DE102018200561A1

DE102018200561A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls

Info

Publication number: DE102018200561A1
Application number: DE102018200561.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Stuke; Olaf Ohlhafer; Malte Bickelhaupt; Robert Giezendanner-Thoben; Haresh Anant Vaidya
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-07-18

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls mit einer Pumpe (3) zur Verdichtung der Flüssigkeit auf einen Vordruck und einem Injektor (12) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls (15), der mit einem Hochdruckspeicher (10) verbunden ist. Die auf Vordruck verdichtete Flüssigkeit wird durch einen Druckverstärker (7) auf einen höheren Arbeitsdruck weiter verdichtet und dem Hochdruckspeicher (10) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls, wie sie vorzugsweise Verwendung findet, um Gegenstände zu zerteilen oder deren Oberfläche zu reinigen.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls sind als Werkzeuge bekannt, um Gegenstände zu zerteilen oder deren Oberfläche zu entschichten oder zu reinigen. Dazu wird eine Flüssigkeit, in der Regel Wasser, komprimiert und unter einem sehr hohen Druck durch eine Düse ausgestoßen, so dass ein kontinuierlicher Hochdruck-Wasserstrahl entsteht, der auf das Werkstück gerichtet wird und dieses an der gewünschten Stelle bearbeitet bzw. zerteilt. Statt eines kontinuierlichen Wasserstrahls ist es auch bekannt, einen gepulsten Wasserstrahl zu verwenden. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2014 225 247 A1 bekannt. Zur Erzeugung des Hochdruckwasserstrahls wird dabei ein Injektor mit einem beweglichen Ventilelement verwendet, das den Wasserstrahl abwechselnd unterbricht oder freigibt. Die Bearbeitung mit einem gepulsten Wasserstrahl weist den Vorteil auf, dass ein gepulster Wasserstrahl gegenüber einem kontinuierlichen Wasserstrahl eine zumindest gleichwertige Schneidwirkung entfaltet, aber deutlich weniger komprimiertes Wasser verbraucht wird, was den Energiebedarf einer solchen Vorrichtung deutlich senkt. Darüber hinaus bietet der gepulste Wasserstrahl den Vorteil, dass eine gute Schnittwirkung zumeist schon bei einem niedrigeren Wasserdruck als bei einem kontinuierlichen Wasserstrahl erreicht werden kann. Anlagen für kontinuierliche Wasserstrahlen arbeiten mit einem Druck von bis zu 6000 bar (600 MPa), während der gepulste Wasserstrahl mit einem Druck von weniger als 2000 bar (200 MPa) auskommt.
Die Erzeugung des Hochdruckwasserstrahls erfordert eine Pumpe, die die Flüssigkeit bzw. das Wasser auf einen entsprechend hohen Druck verdichten kann. An diese Pumpe sind hohe Anforderungen zu stellen, da sie hohen Kräften ausgesetzt und entsprechend aufwendig in der Herstellung ist. Gerade bei der Komprimierung von Wasser ergibt darüber hinaus das Problem, dass Pumpen, die einen sehr hohen Druck erzeugen sollen, mit geringen Spaltmaßen arbeiten müssen, Wasser jedoch keine schmierenden Eigenschaften hat. Gerade an Lagern und dort, wo sich Teile der Pumpe gegeneinander bewegen, kommt es so häufig zu vorzeitigem Verschleiß, was die Lebensdauer der Pumpe verkürzt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls weist demgegenüber den Vorteil auf, dass nur eine Pumpe benötigt wird, die einen relativ geringen Vordruck erzeugt, ohne dass die Schneidwirkung des Flüssigkeitsstrahls vermindert ist. Dazu weist die Vorrichtung eine Pumpe zur Verdichtung der Flüssigkeit auf einen Vordruck und einen Injektor zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls auf, der mit einem Hochdruckspeicher für die Flüssigkeit verbunden ist. Darüber hinaus ist ein Druckverstärker vorhanden, der die auf Vordruck verdichtete Flüssigkeit auf einen höheren Arbeitsdruck weiter verdichtet und dem Hochdruckspeicher zuführt.
