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Vorgestellt wird ein neuartiger Druckübersetzer für Drücke ab 2000 bar bis über 6000 bar, gekennzeichnet dadurch, dass hohe hydraulische Übersetzungsgrade mit wenigen, preisgünstig herzustellenden Teilen zu verwirklichen sind.
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Bisher bekannte Bauweisen solcher Druckübersetzer bestehen aus einem Niederdruckteil, einem Stufenkolben, einem Zwischenflansch mit Führungsfunktion und/oder Drucktrennfunktion und einem Hochdruckteil, die hintereinander angeordnet sind, wobei die Druckerhöhung in bar in bekannter Weise durch das Quadrat der Durchmesserverhältnisse des Stufenkolbens festgelegt ist.
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Der Niederdruckteil besteht aus einem Zylinder mit dem großen Durchmesser des Stufenkolbens, einem Zwischenflansch, der eine Durchführung des kleinen Durchmessers des Stufenkolbens enthält und ggf. weitere Dichtungen, und einem Hochdruckzylinder, in dem der kleine Durchmesser des Stufenkolbens den Hochdruck erzeugt.
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Hierbei sind also immer zwei Zylinder, ggf. mit Deckeln und ein beweglicher Stufenkolben mit Dichtungen erforderlich.
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Es gab immer wieder Versuche, die Anordnung von Druckübersetzern zu vereinfachen.
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Beispielsweise ist aus
DE 10 2004 035 280 A1 ein Kraftstoffinjektor bekannt, der zwei Übersetzerkolben hat, die eine mehrstufige Druckbeaufschlagung mittels zwei konzentrisch angeorneter Kolben ermöglicht, wobei der äussere Kolben zum Zylinder des inneren Kolbens wird. Diese Anordnung wird dazu verwendet, einen Einspritzdruck direkt mit zwei verschiedenen Einspritzvolumina zu erzeugen, mithin ist die Konstruktion eine Dosiereinrichtung, bei der verschieden große Kolbenflächen zur Erzeugung eines Drucks und zeitlich abgestimmter Einspritzmengen verwendet werden.
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Bekannt ist ausserdem aus
DE 20100122U1 /Bild 2, eine Konstruktion eines Druckübersetzers, in dem zwei mit Zugstangen durch einen Zwischenflansch durchgeführte Pneumatikkolben in Tandemanordnung betätigt werden, womit die wirksame Kolbenfläche wesentlich vergrößert wird, um dann in einem weiteren Zwischenflansch befestigten Zylinder einen Hochdruckkolben zu bewegen, der die Kräfte beider Pneumatikkolben weiterleitet in einen darunter koaxial angeordneten Aktuator, der ein Kurzhubzylinder sein kann. Diese Anordnung hat als wesentliches Merkmal die Vergrößerung der Pneumatkkolbenfläche durch den zweiten, mit Zugstangen verbundenen Pneumatikkolben. Der Hochdruckkolben ist beweglich und die ganze Konstruktion erfordert viele Dichtungen, z. B. für die Zugstangen, beide Pneumatikkolben usw. Der Hochdruck wird ausserdem in einem feststehenden Zylinder erzeugt, der nicht zugleich Kolben ist.
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In Bild 3 des og. Gebrauchmusters ist ein Hydraulikzylinder (Im weiteren Hz. genannt) dargestellt, der zugleich Kolbenstange zweier hintereinander angerordneter Pneumatikkolben ist. Dieser Hz läuft in einem durch einen Trennflansch in zwei Bereiche unterteilten Pneumatikzylinder. Im Hz läuft ein weiterer Übersetzerkolben, der fest mit einem Arbeitskolben verbunden ist, wobei er durch einen zweiten Trennflansch dichtend geführt ist. Es sind also Hz und Übersetzerkolben beide beweglich und mit 7 Dichtungen versehen, wodurch die Konstruktion aufwändig wird, ausserdem wird die erforderliche Übersetzung mittels zweier Trennflansche bewirkt, somit ist auch diese Konstruktion wesentlich anders und komplizierter aufgebaut und eignet sich nur für pneumatische Drücke, keinesfalls für hohe Hydraulikdrücke.
