffnung vorgesehen ist und wobei die Bohrung kleiner ist als der Plunger.
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Dadurch, dass der Dichtungskern mit einer kleineren Bohrung im Vergleich zu den Außenmaßen des Plungers versehen wird, dehnt sich das Material des Dichtungskerns aus, wobei er einen Niederdruck-Dichtungseffekt erreicht und sich die Außenmaße des Dichtungskerns leicht erhöhen. Anders als bei herkömmlichen Dichtungen wird dieser Dichtungskern nicht zusammengedrückt, sondern nur ausgedehnt. Dadurch werden die erforderlichen Dichtungskräfte erzielt.
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In einem dargestellten Bespiel ist ein Plunger mit einem Durchmesser von 8 mm vorgesehen. Die Kernbohrung hat einen Durchmesser von 7,5 mm. Wenn der Plunger in die Kernbohrung eingefügt wird, dehnt sich der Kern so aus, dass eine Vorspannung erzielt wird, die zu einem Niederdruck-Dichtungseffekt führt. Zusätzlich erfolgt durch die Ausdehnung langfristig ein Verschleiß ohne den Verlust der Niederdruck-Dichtung. Das erhöht die Effizienz der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit. Der Außendurchmesser des Dichtungskerns ist geringfügig kleiner als die Abmessungen der Kammer der Vorrichtung. Der Außendurchmesser des Dichtungsrings beträgt beispielsweise 15,76 mm und die Bohrung der Kammer hat einen Durchmesser von 16 mm. Mit den genannten Maßen des Plungers und der Kernbohrung wird der Kern ausgedehnt und der Außendurchmesser des Kerns wird nach der Montage bei 16 mm liegen und damit die gleichen Maße wie die Kammer haben. In dieser bevorzugten Ausführung sind die Außenmaße des Dichtungskerns im Vergleich zu den Maßen der Kammer des Flüssigkeitskopfes kleiner.
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Die Abmessungen von Plunger, Kammer, Kernbohrung und die Außenmaße des Dichtungskerns sind vorzugsweise so ausgelegt, dass der Dichtungskern nach der Montage des Plungers im Kern die gleichen Abmessungen wie die Kammer hat. Dadurch dehnt sich bei Betrieb das Material des Dichtungskerns vorzugsweise aus.
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Die Abmessungen des Dichtungskerns vor und nach der Montage des Plungers und der Dichtungseinheit in der Kammer stehen vorzugsweise im folgenden Verhältnis zueinander: Bereich des definitiven Außendurchmessers des Kerns – definitiver Innendurchmesser des Kerns = Bereich Außendurchmesser vor Montage – Innendurchmesser vor Montage.
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In dem oben genannten Beispiel beträgt der Außendurchmesser vor der Montage 15,76 mm und der Innendurchmesser 7,5 mm. Nach der Montage beträgt der Innendurchmesser 8 mm und der Außendurchmesser des Kerns 16 mm. In diesem Beispiel sind die Außenmaße des Dichtungskerns vor der Montage geringer als die Kammergröße. Dadurch kann sich das Kernmaterial ausdehnen.
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In einer bevorzugten Alternativausführung der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit sind die Außenmaße des Dichtungskerns größer als die Kammergröße und die Größe der Kammer ist höher als die Größe des Plungers oder Kolbens.
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Durch Einsatz eines Dichtungskerns, der größer ist als die Kammer, und einer Bohrung, die ebenfalls größer ist als die Plunger- oder Kolbengröße wird das oben dargestellte Dichtungsprinzip so umgekehrt, dass die Dichtungseinheit gemäß der Beschreibung in dieser Applikation ebenfalls als Kolbendichtung eingesetzt werden kann. Die Abmessungen stehen in einem ähnlichen Verhältnis zueinander wie oben angegeben.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit dichtet das hintere Dichtungsmittel im Betrieb den Stützbereich eines Körpers ab.
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Durch die Abdichtung gegen einen Stützbereich eines Körpers wird die Dichtungskraft bei einem höheren Druck im Inneren des Zylinders erhöht. Der Körper ist vorzugsweise eine Stopfbüchse oder Ähnliches. Das hintere Dichtungsmittel liegt vorzugsweise in einer Rille des Dichtungskerns. Diese Rille ist vorzugsweise so konstruiert, dass sie fast ein vollständig zusammengedrücktes hinteres Dichtungsmittel wie einen O-Ring aufnehmen kann. Wenn das Zylindervolumen unter Druck gesetzt wird, wirkt eine Kraft auf den vollständigen vorderen Bereich der Dichtungseinheit. Die Gegenkraft wird von dem zusammengedrückten hinteren Dichtungsmittel geliefert, das die Dichtungseinheit gegen den Körper unterstützt. Da der Stützbereich des hinteren Dichtungsmittels gegen den Körper kleiner ist als der vordere Bereich der Dichtungseinheit, ist die in der Rille des Dichtungskerns erzeugte Kraft höher als der vordere Druck auf die Dichtungseinheit. Dadurch wird die Dichtungskraft höher als die ausgeübte vordere Kraft und erzeugt dabei eine starke Dichtung, die an die Kräfte auf die Dichtungseinheit angepasst ist. Eine hohe Kraft wird mit einer leicht höheren Gegenkraft gekontert, während eine relativ geringe Kraft mit einer geringfügig höheren Gegenkraft gekontert wird. Das reduziert den Verschleiß der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung mit einer wie oben erwähnten Dichtungseinheit.