Durch die Verwendung des Druckverstärkers kann die Pumpe mit einem geringen Aufwand ausgeführt werden, da sie die Flüssigkeit, zumeist Wasser, nur auf einen relativ geringen Vordruck verdichtet. Die Erhöhung des Vordrucks auf den Arbeitsdruck, mit dem die Flüssigkeit aus dem Injektor ausgestoßen wird und den erwünschten Hochdruckflüssigkeitsstrahl bildet, erzeugt der Druckverstärker, wo mit relativ wenig Aufwand sehr hohe Drücke erzeugt werden können und der Vordruck auf ein Vielfaches des ursprünglichen Werts erhöht wird. Damit lässt sich eine kostengünstige Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls zur Verfügung stellen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Injektor eine Düsenöffnung und ein bewegliches Ventilelement auf, wobei das Ventilelement dazu ausgebildet ist, die Düsenöffnung zu öffnen und zu schließen. Durch das bewegliche Ventilelement lässt sich ein gepulster Flüssigkeitshochdruckstrahl erzeugen, was den Energieverbrauch bei ähnlicher Schneidwirkung wie bei einem kontinuierlichen Wasserstrahl deutlich reduziert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Injektor mit einer Zuführeinrichtung zur Zuführung eines abrasiven Mediums verbunden, wobei sich das Medium im Injektor oder unmittelbar nach dem Austritt des Flüssigkeitsstrahls aus dem Injektor mit der Flüssigkeit mischt. Die abrasiven Partikel werden vom Flüssigkeitsstrahl mitgerissen und gelangen so auf die Oberfläche des Werkstücks, wo sie die Wirkung des Wasserstrahls deutlich erhöhen. Somit lässt sich mit niedrigerem Druck ein Werkstück zerteilen, das sonst nur mit einem deutlich höheren Druck bearbeitet werden könnte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt die Pumpe einen Vordruck der Flüssigkeit von 100 bis 200 bar. Solche Hochdruckpumpen sind aus dem Stand der Technik seit langer Zeit bekannt und bewährt, beispielsweise von Hochdruckreinigern, so dass diese kostengünstig zur Verfügung gestellt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erhöht der Druckverstärker den Druck der Pumpe um einen Faktor von 1,5 bis 15. Dazu weist der Druckverstärker in vorteilhafter Weise einen längsbeweglichen, gestuften Kolben auf, der eine erste Stirnfläche ausbildet und eine im Durchmesser kleinere, zweite Stirnfläche, wobei die erste Stirnfläche einen Druckraum und die zweite Stirnfläche einen Kompressionsraum begrenzt. Wird die erste Stirnfläche vom Druck beaufschlagt, den die Pumpe erzeugt, so bewirkt dies eine Kraft auf die Stirnfläche, die deutlich größer ist als die Kraft auf die zweite Stirnfläche, wenn der Kompressionsraum mit demselben Flüssigkeitsdruck befüllt ist. Damit kann im Kompressionsraum ein deutlich höherer Druck erzeugt werden, wobei die Druckerhöhung durch das Verhältnis der Flächen von erster und zweiter Stirnfläche gegeben ist. Durch entsprechende Dimensionierung dieser Stirnflächen lässt sich eine starke Druckerhöhung erreichen, so dass Verstärkungsfaktoren ausgehend vom Vordruck in der genannten Größenordnung gut zu realisieren sind.