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Vorstellung der Erfindung
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Der hier vorgestellte preiswerte Druckübersetzer für hohe Drücke hat dagegen einen sehr viel einfacheren, preiswert zu fertigenden Aufbau und alle Leistungsmerkmale bisheriger Druckübersetzer.
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Gekennzeichnet ist diese Erfindung dadurch, dass es keinen mehr Stufenkolben gibt, der Hochdruckkolben feststeht und die Druckübersetzung durch einen als „Kolbenzylinder” genanntes Bauteil bewirkt wird.
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Dieser Kolbenzylinder hat innen eine Sacklochbohrung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass diese als Hochdruckzylinder wirkt, in den ein ortsfester Hochdruckkolben mit druckableitender Innenbohrung und Dichtung eingepasst ist. Der Kolbenzylinder ist in einem Gehäuse beweglich und dichtend angeordnet, mithin er dadurch gekennzeichnet ist, dass er von aussen über dieses Gehäuse als Niederdruckteil arbeiten kann und die erforderliche Druckübersetzung durch das Flächenverhältnis der Sacklochbohrung zum Aussendurchmesser des Kolbenzylinders entsteht. Hierdurch wird eine deutliche Kostenreduzierung erreicht, weil etwa 40% der Baulänge gespart wird und der Kolbenzylinder mit ortsfestem Hochdruckkolben in einem Gehäuse preiswerter herzustellen ist als ein Hochdruckzylinder und Niederdruckzylinder in fluchtender Anordnung hintereinander mit Stufenkolben und ggf. erforderlichem Zwischenflansch, wie bei Druckübersetzern nach dem derzeitigen Stand der Technik erforderlich. Auch eine Trennung von Hochdruckfluid und Niederdruckhydraulik ist mit geringem Aufwand möglich und wurde im Labor bereits bis 3000 bar erfolgreich erprobt. Bei fachgerechter Ausführung lassen sich bei gleicher Förderleistung und gleichem Druckniveau ca. 30–40% der Herstellungskosten einsparen. Ausserdem ist der Platzbedarf wesentlich geringer als bei Druckübersetzern nach heutigem Stand der Technik.
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Im Weiteren werden mit „ND” Niederdruck und mit „HD” Hochdruck bezeichnet.
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Verschiedene vorteilhafte Ausführung der Erfindung werden durch nachfolgende Bilder im Einzelnen erklärt:
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Bild 1 zeigt eine typische Ausführung der Erfindung;
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Bild 2 zeigt eine Ausführung mit Trennung von ND-Fluid und HD-Fluid;
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Bild 3 zeigt eine erste Ausführung ohne Medientrennung und mit Nachförderung des HD-Fluids mit Vordruck von ND-Hydraulikfluid;
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Bild 4 zeigt eine zweite Ausführung ohne Medientrennung und mit Nachförderung des HD-Fluids mit Vordruck von ND-Hydraulikfluid;
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Bild 5 zeigt eine Ausführung, mit der eine erhöhte Innendruckfestigkeit des Kolbenzylinders erreicht wird;
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Bild 6 zeigt eine Anordnung mit durchgehender Innenbohrung des Kolbenzylinders, die mit Dichtstopfen zur Sackbohrung wird.
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Eine erste, typische Ausführung dieses preiswerten Druckübersetzers für hohe Drücke zeigt Bild 1:
In einem Gehäuse 1 befindet sich ein auf seiner zylindrischen Innenlauffläche 19 axial beweglicher Kolbenzylinder 2 mit einer Sacklochbohrung 3. In diese Sacklochbohrung taucht ein ortsfester Hochdruckkolben 4 ein, der eine Zentralbohrung 5 besitzt. Der Kolbenzylinder 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass er in einer typischen Anordnung eine doppeltwirkende Dichtung 10 besitzt, die auf einer Innenlauffläche 19 des Gehäuses 1 einen ersten ND-Hydraulikraum 11 gegen einen zweiten ND-Hydraulikraum 12 abdichtet. Ein erster Druckanschluß 13 verbindet einen ersten Hydraulikraum 11 und ein Druckanschluß 14 einen zweiten Hydraulikraum 12, z. B. mit einem hier nicht dargestellten Hydraulikaggregat über ein Umsteuerventil. Weiterhin ist der Hydraulikraum 12 über eine ND-Dichtung 15 gegen die Umgebung abgedichtet. Diese ND-Dichtung kann in einer typischen Ausführung im Fuß 20 des ortsfesten Hochdruckkolbens 4 angebracht sein. Ausserdem ist eine ND-Stangendichtung 16 in einer Ausführung als weitere Begrenzung des Hydraulikraums 12 vorgesehen.
