DE10232622B4 - Liquid-filled pressure cylinder for static high-pressure technology - Google Patents
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Abstract
Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik mit einem druckdicht einsetzbaren Deckel und mit Mitteln zur statischen Druckerzeugung in der Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder sowie mit einem Manometer zur Überwachung des erzeugten Drucks und einem Entlüftungsventil, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur statischen Druckerzeugung eine Deckel-Kolben-Kombination (3) eingesetzt wird, die aus dem Deckel (9) und einem damit einstückig verbundenen, im Druckzylinder (1) über ein Dichtungssystem (11) druckdicht und in einer Passung geführten Kolben (10) aufgebaut ist, und dass die Deckel-Kolben-Kombination (3) über mehrere Schrauben (12) am Umfang des Deckels (9), die stirnseitig in die Wandung des Druckzylinders (1) eingreifen, mit dem Druckzylinder (1) unter veränderbarer Druckausübung des Kolbens (10) direkt auf die Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder (1) verschraubbar ist.Liquid-filled pressure cylinder for high-pressure static technology with a pressure-tight cover and with means for static pressure generation in the liquid filling in the pressure cylinder as well as with a pressure gauge for monitoring the pressure generated and a vent valve, characterized in that a cover-piston combination as a means for static pressure generation (3) is used, which is constructed from the cover (9) and a piston (10) which is integrally connected to it and which is pressure-tight and fits in the pressure cylinder (1) via a sealing system (11), and that the cover piston Combination (3) via several screws (12) on the circumference of the cover (9), which engage at the end in the wall of the pressure cylinder (1), with the pressure cylinder (1) while changing the pressure on the piston (10) directly on the liquid filling in the pressure cylinder (1) can be screwed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgefüllten Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik mit einem druckdicht einsetzbaren Deckel und mit Mitteln zur statischen Druckerzeugung in der Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder sowie mit einem Manometer zur Überwachung des erzeugten Drucks und einem Entlüftungsventil.The invention relates to a liquid-filled pressure cylinder for the static high-pressure technology with a pressure-tight cover and with means for static pressure generation in the liquid filling in the Pressure cylinder and with a pressure gauge to monitor the pressure generated and a vent valve.
Derartige Druckzylinder zum statischen Druckaufbau werden in der Messtechnik sowie für biologische Experimente eingesetzt. Beispielsweise zur Durchführung von Experimenten an druckadaptierten Organismen aus der Tiefsee werden in den Druckzylinder eingebrachte Proben hohen statischen Drücken ausgesetzt. Dabei erfolgt die Druckübertragung durch eine Flüssigkeit – im Allgemeinen Wasser –, mit der der Druckzylinder gefüllt ist und in die die Proben eingebracht werden. Der erzeugte hohe statische Druck wird während der Messungen über einen längeren Zeitraum konstant aufrechterhalten. Zu unterscheiden sind derartige Druckzylinder zum statischen Druckaufbau für Messzwecke grundsätzlich von den Druckzylindern zur Verrichtung von Arbeit, die über einen dynamischen Druckauf- und -abbau einen Arbeitskolben antreiben.Such pressure cylinders for static pressure build-up are used in measurement technology and for biological experiments. For example, for implementation of experiments on pressure-adapted organisms from the deep sea samples placed in the pressure cylinder are exposed to high static pressures. The pressure is transferred through a liquid - in general Water -, with which the impression cylinder is filled and into which the samples are introduced. The generated high static pressure is during of measurements over a longer one Maintain period constant. A distinction must be made between such Pressure cylinders for static pressure build-up for measuring purposes basically from the pressure cylinders for performing work that takes place over a driving a working piston dynamic pressure build-up and release.
Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird von der in den entsprechenden Forschungslaboren üblichen Messtechnik gebildet. Diese besteht in der Regel aus einem einfachen Druckzylinder, der ein relativ kleines Fassungsvermögen von nur einigen 100 cm3 Flüssigkeitsfüllung hat, und einem externen Mittel zur statischen Druckerzeugung. Hierbei handelt es sich oft um handbetätigte Hochdruckpumpen, die an den Druckzylinder angeschlossen werden. Derartige Pumpen werden beispielsweise von der Firma „Enerpac" angeboten (vgl. http://www.enerpac.com, P-11 series „Ultra high Pressure Hand Pumps und online-Katalogseiten 64/65, Stand 24.06.2002). Nachteilig bei diesem üblichen, relativ aufwändigen Aufbau eines Druckzylinders mit einer externen Pumpvorrichtung als Druckerzeuger ist – neben den hohen Gerätekosten – die erforderliche Verwendung von hochdruckfesten Verbindungselementen zwischen Druckzylinder und Pumpe. Zur Aufrechterhaltung des hohen Druckes ist die Handpumpe entweder dauerhaft am Druckzylinder zu belassen oder im Bedarfsfall immer wieder anzuschließen. Außerdem fördern derartige Handpumpen ein relativ großes Pumpvolumen pro Hub, sodass bei relativ kleinen Druckzylindervolumina eine genaue Druckeinstellung durch eine Hubdosierung nur schwer möglich ist.The state of the art, from which the present invention is based, is formed by the measurement technology customary in the corresponding research laboratories. This usually consists of a simple pressure cylinder, which has a relatively small capacity of only a few 100 cm 3 of liquid filling, and an external means for static pressure generation. These are often hand-operated high-pressure pumps that are connected to the pressure cylinder. Such pumps are offered, for example, by the company "Enerpac" (cf. http://www.enerpac.com, P-11 series "Ultra high Pressure Hand Pumps and online catalog pages 64/65, as of June 24, 2002). Disadvantageous at This usual, relatively complex construction of a pressure cylinder with an external pump device as a pressure generator - in addition to the high equipment costs - requires the use of high-pressure-resistant connecting elements between the pressure cylinder and the pump In addition, such hand pumps promote a relatively large pump volume per stroke, so that with relatively small pressure cylinder volumes, precise pressure adjustment by means of stroke metering is difficult.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, einen flüssigkeitsgefüllten Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass eine einfache und kostengünstige Vorrichtung entsteht, die ohne aufwändige Zusatzelemente sehr genau und dauerhaft die Erzeugung hoher statischer Drücke im Druckzylinder ermöglicht.The object for the present invention can therefore be seen in a liquid-filled pressure cylinder for the to further develop high-pressure static technology of the type described at the outset, that simple and inexpensive Device arises that is very precise without complex additional elements and permanently enables the generation of high static pressures in the pressure cylinder.
Als Lösung hierfür ist bei einem gattungsgemäßen Druckzylinder erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Mittel zur statischen Druckerzeugung eine Deckel-Kolben-Kombination eingesetzt wird, die aus dem Deckel und einem damit einstückig verbundenen, im Druckzylinder über ein Dichtungssystem druckdicht und in einer Passung geführten Kolben aufgebaut ist, und dass die Deckel-Kolben-Kombination über mehrere Schrauben am Umfang des Deckels, die stirnseitig in die Wandung des Druckzylinders eingreifen, mit dem Druckzylinder unter veränderbarer Druckausübung des Kolbens direkt auf die Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder verschraubbar ist.The solution to this is in a generic pressure cylinder provided according to the invention that a lid-piston combination as a means of generating static pressure is used, which consists of the lid and an integral, in the impression cylinder a sealing system built pressure-tight and in a fit guided piston and that the cover-piston combination has several screws on the circumference of the cover, which engage on the face side in the wall of the printing cylinder, with the pressure cylinder under changeable exerting pressure of the piston directly onto the liquid filling in the Printing cylinder is screwable.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckzylinder ist das Mittel zur Druckerzeugung auf einfache Weise integriert. Durch die Kombination des Deckels des Druckzylinders mit einem im Zylinder geführten Kolben werden die ohnehin erforderlichen Mittel zum Verschluss des Druckzylinders und zur Drucker zeugung auf einfache und preiswerte, aber sehr wirkungsvolle Weise vereinigt. Eine externe Druckversorgung und zusätzliche Verbindungsteile entfallen. Die Handhabung des Druckzylinders wird wesentlich vereinfacht, trotzdem kann der Hochdruck sehr genau eingestellt und auch dauerhaft problemlos gehalten werden. Gerade eine derartig einfache und robuste, aber zuverlässige Messvorrichtung ist in besonderer Weise zu Forschungszwecken, auch an Bord von Forschungsschiffen mit permanentem Platzmangel, vorteilhaft einsetzbar.In the printing cylinder according to the invention integrated the means for generating pressure in a simple manner. By the combination of the cover of the impression cylinder with one in the cylinder out Pistons are the means necessary to close the piston anyway Printing cylinder and for printing on simple and inexpensive, but united very effectively. An external pressure supply and additional Connection parts are omitted. The handling of the impression cylinder is considerably simplified, nevertheless the high pressure can be set very precisely and can also be kept permanently without problems. Just one of those simple and robust but reliable measuring device is in special way for research purposes, also on board research ships with permanent lack of space, can be used advantageously.