In vorteilhafter Weise ist die erste Stirnfläche des Kolbens an einem Druckabschnitt des Kolbens ausgebildet, der mit seiner der ersten Stirnfläche gegenüberliegenden Ringfläche einen Arbeitsraum begrenzt. Der Arbeitsraum kann mit wechselndem Druck beaufschlagt werden und erlaubt so eine effiziente Steuerung der Längsbewegung des Kolbens. Dabei ist in vorteilhafter Weise der Kompressionsraum mit dem Hochdruckspeicher verbindbar, so dass der durch den Kolben erzeugte Hochdruck im Kompressionsraum im Hochdruckspeicher vorgehalten werden kann, von dem schließlich der Injektor versorgt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist in der Verbindung vom Hochdruckverstärker zum Hochdruckspeicher ein Rückschlagventil angeordnet, das einen Flüssigkeitsfluss nur vom Druckverstärker in den Hochdruckspeicher erlaubt. Damit lässt sich die komprimierte Flüssigkeit im Hochdruckspeicher vorhalten, um den Injektor kontinuierlich zu versorgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Druckraum des Druckverstärkers mit der Pumpe verbindbar, so dass der Druckraum mit dem Vordruck, den die Pumpe zur Verfügung stellt, geflutet werden kann. Damit steht dieser Druck als Druck auf die erste Stirnfläche zur Verfügung und erlaubt eine Bewegung des Kolbens und damit eine Erzeugung des hohen Drucks im Kompressionsraum.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Arbeitsraum über ein erstes Steuerventil mit der Pumpe oder mit einer Rücklaufleitung verbindbar, wobei in der Rücklaufleitung nur ein niedriger Druck oder Umgebungsdruck herrscht. Durch die wechselnde Verbindung mit der Pumpe oder mit einer Rücklaufleitung lässt sich der Druck im Arbeitsraum einstellen, so dass über diesen Druckwechsel die Bewegung des Kolbens gesteuert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Pumpe Teil eines Hochdruckreinigers, über den die vorverdichtete Flüssigkeit dem Druckverstärker zugeführt wird. Da Hochdruckreiniger und die ihnen eigene Hochdruckpumpe aus dem Stand der Technik seit langem bekannt und bewährt ist, lässt sich damit eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls kostengünstig herstellen, indem zu einem großen Teil bereits verfügbare Komponenten verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist eine solche Vorrichtung, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, da dieses einerseits kostengünstig zur Verfügung steht und es sich andererseits zum Schneiden der meisten Materialien gut eignet.
Figurenliste
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls und der Aufbau eines Druckverstärkers näher dargestellt. Dazu zeigt

1 den schematischen Aufbau der Vorrichtung mit allen wesentlichen Komponenten,
2 den Aufbau des Druckverstärkers, teilweise als hydraulisches Schaltbild, in einem ersten Zustand und
3 den gleichen Druckverstärker in einem anderen Schaltzustand,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckverstärkers im Befüllzustand, wobei die hydraulische Schaltung hier in anderer Weise ausgeführt ist,
5 den gleichen Druckverstärker wie 4 in einem Kompressionszustand,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckverstärkers mit einer anderen hydraulischen Schaltung und
7 den gleichen Druckverstärker wie 6 in einem Kompressionszustand und
8 eine Alternative zu der schematischen Darstellung der 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckflüssigkeitsstrahls schematisch mit allen wesentlichen Komponenten dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Tank 1, in dem die Arbeitsflüssigkeit, zumeist Wasser, vorgehalten wird. Über eine Leitung 2 wird die Flüssigkeit einer Pumpe 3 zugeführt, die die Flüssigkeit auf einen Vordruck verdichtet und über eine Druckleitung 5 einem Druckverstärker 7 zuführt. Im Druckverstärker 7 wird die Flüssigkeit auf einen Arbeitsdruck weiter verdichtet und über ein Rückschlagventil 9 einem Hochdruckspeicher 10 zugeführt, in dem die hochverdichtete Flüssigkeit vorgehalten wird. Vom Druckverstärker 7 führt darüber hinaus eine Rücklaufleitung 8 zurück in den Tank 1, über die Flüssigkeit, die im Druckverstärker 7 nicht benötigt wird, und die Steuermenge, die aufgrund des Ansteuerns im Druckverstärker 7 anfällt, zurück in den Tank zu leiten. Über eine Hochdruckleitung 11 ist ein Injektor 12 mit dem Hochdruckspeicher 10 verbunden, wobei der Injektor 12 eine Düsenöffnung 14 aufweist, durch die die komprimierte Flüssigkeit austreten kann und dabei einen Flüssigkeitsstrahl 15 bildet. Der Flüssigkeitsstrahl 15 trifft im Betrieb auf ein Werkstück 16, das so bearbeitet werden kann. Exemplarisch ist in 1 ein Schnittkanal 17 gezeigt, der bei entsprechender Bewegung des Werkstücks 16 entsteht.