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Der ortsfeste Hochdruckkolben 4 hat am vorderen Ende eine HD-Dichtung 17, die einen HD-Hydraulikraum 18 in der Sachlochbohrung 3 gegen den zweiten Hydraulikraum 12 abdichtet. Der Hochdruck im Hydraulikraum 18 wird über die Zentralbohrung 5 im Hochdruckkolben 4 weitergeleitet, z. B. in einen Gewindeanschluß 6 in einem Flansch 8, der in bekannter Weise z. B. als Anschlußgewinde für eine hier nicht dargestellte Hochdruckverrohrung mit Entlastungsbohrung 7 ausgeführt ist. Der Flansch 8 ist mit dem Gehäuse 1 über hier nur angedeutete Schrauben 9 verschraubt und dadurch gekennzeichnet, dass er auch den Fuß 20 des Hochdruckkolbens 4 klemmt und diesen dadurch ortsfest macht. Die Hochdruckerzeugung beginnt im Kolbenzylinder 2 in der gezeichneten Stellung links, sobald Druckanschluß 13 mit ND-Druck beaufschlagt wird und Druckanschluß 14 drucklos geschaltet ist. Dann beginnt der Kolbenzylinder 2 aufgrund des hydraulischen Druckgefälles von links nach rechts sich zu bewegen, der ortsfeste HD-Kolben 4 taucht in den HD-Hydraulikraum 18 weiter ein und es entsteht dort ein Hochdruck, der höher ist als der Druck an Anschluß 13, gemäß dem physikalischen Gesetz, wonach sich Drücke umgekehrt proportional zu den druckbeaufschlagten Flächen verhalten, wenn sie sich im statischen Gleichgewicht befinden. Dieser Hochdruck kann nun über die Zentralbohrung 5 nach aussen zu einem Bauteil weitergeleitet werden, unter Verwendung der üblichen Hochdruckgewinde, wie mit 6 und 7 angedeutet. Wenn der Kolbenzylinder seine rechte Endlage erreicht, kann durch Umsteuerung des anstehenden Drucks von Druckanschluß 13 nach Druckanschluß 14 die Bewegung zum Rückhub erfolgen und Hochdruckfluid wird über die Zentralbohrung angesaugt oder mit einer Pumpe nachgefördert. Die hierzu erforderlichen Verrohrungen, T-Stücke und Ventile sind Stand der Technik und hier nicht dargestellt.
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Eine Ausführung dieses preiswerten Druckübersetzers mit Medientrennung zeigt Bild 2:
Hier werden die Hydraulikräume 11 und 12 durch zwei ND-Dichtungen 25 und 26 auf dem Kolbenzylinder 2 getrennt. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen diesen Dichtungen eine Eindrehung 21 als Ringspalt wirkt und dieser Ringspalt immer drucklos bleibt, weil er dadurch gekennzeichnet ist, dass er mit einer Mischleckagebohrung 24 im Gehäuse 1 zur Umgebung verbunden ist und weiterhin durch die Länge der Eindrehung 21 in jeder Stellung des beweglichen Kolbenzylinders 2 diese Verbindung mit der Mischleckagebohrung gewährleistet ist. Weiterhin ist diese Ausführung durch eine Ableitbohrung 23 gekennzeichnet, die im Betrieb immer, z. B. durch Schleppströmung, anfallende Leckage von Hochdruckfluid aus dem Hydraulikraum 18 und Leckage aus dem Hydraulikraum 12, die sich in der Ringnut 22 als Mischleckage sammelt, in die Eindrehung 21 weiterleitet. Somit ermöglicht diese Ausführung eine einfache und wirksame Medientrennung von Hydraulikfluid in den Räumen 11 und 12 vom Hochdruckfluid im Hydraulikraum 18. Eine Medientrennung ist häufig notwendig, um in der Auswahl des Hochdruckfluids für verschiedene Anwendungen frei zu bleiben.