Mit dem Druckzylinder nach der Erfindung mit integrierter Druckerzeugung sind statische Drücke in der Flüssigkeit von Atmosphärendruck bis weit über 1,0·108 Pa problemlos erzeugbar. Zur Aufrechterhaltung derartig hoher Drücke ist ein entsprechendes Dichtsystem zwischen dem axial verstellbaren Kolben und der Innenwandung des Druckzylinders erforderlich. Unterschiedliche Systeme für derartig hohe Anforderungen sind am Markt bekannt. Bei einer einfachen Ausführung kann es sich gemäß einer Erfindungsausgestaltung darum handeln, dass das Dichtungssystem zwei zueinander beabstandete Runddichtringe am Kolbenende aufweist. Diese werden in Nuten am Kolben eingelegt und bei dessen Verstellung minimal auf Schiebung belastet, was derartigen Runddichtringen aber ohne Weiteres zumutbar ist. Ein solches Dichtungssystem ist denkbar einfach, erfüllt aber die gestellten Anforderungen. Ebenfalls für die hohen Drücke ausgelegt sein muss die Verschraubung der Deckel-Kolben-Kombination mit dem Druckzylinder. Nach entsprechender Berechnung aus der Mechanik ist diese ohne Weiteres auszulegen. Ausreichend und besonders einfach ist es, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zumindest vier Schrauben gleichmäßig am Umfang des Deckels verteilt angeordnet sind. Eine Höherdimensionierung, beispielsweise mit acht Schrauben, ist aber ebenfalls möglich. Je mehr Schrauben am Umfang verteilt sind, desto besser kann der statische Innendruck durch fortlaufendes Nachstellen der einzelnen Schrauben in gleichmäßiger Weise erreicht werden. Bei den einzustellenden hohen statischen Drücken ist es vorteilhaft, zur Vermeidung von Unfällen die Deckel-Kolben-Kombination gegen Heraus drücken zu sichern. Dies kann in einfacher Weise erfolgen, wenn nach einer nächsten Erfindungsfortführung der Deckel an seiner Außenseite von einem Sicherheitsbügel gesichert ist. Dieser kann ebenfalls über Verschraubungen oder beispielsweise über entsprechende Schellen befestigt sein.With the pressure cylinder according to the invention with integrated pressure generation, static pressures in the liquid from atmospheric pressure to well over 1.0 · 10 8 Pa can be easily generated. A corresponding sealing system between the axially adjustable piston and the inner wall of the pressure cylinder is necessary to maintain such high pressures. Different systems for such high requirements are known on the market. According to an embodiment of the invention, a simple embodiment can involve the sealing system having two round sealing rings spaced apart from one another at the piston end. These are inserted into grooves on the piston and, when it is adjusted, are subjected to a minimal amount of movement, which is, however, readily reasonable for such O-rings. Such a sealing system is very simple, but fulfills the requirements. The screw connection of the cover-piston combination to the pressure cylinder must also be designed for the high pressures. After a corresponding calculation from the mechanics, this is easily done set. It is sufficient and particularly simple if, according to a further embodiment of the invention, at least four screws are arranged distributed uniformly on the circumference of the cover. A higher dimensioning, for example with eight screws, is also possible. The more screws are distributed around the circumference, the better the static internal pressure can be achieved by continuously adjusting the individual screws in a uniform manner. With the high static pressures to be set, it is advantageous to secure the cover-piston combination against being pushed out to avoid accidents. This can be done in a simple manner if, after the next invention, the cover is secured on its outside by a safety bracket. This can also be fastened via screw connections or, for example, via appropriate clamps.