Der Injektor 12 beinhaltet ein bewegliches Ventilelement 18, das entgegen der Kraft einer Feder 21 im Injektor 12 längsbeweglich angeordnet ist. Das Ventilelement 18 öffnet und verschließt die Einspritzöffnung 14, wobei der Öffnungs- und Schließvorgang über ein Zumessventil 13 gesteuert wird, das zwischen dem Hochdruckspeicher 10 und der Einspritzöffnung 14 innerhalb des Injektors oder auch außerhalb des Injektors angeordnet ist. Ist das Zumessventil 13 geöffnet, so fließt der Hochdruck in den Injektor 12 und öffnet das Ventilelement 18 entgegen der Kraft der Feder 21, so dass die Düsenöffnung 14 freigegeben wird und der Flüssigkeitsstrahl 15 austritt. Wird das Zumessventil 13 geschlossen, so bewegt sich das Ventilelement 18 in Richtung der Düsenöffnung 14 und verschließt diese. Das Zumessventil 13 kann, wie schon erwähnt, innerhalb des Injektors 12 angeordnet sein, so dass das Gehäuse in diesem Fall - der Injektor ist hier mit der Bezugsziffer 12' bezeichnet - das Zumessventil 13 umfasst. Es kann jedoch auch als separates Bauteil außerhalb des Injektors 12 angeordnet sein.
Zur Verbesserung der Schneidwirkung kann der Flüssigkeit ein abrasives Medium zugegeben werden, das aus abrasiven Partikeln besteht, beispielsweise aus Siliziumcarbid-Pulver oder einem anderen Mineral. Das abrasive Medium wird in einem Abrasivpartikelbehälter 19 vorgehalten und über eine Zufuhrleitung 20 in eine Mischkammer 28 dosiert, wo sich das abrasive Medium mit dem Flüssigkeitsstrahl 15 mischt in unmittelbarer Nähe der Düsenöffnung 14. In der Zufuhrleitung 20 kann dazu eine entsprechende Dosiervorrichtung für das abrasive Medium vorgesehen sein.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckverstärkers dargestellt zusammen mit der hydraulischen Ansteuerung. Der Druckverstärker 7 umfasst einen Kolben 30, der gestuft ausgebildet ist und der innerhalb des Druckverstärkers 7 längsbeweglich angeordnet ist. Der Kolben 30 bildet eine erste Stirnfläche 31 und eine zweite Stirnfläche 32 aus, wobei die erste Stirnfläche 31 deutlich größer ausgebildet ist als die zweite Stirnfläche 32. Der Kolben begrenzt mit seiner ersten Stirnfläche 31 einen Druckraum 34 und mit der zweiten Stirnfläche 32 einen Kompressionsraum 33, wobei der Kompressionsraum 33 über das Rückschlagventil 9 mit dem Hochdruckspeicher 10 verbindbar ist.
Die erste Stirnfläche 31 ist an einen Druckabschnitt 30a des Kolbens 30 ausgebildet, der im Durchmesser vergrößert ausgebildet ist und der mit seiner der ersten Stirnfläche 31 gegenüberliegenden Ringfläche 35 einen ringförmigen Arbeitsraum 35 begrenzt. Damit sind die hydraulischen Kräfte durch den Druck im Arbeitsraum 35 und den Druck im Druckraum 34 einander entgegengerichtet.
Zur Steuerung des Drucks in den Räumen 33, 34 und 35 ist ein erstes Steuerventil 22 vorgesehen, das als 4/2-Wegeventil ausgeführt ist. Der Kompressionsraum 33 ist über eine Füllleitung 26a mit dem ersten Steuerventil 22 verbunden und der Arbeitsraum 35 über eine zweite Füllleitung 26b, wobei sich die Leitungen 26a und 26b an einem Punkt außerhalb des ersten Steuerventils 22 vereinen. Der Druckraum 34 ist über eine dritte Füllleitung 26c ebenfalls mit dem ersten Steuerventil 22 verbunden. Das erste Steuerventil 22 weist eine weitere Verbindung mit dem Flüssigkeitstank 1 über eine Rücklaufleitung 8a auf. Darüber hinaus ist das erste Steuerventil 22 über eine Druckleitung 5a, 5c mit der Pumpe 3 verbunden, so dass über die Druckleitung 5a, 5c der Druck der Pumpe 3 am ersten Steuerventil 22 anliegt.