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Zwei typische Ausführungen ohne Medientrennung, jedoch mit direkter Nachförderung und ggf. Vordruckbefüllung über den Hydraulikraum 12 zeigen die Bilder 3 und 4:
Hier ist der Druckübersetzer jeweils in seiner Ansaug-Endstellung gezeigt. Der Kolbenzylinder 2 steht in seiner linken Endlage und der ortsfeste Hochdruckkolben 4 ist maximal ausgefahren aus dem HD-Hydraulikraum 18 und nun mit dem ND-Hydraulikraum 12 verbunden, sodass hier Druckausgleich entsteht oder sich bei Druckbeaufschlagung des ND-Hydraulikraums 12 über den Druckanschluß 14 hier ein Vordruck in derselben Höhe einstellt, der dann über die Zentralbohrung 5 im HD-Kolben auch ggf. bis zum Bauteil weitergeleitet werden kann, als sogenannte Vordruckbefüllung machmal erwünscht. Die Ausführungen der Varianten von Bild 3 und 4 unterscheiden sich im wesentlichen durch die Anordnung der Hochdruckdichtung und der Überströmspalte zwischen Kolbenzylinder und HD-Kolben.
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In Bild 3 ist eine Ausführung mit HD-Stangendichtung 27 im Kolbenzylinder 2 dargestellt, die einen sich im Bereich 28 verjüngenden Hochdruckkolben 4 verwendet, der einen Überströmspalt 29 in der gezeichneten Ansaug-Endstellung freigibt und somit die Druckräume 18 und 12 verbindet, wobei hier der Hydraulikdruck über Druckanschluß 14 in Raum 12 ansteht und eine Durchspülung des Raums 18 und der Bohrung 5 erzwingt, sobald hier ein Druckgefälle entsteht. Wenn nun der Druckanschluß 13 wieder druckbeaufschlagt wird, wird der Kolbenzylinder 2 erneut nach rechts bewegt, die Stangendichtung 27 dichtet den Hochdruckkolben wieder ab und im HD-Hydraulikraum 18 beginnt von Neuem die Hochdruckerzeugung, sobald der Hydraulikraum 12 drucklos geschaltet wird. Mit entsprechender Regeltechnik lässt sich so jede Art von Befüllung über die Bohrung 5, auch mit Vordruck, erstellen.
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Im Bild 4 ist eine Ausführung mit HD-Kolbendichtung auf dem HD-Kolben 4 dargestellt. Der Kolbenzylinder 2 ist hier an seiner Mündung im Bereich 32 konisch aufgeweitet und der Hochdruckkolben trägt vorn die HD-Dichtung 17, wobei die Funktion der Befüllung dieselbe ist wie in Bild 3.
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Die beiden Ausführungen der Bilder 3 und 4 ermöglichen also eine sehr einfache Nachförderung des Druckübersetzers ohne weitere Pumpen, weil sie dadurch gekennzeichnet sind, dass der Hydraulikraum 12 den Hydraulikraum 18 befüllt, wobei sie auch dadurch gekennzeichnet sind, dass gegebenenfalls eine Vordruckbefüllung nachfolgender, mit Druck zu beaufschlagender Teile, über die Bohrung 5 im Hochdruckkolben 4 und den Hochdruckanschluß 6 erfolgen kann.