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Eine solche Vorrichtung liefert die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile wie die, die für die Dichtungseinheit beschrieben wurden. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise eine Kolbenpumpe, eine Plungerpumpe oder eine Maschine.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Dichtung gemäß den Schritten zur Bereitstellung einer Dichtungseinheit wie oben genannt.
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Ein solches Verfahren liefert die gleiche Wirkung und die gleichen Vorteile wie die, die für die Dichtungseinheit beschrieben wurden.
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Die weiteren Vorteile, Leistungen und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungen davon erläutert, bei denen auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen wird, wobei:
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eine Plungerdichtung einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe zeigt;
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den Dichtungskern von zeigt;
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und B die Dichtungseinheit von zeigt;
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und B die Dichtungseinheit im Ansaug- und Druckhub zeigen; und
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eine alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit zeigt.
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Die Dichtungseinheit 2 ( ) kann in einer Hochdruckpumpe 4 verwendet werden. Pumpe 4 umfasst einen Flüssigkeitskopf 6, eine Dichtungsstützscheibe 8 und eine Stopfbüchse 10. Ferner ist Pumpe 4 mit einem Einlass 12 und einem Einlasskontrollventil 14 sowie mit einem Auslass 16 und einem Auslasskontrollventil 18 versehen. Der Plunger 20 kann in seiner axialen Richtung in Richtung A bewegt werden, was dem Ansaughub entspricht, und in Richtung B, was dem Verdrängungs- oder Druckhub entspricht. Die Dichtungseinheit 2 umfasst einen Kern 22, der in Kammer 23 von Pumpe 4 angebracht ist, einen vorderen O-Ring 24 und einen hinteren O-Ring 26. In der dargestellten Ausführung bestehen die O-Ringe 22 und 24 aus NBR mit einer Härte von 70 Shore. Dichtungskern 22 wurde auf einer Standard-Drehmaschine mit einfachen scharfen Messern geschnitten. Das Basismaterial für einen Dichtungsring 22 ist UHMWPE mit einem Grad von 1000.
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Kern 22 ( ) hat eine Bohrung 28 für Plunger 20, eine Vertiefung 30 für den O-Ring 24 und eine Rille 32 für den O-Ring 26. In der dargestellten Ausführung hat die Bohrung 28 einen Durchmesser von 7,5 mm, die Rille 32 hat in ihrer Mittelachse einen Durchmesser von 11,5 mm mit einer Tiefe der Rille 32 in Kern 22 von 1,5 mm und eine Höchstbreite der Rille 32 von 2 mm. Die Länge des Kerns 22 in axialer Richtung beträgt 6,5 mm und für die Vertiefung 2,5 mm. Der Außendurchmesser von Kern 22 beträgt 15,76 mm und der Außendurchmesser der Vertiefung 30 beträgt 12,4 mm.
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Die Dichtungseinheit 2 umfasst den Kern 22 und die O-Ringe 24 und 26 ( und B), die zusammengefügt werden. In der dargestellten Ausführung beträgt der Plungerdurchmesser 8 mm, und die Vertiefung oder Kammer im Flüssigkeitskopf der Pumpe 4, die für die Dichtungseinheit 2 vorgesehen ist, hat einen Durchmesser von 16 mm. Für die genannten Abmessungen beträgt die Oberfläche von Kern 22 vor der Montage von Plunger 20 150,8 mm2, sodass nach der Montage der Kern 22 gedehnt ist und einen Innendurchmesser von 8 mm und einen Außendurchmesser von 16 mm aufweist und genau in die im Flüssigkeitskopf 6 vorhandene Kammer 23 passt.
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Die Dichtungseinheit 2 passt in Kammer 23, ohne dass die Einheit 2 zusammengedrückt werden muss. Daher ist für die Einheit 2 keine Vorspannung erforderlich. Durch die Einführung von Plunger 20 wird die Einheit 2 gedehnt und dichtet gegen die Wand von Kammer 23 ab. Daher sind die (radialen) Abmessungen von Kammer 23 und Kern 22 im Wesentlichen gleich.
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In der dargestellten Ausführung wird der O-Ring 26 hinter Kern 22 um ca. 0,5 mm gedehnt. Es hat sich gezeigt, dass der O-Ring 26 in der erfindungsgemäßen Einheit 2 mit einem um ungefähr 15% niedrigeren Volumen im Vergleich zur entsprechenden Rille in Kern 22 vorgesehen ist. Da der O-Ring 26 bei Betrieb gegen die Wand 38 von Kammer 23 gedrückt wird (wie unten beschrieben), hat die Einheit 2 einen Hub von ca. 0,5 mm. Die innere Oberfläche von Kern 22 ist relativ glatt, um beispielsweise Undichtigkeiten über Rillen zu verhindern. Die Dichtung gegen Plunger 20 erfolgt im Wesentlichen über die gesamte innere Oberfläche von Kern 22. Vorzugsweise ist auch die entsprechende Oberfläche von Plunger 20 relativ glatt.