Die bei den hohen statischen Drücken zu untersuchenden Proben werden entweder direkt in die Flüssigkeitsfüllung, bei der es sich bevorzugt um einfaches Wasser handeln kann, oder innerhalb druckempfindlicher Behälter, beispielsweise Weichkunststoftröhrchen, eingebracht. Oftmals befinden sich organische oder anorganische Partikel in den flüssigen Proben, deren Verhalten unter Druckeinwirkung beobachtet werden soll. Zur Beobachtung ist es vorteilhaft, wenn – wie bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung – ein Sichtfenster in die Wandung des Druckzylinders integriert ist. Der Einbau von Sichtfenstern in Hochdruckzylinder ist eine gängige Technik, die sicher beherrscht wird. Der Hochdruckzylinder selbst besteht in der Regel aus Edelstahl. Gemäß einer weiteren Erfindungsausführung ist es auch möglich, dass der Druckzylinder aus einem druckfesten, transparenten Material besteht. Bei einer transparenten Ausführung, die einen besseren Einblick in das Zylinderinnere ermöglicht, kann der Druckzylinder bei einer entsprechenden Dimensionierung aus Glas gefertigt sein. Glaszylinder mit halbkugelförmigen Endkappen werden vielfach bei Unterwasseranwendungen bis über 0,6·108 Pa eingesetzt. Die Verschraubung mit der Deckel-Kolben-Kombination erfolgt bei einer transparenten Ausführung nicht direkt in die Zylinderstirnseite, sondern beispielsweise über Spannbänder, die über den Zylinderboden verlaufen und den Druckzylinder umschließen.The samples to be examined at the high static pressures are either introduced directly into the liquid filling, which can preferably be simple water, or inside pressure-sensitive containers, for example soft plastic tubes. There are often organic or inorganic particles in the liquid samples, the behavior of which should be observed under pressure. For observation, it is advantageous if - as in another embodiment of the invention - a viewing window is integrated in the wall of the printing cylinder. The installation of viewing windows in high-pressure cylinders is a common technique that is safely mastered. The high pressure cylinder itself is usually made of stainless steel. According to a further embodiment of the invention, it is also possible for the printing cylinder to consist of a pressure-resistant, transparent material. In the case of a transparent design, which allows a better view of the interior of the cylinder, the printing cylinder can be made of glass with appropriate dimensions. Glass cylinders with hemispherical end caps are widely used in underwater applications up to over 0.6 · 10 8 Pa. In the case of a transparent version, the screw connection with the cover-piston combination does not take place directly into the end face of the cylinder, but rather, for example, via tensioning straps that run over the cylinder base and enclose the pressure cylinder.
Desweiteren kann der Druckzylinder nach der Erfindung neben der hydrostatischen Durchführung für das Manometer und die Entlüftung auch vorteilhaft zumindest eine druckdichte elektrische Durchführung aufweisen. Somit können im Inneren des Druckzylinders unter statischem Hochdruck auch elektrische Komponenten betrieben und geprüft werden.Furthermore, the printing cylinder according to the invention in addition to the hydrostatic implementation for the manometer and the vent also advantageously have at least one pressure-tight electrical feedthrough. So you can inside the pressure cylinder under static high pressure also electrical Components operated and checked become.
Der in erster Linie für Versuchszwecke vorgesehene Druckzylinder nach der Erfindung, mit dem keine Arbeit verrichtet werden soll, zeigt in der Regel eher kleinere Abmessungen. Bei einer Länge von ungefähr 550 mm und einem Außendurchmesser von 70 mm und einem Innendurchmesser von 16 mm kann er gemäß einer anderen Erfindungsfortführung ein Volumen im Bereich von 100 cm3 aufweisen. In der entsprechend geringen Flüssigkeitsfüllung sind einerseits ausreichende Menge von Proben unterbringbar, andererseits sind die erforderlichen hohen statischen Drücke unter Berücksichtigung der Flüssigkeitskompressibilität schnell und einfach erzeugbar. Mit diesen Abmessungen ist der Druckzylinder gut handhabbar. M10-Schrauben können zur druckerzeugenden Verschraubung der Deckel-Kolben-Kombination eingesetzt werden. Eine Verbesserung der Handhabung ergibt sich noch, wenn entsprechend einer nächsten Erfindungsfortführung der Druckzylinder drehbar um seine radiale Achse an einem Haltegestell angeordnet ist. Somit kann der Druckzylinder entsprechend den vorzunehmenden Arbeitsschritte, beispielsweise Befüllen, Vorverschrauben, Entlüften, Endverschrauben etc., jeweils optimal positioniert werden. Weitere Details sind der speziellen Beschreibung zu entnehmen.The pressure cylinder according to the invention, which is primarily intended for experimental purposes and with which no work is to be carried out, generally shows rather smaller dimensions. With a length of approximately 550 mm and an outer diameter of 70 mm and an inner diameter of 16 mm, it can have a volume in the range of 100 cm 3 according to another invention. On the one hand, a sufficient amount of samples can be accommodated in the correspondingly low liquid filling, and on the other hand the required high static pressures can be generated quickly and easily, taking liquid compressibility into account. With these dimensions, the printing cylinder is easy to handle. M10 screws can be used to pressurize the cover-piston combination. An improvement in handling still arises if, in accordance with a next invention continuation, the pressure cylinder is arranged rotatably about its radial axis on a holding frame. Thus, the pressure cylinder can be optimally positioned in accordance with the work steps to be carried out, for example filling, pre-screwing, venting, final screwing, etc. Further details can be found in the special description.
