DE1806848B2 - Kolben zur erzeugung extrem hohen drucks - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kolben ^ur Erzeugung fcxtrem hohen Drucks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einem bekannten Kolben dieser Art (US-PS 29 61 278) ist das zur axialen Führung der beiden relativ Zueinander beweglichen Kolbenteile dienende Kernelement einstückig entweder mit dem Kolbenbasisteil oder aber mit dem Kolbenkopf verbunden, so daß dadurch ein pilzförmiges Glied geschaffen ist, dessen das Kernelement darstellender Schaft unter Zwischenlage der plastisch verformbaren Ringpackung in einer entsprechend ausgebildeten Mittelbohrung des betreffenden anderen, in diesem Fall dann etwa U-förmig ausgebildeten Kolbenteils aufgenommen und geführt ist. Hierbei sind sämtliche Teile fest miteinander verbunden, und zwar beispielsweise mittels einer Dehnungsschraube, die sowohl Kolbenbasisteil als auch Kernelement Und Kolbenkopf durchsetzt. Durch den auf den Kopf des jeweiligen pilzförmigen Gliedes wirkenden axialen Druck wird ein dichter Abschluß zwischen der Ringpackung und den hieran angrenzenden Stirnflächen Von Kolbenkopf und Kolbenbasisteil bewirkt. Gleichzeitig wird die Ringpackung in radialer Richtung verformt und legt sich dicht um den das Kernelement darstellenden Schaft des pilzförmigen Gliedes und an die Innenwand des Zylinders. Die radiale Verformung wird in dem angestrebten Ausmaß dadurch erreicht, daß der auf den Kopf des pilzförmigen Gliedes wirkende Druck auf die wesentlich kleinere Ringfläche der Packung übertragen wird und dort eine stark erhöhte Flächenpressung erzeugt.

Zwischen der Ringpackung und den angrenzenden Flächen bzw. Teilen, d. h. dem Zylinder, dem Kolben und dem Kolbenbasisteil, können Stützringe, die beispielsweise aus hochbelastbarem Kupfer bestehen, angeord net sein. Auf diese Weise wird die einwandfreie Dichtungsfunktion der Ringpackung sichergestellt, weil unzulässige Verformungen und Quetschungen der Ringpackung vermieden werden.

Mit einer derartigen Konstruktion des bekannten Kolbens kann jedoch das sich aufgrund des Kerb- oder Abschereffektes ergebende Brechen des pilzförmigen Gliedes nicht verhindert werden. Die Bruchstelle liegt hierbei, wenn der bekannte Kolben bei hohem Druck eingesetzt wird, an der Stelle, an welcher der Kopf des pilzförmigen Gliedes in den Schaft kleineren Durchmessers übergeht Wenn aber während des Betriebes ein Brechen des pilzförmigen Gliedes erfolgt, führt das Sichlösen des den größeren Durchmesser aufweisenden Kopfes des pilzförmigen Gliedes von der Ringpackung ebenso wie die asüale Relativbewegung zwischen den Schaft des pilzförmigen Gliedes und der Ringpackung in den Bereich der Bruchstelle notwendigerweise dazu, daß die Dichtungswirkung der gesamten Einrichtung sofort verschlechtert wird und damit das einwandfreie Arbeiten der Einrichtung verlorengeht. Derartige bekannte Kolben sind deshalb in ihrem Gebrauch auf Flüssigkeitsdrucke von maximal einigen tausend Atmosphären beschränkt.