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Eine Ausführung mit erhöhter Innendruckfestigkeit des Kolbenzylinders zeigt Bild 5:
Dieser Druckübersetzer hat eine möglichst nahe zur Stirnseite 37 des Kolbenzylinders 2 axial verschobene ND-Dichtung 30 nahe der anderen Stirnseite 38 eine druckdurchlässige Kolbenführung 31, die z. B. ein schräg geschlitztes Kolbenführungsband sein kann, wie häufig dafür verwendet. Weiterhin ist der Kolbenzylinder 2 dadurch gekennzeichnet, dass er bis zur Dichtung 30 mit einem Ringspalt 33 ausgeführt ist und dieser Ringspalt den HD-Hydraulikraum 18 im Bereich, wo der Hochdruck ansteht, vollständig konzentrisch umgibt. Die gezeigte Anordnung ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass der im Raum 11 anstehende Hydraulikdruck immer auch den Ringspalt 33 über die druckdurchlässige Kolbenführung beaufschlagt, wobei dann zeitgleich mit der Bewegung des Kolbenzylinders 2 nach rechts auch ein Aussendruck auf den Ringspalt 33 entsteht. Somit wird beim Aufbau des Innendrucks im HD-Hydraulikraum 18 zeitgleich ein Aussendruck am Kolbenzylinder 2 radial wirksam, welcher der innen anstehenden Zug-Umfangsspannung entgegenwirkt und diese daher wie ein Schrumpfverband verringert. Man erkennt, dass diese Anordnung mit geringem Aufwand realisierbar ist, wodurch eine Verlängerung der Haltbarkeit des teuersten Bauteils, insbesondere bei sehr hohen Drücken über 4000 bar, erreichbar wird. Bekanntlich ist zu hohe Schwell-Zug-Umfangsspannung immer die Hauptursache für Zylinderversagen im Hochdruckbereich, und zeitgleich mit der Umfangsspannung innen wird hier eine Aussen-Umfangsspannung diese Gefahr verringern. Auch eine Wanddickenreduzierung des Kolbenzylinders 2 ist hierdurch möglich und damit eine weitere Gestaltungsmöglichkeit, den Druckübersetzer noch kleiner zu bauen.
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Eine Ausführung mit durchgehender Innenbohrung im Kolbenzylinder, die mit Dichtstopfen zur Sackbohrung wird, zeigt Bild 6:
Hier ist im Kolbenzylinder 2 der hochdruckführende Hydraulikraum 18 als durchgehende Bohrung gefertigt und wird mit einem Dichtstopfen 34 über eine HD-Dichtstelle 35 abgedichtet und damit zum Sackloch, wobei der Dichtstopfen in einer bevorzugten Ausführung mit einem Gewinde 36 im Kolbenzylinder 2 verschraubt ist. Die Abstützung des Dichtstopfens kann aber auch anders ausgeführt sein, z. B. durch einen stirnseitig am Kolbenzylinder verschraubten Deckel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Kolbenzylinder
- 3
- Sacklochbohrung
- 4
- (ortsfester) HD-Kolben
- 5
- Zentralbohrung
- 6
- Gewindeanschluß
- 7
- Entlastungsbohrung
- 8
- Flansch
- 9
- Schrauben
- 10
- Doppeltwirkende Dichtung
- 11
- Erster ND-Hydraulikraum
- 12
- Zweiter ND-Hydraulikraum
- 13
- Erster Druckanschluß
- 14
- Zweiter Druckanschluß
- 15
- ND-Dichtung
- 16
- ND-Stangendichtung
- 17
- HD-Dichtung
- 18
- HD-Hydraulikraum
- 19
- Innenlauffläche
- 20
- Fuß
- 21
- Eindrehung
- 22
- Ringnut
- 23
- Ableitbohrung
- 24
- Mischleckagebohrung
- 25
- ND-Dichtung
- 26
- ND-Dichtung
- 27
- HD-Stangendichtung
- 28
- Bereich des verjüngenden HD-Kolbens
- 29
- Überströmspalt
- 30
- ND-Dichtung
- 31
- Druckdurchlässige Kolbenführung
- 32
- Konischer Mündungsbereich des Kolbenzylinders
- 33
- Ringspalt
- 34
- Dichtstopfen
- 35
- HD-Dichtstelle
- 36
- Gewinde
- 37
- Stirnseite des Kolbenzylinders
- 38
- Stirnseite gegenüberliegend 37
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004035280 A1 [0006]
- DE 20100122 U1 [0007]