Zur Steuerung der Bewegung des ersten Steuerventils 22 lässt sich auf beiden Seiten des ersten Steuerventils 22 ein Druck anlegen, wobei der Druck auf der linken Seite des Steuerventils 22 durch eine Steuerleitung 6a realisiert ist, die mit der Druckleitung 5a verbunden ist. Die gegenüberliegende Seite des Steuerventils ist über eine Steuerleitung 6b mit einem zweiten Steuerventil 23 verbunden. Die Beaufschlagung des ersten Steuerventils 22 ist dergestalt, dass bei einem höheren Druck auf die in der Zeichnung linke Seite des Steuerventils, also durch einen entsprechend hohen Druck in der Steuerleitung 6a, das erste Steuerventil den in 2 gezeigten Schaltzustand annimmt, insbesondere, wenn auf der gegenüberliegenden Seite kein oder nur ein geringer Druck anliegt. Ist auf der rechten Seite des Steuerventils 22 der gleiche Druck wie auf der linken Seite, so verschiebt sich das Steuerventil 22 in seine andere Schaltposition, wie sie in 3 gezeigt und später näher erläutert wird.
Das zweite Steuerventil 23 wird über die Bewegung des Kolbens 30 gesteuert. Ist der Kolben 30 in seiner linken Position wie in 2 dargestellt, so befindet sich auch das zweite Steuerventil in seiner linken Position, in der die Steuerleitung 6b mit einer Rücklaufleitung 8b und damit mit dem Tank 1 verbunden ist. Eine weitere Verbindung des zweiten Steuerventils 23 über eine Druckleitung 5b mit der Druckleitung 5a bzw. der Pumpe 3 ist unterbrochen. Bewegt sich der Kolben 30 in seine rechte Position, d.h. in den Druckraum 34 hinein, so wird über einen mechanischen Schalter das zweite Steuerventil 23 in seine rechte Schaltposition bewegt, in der die Steuerleitung 6b mit der Druckleitung 5b und damit mit der Pumpe 3 verbunden wird, während die Verbindung mit Rücklaufleitung 8b unterbrochen ist. Entsprechend wird das zweite Steuerventil 23 zurück in seine linke Schaltposition bewegt, wenn sich der Kolben 30 in den Arbeitsraum 35 hineinbewegt und dort über eine mechanische Kopplung 38 auf das zweite Steuerventil 23 einwirkt, wie in 3 dargestellt.
Die Funktionsweise des Druckverstärkers nach 2 bzw. 3 wird im Folgenden näher erläutert. In 2 ist der sogenannte Füllzustand dargestellt, bei der der Kompressionsraum 33 mit Flüssigkeit befüllt wird, die durch die Pumpe 3 vorverdichtet ist. Dazu befindet sich das erste Steuerventil 22 in seiner rechten Schaltposition, da die linke Seite des Steuerventils 22 über die Steuerleitung 6a und die Druckleitung 5a mit der Pumpe 3 verbunden ist, während die rechte Seite des ersten Steuerventils 22 über die Steuerleitung 6b, das zweite Steuerventil 23 und die Rücklaufleitung 8b mit dem Flüssigkeitstank 1 verbunden und damit drucklos ist. Das erste Steuerventil 22 öffnet damit eine Verbindung der Druckleitung 5a über die Druckleitung 5c und die Füllleitung 26b in den Arbeitsraum 35 und gleichzeitig eine Verbindung über die Füllleitung 26a und das Rücklaufventil 27 in den Kompressionsraum 33, so dass dort Flüssigkeit unter dem Vordruck der Pumpe 3 eingefüllt wird. Gleichzeitig verbindet das erste Steuerventil 22 den Druckraum 34 über die Füllleitung 26c mit der Rücklaufleitung 8a und damit mit dem Flüssigkeitstank 1, so dass der Druckraum 34 drucklos ist.