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Bei einem relativ niedrigen Druck dichtet Einheit 2 gegenüber Plunger 20 über substanziell die gesamte innere Oberfläche von Kern 22 ab, sowie gegenüber Kammer 23 grundsätzlich am O-Ring 24. Bei Erhöhung des Drucks wird Einheit 2 gegen Wand 38 von Kammer 23 gedrückt und der O-Ring 26 kommt mit der Wand in Berührung und bewirkt eine zusätzliche Dichtungskraft, die substanziell auf die Rückseite von Einheit 2 wirkt, wie nachstehend erläutert wird.
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Ein Vorteil der Dichtungseinheit 2 ist ihre relativ gerade Vorwärtsbewegung mittels eines stangenähnlichen Materials für Kern 22 und 2 O-Ringen 24 und 26. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Verschleiß von Einheit 2 im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen nicht nur reduziert ist, sondern er tritt zuerst an der inneren Oberfläche auf, die bei Betrieb gegen Plunger 20 anliegt. Dieser Verschleiß entwickelt sich allmählich und der Austausch ist daher relativ leicht.
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In der Plungerpumpe 4, beim Ansaughub oder in Ruhestellung greift die Dichtungseinheit 2 in die Oberfläche 34 des Flüssigkeitskopfes 6. Der vordere O-Ring 24 dichtet den Kern 22 über die Oberfläche 36 gegenüber dem Flüssigkeitskopf 6 ab. Der hintere O-Ring 26 berührt die Oberfläche 38 der Dichtungsstützscheibe 8 leicht und dichtet den Kern 22 gegenüber der Oberfläche 40 von Plunger 20 ab. Während des Einlass- oder Ansaughubs oder in Ruhestellung ( ) hält die Dichtungseinheit 2 einen Unterdruck in Pumpe 4 aufrecht. Dies wird durch die Abdichtung gegenüber Oberfläche 36 durch den O-Ring 24 und durch die Abdichtung gegenüber Oberfläche 40 durch die Dehnfähigkeit von Kern 22 erreicht. Bei einem Verdrängungs- oder Druckhub ( ) wirkt eine Kraft auf Oberfläche 34. Kern 22 wird in axialer Richtung von Kolben 20 vom Zylinder aus nach hinten gedrückt. Die Dichtung zwischen Kern 22 und dem Flüssigkeitskopf 6 wird durch O-Ring 24 auf Oberfläche 36 erreicht. Wenn Kern 22 nach hinten gedrückt wird, wird der O-Ring 26 durch Fläche 38 in Rille 32 geschoben oder zusammengedrückt. Rille 32 ist so konstruiert, dass sie nahezu den gesamten zusammengedrückten O-Ring 26 aufnehmen kann. Da die Oberfläche 38 kleiner ist als Oberfläche 34, ist der in Rille 32 von Kern 22 erzeugte Druck höher als im Vergleich zum frontalen Druck gegenüber Oberfläche 34. Dadurch wirkt eine Dichtungskraft auf Oberfläche 40 auf Plunger 20 und erzeugt eine vollständige Abdichtung. Dies wird durch Kraftprofil 42 ( ) beim Verdrängungs- oder Druckhub im Vergleich zum Kraftprofil 44 im Ansaughub oder in Ruhestellung ( ) illustriert. Dadurch wird eine Dichtungskraft erzielt, die im Verhältnis zum angewendeten Druck an der Innenseite von Pumpe 4 steht. Diese automatische Anpassung der angewendeten Dichtungskräfte reduziert den Verschleiß auf ein Mindestmaß. Außerdem wurden in der dargestellten Ausführung Standardmaterialien verwendet. Experimente haben ergeben, dass die Dichtungseinheit bei Drücken von bis zu 2000 bar korrekt arbeitet.
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In einer alternativen Ausführung 46 ist ein Dichtungskern 48 ( ) vorgesehen. Dichtungskern 48 ist mit einem vorderen O-Ring 50 und einem hinteren O-Ring 52 ausgestattet. Wie bereits ausgeführt, ist Kern 48 in der Kolbenausführung 46 gegenüber Kolben 54 mithilfe von O-Ring 50 abgedichtet, der an der Kolbenseite von Kern 48 vorgesehen ist. Für den hinteren O-Ring 52 entspricht die Funktionsweise der oben beschriebenen Darstellung.
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Es versteht sich, dass die in den obigen Beispielen genannten Abmessungen lediglich illustrativen Zwecken dienen und dass stattdessen auch andere Abmessungen verwendet werden können. Dies gilt auch für die Art der verwendeten Materialien.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in keiner Weise auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Die begehrten Rechte sind mittels der folgenden Ansprüche definiert, in deren Rahmen zahlreiche Modifikationen möglich sind.