Eine Ausbildungsform der Erfindung wird zu deren weiterführendem Verständnis nachfolgend anhand einer schematischen Figur, die einen Schnitt durch den Druckzylinder und die Deckel-Kolben-Kombination nach der Erfindung zeigt, einer Funktionsbeschreibung und eines Dimensionierungsbeispiels für einen gebauten Prototypen näher erläutert.A form of training of the invention becomes their continuation understanding below with reference to a schematic figure, which shows a section through the pressure cylinder and the cover-piston combination according to the invention shows a functional description and a dimensioning example for one built prototypes explained.
Die Figur zeigt im Querschnitt einen
Druckzylinder
Die Deckel-Kolben-Kombination
Das gewählte Ausführungsbeispiel bezieht sich
auf einen beim Anmelden gefertigten Prototypen, der auch bereits
mehreren Funktionstests unterzogen wurde. Der Prototyp hat einen
Druckzylinder
Die Schrauben
Im Folgenden folgt eine kurze Funktionsbeschreibung
des Druckzylinders mit integrierter Druckerzeugung nach der Erfindung
zur Versuchsdurchführung:
Der
Druckzylinder
The impression cylinder
Berechnung der Schraubenkräfte und
des Kolbenweges für
den als Prototypen gefertigten Druckzylinder mit integrierter Druckerzeugung
nach der Erfindung
Kolbendurchmesser d = 16 mm
Kolbenfläche A =
d2 × π/4 = 2 cm2
Druckzylinderlänge = 550 mm
Nutzylinderlänge
Zylindervolumen bei Normaldruck V = I × A = 107
cm3 Calculation of the screw forces and the piston travel for the printing cylinder manufactured as a prototype with integrated pressure generation according to the invention
Piston diameter d = 16 mm
Piston area A = d 2 × π / 4 = 2 cm 2
Printing cylinder length = 550 mm
Nutzylinderlänge
Cylinder volume at normal pressure V = I × A = 107 cm 3
Bei einem Druck von p = 0,6·108 Pa = 6 kN/cm2 wirkt auf die Kolbenfläche von A = 2 cm2 eine Kraft von ca. 12 kN. Bei einer gleichmäßigen Kraftverteilung auf acht Schrauben wird damit jede Schraube mit ca. 1,5 kN belastet.At a pressure of p = 0.6 x 10 8 Pa = 6 kN / cm 2 acts on the piston area of A = 2 cm 2, a force of about 12 kN. With an even force distribution on eight screws, each screw is loaded with approx. 1.5 kN.
Kompressibilität α von Wasser im Bereich zwischen
0,4·108 Pa und 0,6·108 Pa
bei
20°C = 0,000044
l/1·105 PaCompressibility α of water in the range between 0.4 · 10 8 Pa and 0.6 · 10 8 Pa
at 20 ° C = 0.000044 l / 1 · 10 5 Pa
Volumenänderung ΔV des Volumens V bei einer Druckerhöhung auf
p =
0,6·108Pa = ΔV
= V × α × p = 2,83
cm3 Volume change ΔV of volume V when the pressure is increased to p =
0.6 · 10 8 Pa = ΔV = V × α × p = 2.83 cm 3
Daraus ergibt sich ein Kolbenverstellweg = Δ/A = 1,415 cm.This results in a piston adjustment path = Δ / A = 1.415 cm.
Bei einer angestrebten Erhöhung des statischen Druckes im Druckzylinder auf 0,6·108 Pa (600 bar) ist also der Kolben um 1,415 cm in den Druckzylinder hineinzudrücken. Dies ist über das gleichmäßige Anziehen der Schrauben problemlos möglich. Der Prototyp zeigte eine gute Handhabbarkeit und volle Funktionalität. Der statische Hochdruck wurde über mehrere Tage gehalten.If the static pressure in the pressure cylinder is increased to 0.6 · 10 8 Pa (600 bar), the piston must be pushed into the pressure cylinder by 1.415 cm. This is easily possible by tightening the screws evenly. The prototype showed easy handling and full functionality. The static high pressure was maintained for several days.
- 11
- Druckzylinderpressure cylinder
- 22
- Wasserwater
- 33
- Deckel-Kolben-KombinationCover piston combination
- 44
- Probenröhrchensample tubes
- 55
- Probesample
- 66
- DurchgangsbohrungThrough Hole
- 77
- Manometermanometer
- 88th
- Entlüftungsventilvent valve
- 99
- Deckelcover
- 1010
- Kolbenpiston
- 1111
- Dichtungssystemsealing system
- 1212
- Schraubescrew
- 1313
- Gewindebohrungenthreaded holes
- 1414
- Stirnseitefront
- 1515
- Schelleclamp
- 1616
- Bohrungdrilling
- 1717
- RunddichtringO-ring
- 1818
- RunddichtringO-ring
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