Durch die Befüllung des Arbeitsraums 35 und des Kompressionsraums 33 wird der Kolben 30 durch den hydraulischen Druck in diesen Räumen nach rechts in den Druckraum 34 hineingedrückt, so lange, bis der Kolben 30 über die mechanische Kopplung 38 das zweite Steuerventil 23 betätigt und in seine rechte Schaltstellung drückt, wie in 3 dargestellt. In dieser Schaltstellung wird die Steuerleitung 6b mit der Pumpe 3 über die Druckleitung 5b verbunden, so dass nun auf das erste Steuerventil 22 eine Kraft auf die rechte Seite wirkt, die dieses in seine linke Schaltposition drückt, wie in 3 dargestellt. In diesem Schaltzustand wird der Druckraum 34 mit der Pumpe 3 verbunden, so dass sich im Druckraum 34 der Vordruck der Pumpe 3 aufbaut, während gleichzeitig der Arbeitsraum 35 mit der Rücklaufleitung 8a auf den Druck im Flüssigkeitstank 1 und damit praktisch drucklos geschaltet wird. Der Druck im Kompressionsraum 33 bleibt erhalten, da das Rücklaufventil 27 einen Druckablauf über die Füllleitung 26a verhindert. Da nun der hydraulische Druck im Druckraum 34 höher ist als im Arbeitsraum 35 und die erste Stirnfläche 31 deutlich größer ist als die zweite Stirnfläche 32, bewegt sich der Kolben 30 in den Kompressionsraum 33 hinein. Entsprechend dem Flächenverhältnis von erster Stirnfläche 31 und zweiter Stirnfläche 32 steigt der Druck im Kompressionsraum 33 auf einen Wert p_e an, der dem Flächenverhältnis von erster Stirnfläche 31 und zweiter Stirnfläche 32 entspricht. Ist die Fläche der ersten Stirnfläche 31 A₁ , die Fläche der zweiten Stirnfläche 32 A₂ und der Druck der Pumpe 3 p_v , so ist der maximal erreichbare Druck gegeben durch $p_{e} = p_{v} \cdot A_{1} / A_{2}$
Damit ist im Kompressionsraum 33 ein Druck erzeugbar, der deutlich größer ist als der Vordruck p_v , den die Pumpe 3 erzeugt und der im Druckraum 34 anliegt.
Sobald im Kompressionsraum 33 der Öffnungsdruck des Rücklaufventils 9 erreicht ist, öffnet dieses und die komprimierte Flüssigkeit wird aus dem Kompressionsraum 33 in den Hochdruckspeicher 10 gedrückt. Erreicht der Kolben 30 seine linke Endposition, wird über die mechanische Kopplung 38 das zweite Steuerventil 23 und über die oben bereits geschilderten Druckverhältnisse daraufhin auf das erste Steuerventil 22 wieder geschaltet, so dass der Zustand in 2 wieder erreicht wird und sich der Zyklus wiederholt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckverstärkers, wobei dieser Druckverstärker 7 nur das erste Steuerventil 22 benötigt und auf ein zweites Steuerventil verzichtet werden kann. Die Verschaltung des Kolbens 30 bzw. des Kompressionsraums 33 des Arbeitsraums 35 und des Druckraums 34 ist identisch zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, während die hydraulische Verschaltung anders gelöst ist. Der Kompressionsraum 33 ist über die Befüllleitung 26a mit dem ersten Steuerventil 22 verbunden und wird in der linken Schaltstellung, die in 4 gezeigt ist, mit der Pumpe 3 verbunden. Ebenso ist der Arbeitsraum 35 über die Befüllleitung 26b mit der Pumpe 3 verbunden. Der Druckraum 34 ist über die Druckleitung 5b und das erste Steuerventil 22 mit der Rücklaufleitung 8b und damit dem Tank verbunden und entsprechend drucklos. Damit ergibt sich ein höherer Druck im Arbeitsraum 35 als im Druckraum 34, wodurch der Kolben 30 nach rechts in der angegebenen Pfeilrichtung in den Druckraum 34 hineingedrückt wird, bis der Kolben 30 über die mechanische Verbindung 38 das erste Steuerventil 22 betätigt, in gleicher Weise wie das zweite Steuerventil 23 im Ausführungsbeispiel der 2. Daraufhin wird das erste Steuerventil 22 in seine rechte Schaltposition bewegt, wie 5 zeigt, wodurch der Arbeitsraum 35 mit dem Tank verbunden wird und entsprechend drucklos ist, während der Druckraum 34 mit der Pumpe 3 verbunden wird. Im Druckraum 34 baut sich so der Vordruck der Pumpe 3 auf, und der Kolben 30 bewegt sich daraufhin in der angegebenen Pfeilrichtung in den Kompressionsraum 33 hinein. Der Abfluss aus dem Kompressionsraum 33 über die Befüllleitung 26 ist auch hier über ein Rücklaufventil 27 blockiert. Die Flüssigkeit aus dem Kompressionsraum 33 wird auch wieder über das Rückschlagventil 9 in den Hochdruckspeicher 10 gedrückt. Erreicht der Kolben 30 seine linke Schaltstellung, so betätigt er über die mechanische Verbindung 38 wieder das erste Steuerventil 22 und der Arbeitszyklus wiederholt sich.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckverstärkers 7 dargestellt. Neben dem ersten Steuerventil 22 sind hier ein erstes Schaltventil 24 und ein zweites Schaltventil 25 vorhanden, die als 2/2-Wegeventile ausgeführt sind. Die Verschaltung, wie sie 6 zeigt, ist wie folgt: Zur Befüllung des Druckverstärkers wird der Kompressionsraum 33 über die Befüllleitung 26a und das erste Steuerventil 22 mit der Rücklaufleitung 8a verbunden, die jedoch am zweiten Schaltventil 25 endet, da dieses geschlossen geschaltet ist. Über die Druckleitung 5 wird komprimierte Flüssigkeit durch die Pumpe 3 eingespeist und gelangt über die Befüllleitung 26a in den Kompressionsraum 33 und ebenso über die Befüllleitung 26b in den Arbeitsraum 35. Der Druckraum 34 ist über die Befüllleitung 26c und das erste Steuerventil 22 mit der Rücklaufleitung 8b verbunden und damit mit dem Tank 1 und folglich drucklos.
Wie schon bei den vorherigen beiden Ausführungsbeispielen beschrieben, bewegt sich daraufhin der Kolben 30 in den Druckraum 34 hinein, solange bis der Kolben 30 einen Schalter 41 betätigt und daraufhin das erste Schaltventil 24 und das zweite Schaltventil 25 betätigt, so dass beide Schaltventile 24, 25 in ihre rechte Schaltposition wechseln, wie in 7 dargestellt. Das erste Schaltventil 24 unterbricht die Ablaufleitung 8a und damit die Verbindung des Steuerventils 22 mit der Pumpe 3, während das zweite Schaltventil 25 die rechte Seite des Schaltventils 22 über die Steuerleitung 6b und die Rücklaufleitung 8b mit dem Flüssigkeitstank 1 verbindet und damit drucklos schaltet. Der Kompressionsraum 33 ist wegen des Rücklaufventils 27 von der Füllleitung 26a abgekoppelt, während der Arbeitsraum 35 über die Rücklaufleitung 8b mit dem Tank 1 verbunden wird und deshalb drucklos wird. Nachdem der Kolben 30 seinen Kompressionshub durchfahren hat und die Flüssigkeit über das Rückschlagventil 9 in den Hochdruckspeicher 10 gefördert hat, schalten die Schalter 40 und 41 getriggert durch den Kolben 30 erneut, und die beiden Schaltventile 24 und 25 schalten in ihre jeweils andere Position, so dass sich wieder der Zustand wie in 6 ergibt. Die beiden Schalter 40, 41 können beispielsweise elektromagnetisch ausgebildet sein, so dass der Kolben 30 in seiner entsprechenden Endposition über den ersten 40 bzw. zweiten Schalter 41 die Schaltventile 24, 25 betätigt. Diese beiden 2/2-Schaltventile 24, 25 ersetzen damit die Funktion des 3/2-Steuerventils 23 im Ausführungsbeispiel der 2.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckstrahls gezeigt, wobei sich diese Vorrichtung gegenüber der Vorrichtung der 1 nur dadurch unterscheidet, dass statt der Pumpe 3 ein Hochdruckreiniger 50 vorgesehen ist und dessen integrierte Pumpe verwendet wird. Hochdruckreiniger, wie sie seit langer Zeit gebräuchlich sind, verfügen über eine Pumpe, die einen Druck zwischen 100 bar (10 MPa) und 200 bar (20 MPa) erzeugen kann. Der so erzeugte Vordruck der Flüssigkeit lässt sich dem Druckverstärker 7 zuführen und dort um einen Faktor zwischen 1,5 und 15 verstärken, so dass sich letztlich ein Druck von weit über 1000 bar (100 MPa) erzeugen lässt, ohne dass eine entsprechend starke Hochdruckpumpe erforderlich ist. Bei entsprechend kompakten Aufbau des Druckverstärkers 7 und der übrigen Komponenten lässt sich so eine Wasserschneidvorrichtung zur Verfügung stellen, die sehr kompakt und kostengünstig herstellbar ist, da die Komponenten weitgehend Standardkomponenten sind, die aus anderen Bereichen der Technik bereits bekannt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014225247 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruck-Flüssigkeitsstrahls mit einer Pumpe (3) zur Verdichtung der Flüssigkeit auf einen Vordruck und einem Injektor (12) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls (15), der mit einem Hochdruckspeicher (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Druckverstärker (7) die auf Vordruck verdichtete Flüssigkeit auf einen höheren Arbeitsdruck verdichtet und dem Hochdruckspeicher (10) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (12) eine Düsenöffnung (14) und ein bewegliches Ventilelement (18) umfasst, wobei das Ventilelement (18) dazu ausgebildet ist, die Düsenöffnung (14) zu öffnen und zu schließen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor 12 eine Zufuhreinrichtung (19; 20) zur Zuführung eines abrasiven Mediums aufweist, welches sich im Injektor (12) oder unmittelbar nach dem Austritt des Flüssigkeitsstrahls (15) aus dem Injektor (12) mit der Flüssigkeit mischt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (3) einen Flüssigkeitsdruck von 100 bis 200 bar (10 bis 20 MPa) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (7) den durch die Pumpe (3) erzeugten Flüssigkeitsdruck um einen Faktor 1,5 bis 15 erhöht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverstärker (7) einen längsbeweglichen, gestuften Kolben (30) umfasst, der eine erste Stirnfläche (31) ausbildet und eine im Durchmesser kleinere zweite Stirnfläche (32), wobei die erste Stirnfläche (31) einen Druckraum (34) und die zweite Stirnfläche (32) einen Kompressionsraum (33) begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (31) an einem Druckabschnitt (30a) des Kolbens (30) ausgebildet ist, der mit seiner der ersten Stirnfläche (31) gegenüberliegenden Ringfläche (36) einen Arbeitsraum (35) begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (33) mit dem Hochdruckspeicher (10) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung vom Druckverstärker (7) zum Hochdruckspeicher (10) ein Rückschlagventil (9) angeordnet ist, das einen Flüssigkeitsfluss nur vom Druckverstärker (7) in den Hochdruckspeicher (10) erlaubt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (34) mit der Pumpe (3) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (35) über ein erstes Steuerventil (22) mit der Pumpe (3) oder mit einer Rücklaufleitung (8a; 8b) verbindbar ist, wobei in der Rücklaufleitung (8a; 8b) nur ein niedriger Druck oder Umgebungsdruck herrscht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (3) Teil eines Hochdruckreinigers (50) ist, über den die vorverdichtete Flüssigkeit dem Druckverstärker (7) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser ist.