Zur Verbesserung wurde vom Erfinder bereits ein Kolben vorgeschlagen (JA-PS 33 24-67), dessen Konstruktion der oben beschriebenen ähnelt, mit dem Unterschied jedoch, daß der Schaft des jeweils vorgesehenen pilzförmigen Gliedes mit dessen Kopf unter Zwischenfügung eines konischen Teils verbunden ist, das für einen stetigen Übergang des Durchmessers des Pilzkopfes auf den Durchmesser des Pilzschaftes sorgt. Ferner sind um das konische Teil des pilzförmigen Gliedes ein Stützring und eine Hilfspackung vorgesehen, die aus einem Material, beispielsweise synthetischem Gummi, besteht, das in Längsrichtung einen verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul besitzt. Weiterhin ist eine Hauptpackung vorgesehen, die aus plastisch verformbarem Kunstharz besteht, so daß die Hauptpackung unter extrem hohem Druck hydrostatisch wird. Der Innendurchmesser der Hauptpackung ist dabei geringfügig größer als der Außendurchmesser des Schaftes des pilzförmigen Gliedes. Um den Schaft sind ferner Kupferpackungen gelegt, so daß diese beispielsweise zwischen dem Stützring und der Stirnfläche des Kolbenbasisteils übereinanderliegen.

Ein derartiger Kolben kann unter extrem hohem Druck, beispielsweise zwischen 7000 und 15 000 at oder mehr benutzt werden, ohne daß die Konstruktion der Einrichtung kompliziert wird, was einen wertvollen Beitrag zur industriellen Anwendung extrem hoher Drücke darstellt. Es kann aber auch bei diesem verbesserten Kolben ein Bruch des pilzförmigen Gliedes nicht vermieden werden, wenn der Kolben zur Erzeugung von Drücken oberhalb von 20 000 at oder mehr benutzt werden soll.

Auf der Suche nach den Ursachen, die zu dem Bruch des pilzförmigen Gliedes unter hohem Flüßigkeitsdruck führen, stellte sich heraus, daß gleichzeitig mit einer ungewöhnlich konzentrierten axialen Spannung in dem pilzförmigen Glied an der Sprungstelle des Durchmessers radiale Druckkräfte auftreten, wenn der Kolben bei hohem Druck benutzt wird. Es tritt daher ein Kerb- oder Abschereffekt ein, sobald die axialen Zugspannungen in dem pilzförmigen Glied dessen Belastbarkeitsgrenze überschreiten.

Ausgehend hiervon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Kolben der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sowohl bei Kolbenkopf als auch bei Kolbenbasisteil durch eine Durchmesserverrin-

jerung bewirkte schulterartige Übergänge vermieden sind, um dadurch den Kolben zur erzeugung extrem hoher Drücke von wenigstens 20 000 at verwenden zu können, ohne daß sich die Gefahr des Auftretens eines Kerb- oder Abschereffektes ergibt

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Aufgrund des Umstandes, daß beim erfindungsgemäßen Kolben das Kernelement weder mit dem Kolbenbasisteil starr verbunden ist, ist gewährleistet, daß dieses Kernelement stets diejenige Lage einnimmt, in der die beste Dichtungswirkung zwischen der Ringpackung und dem Kernelement erzielt wird, und zwar unabhängig von Deformationen oder Spannungen, die in einem der beiden genannten Teile, nämlich Kolbenkopf oder Kolbenbasisteil, beim Betrieb des Kolbens auftreten können.

Zur Vereinfachung des Zusammenbaus und des Zerlegens kann hierbei das Kernelement an seinen beiden Enden als Halterung ein entsprechend dimensioniertes Gewinde aufweisen, das lose in entsprechend geschnittene Gewinde der miteinander fluchtenden Mittelbohrungen von Kolbenkopf und Kolbenbasisteil eingreift. Die Gewinde sind dabei so gestaltet, daß eine kleine axiale Bewegung des Kernelementes gegenüber dem Kolbenkopf und dem Kolbenbasisteil end somit auch gegenüber der Ringpackung möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt jeweils im Längsschnitt in:

F i g. 1 einen bekannten Kolben und

F i g. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist bei dem bekannten Kolben ein Kolbenbasisteil 1 verschieblich in einem Zylinder 2 angeordnet. Durch Vortrieb des Kolbenbasisteils 1 kann in einer im Zylinder 2 enthaltenden Flüßigkeit 3 hoher Druck erzeugt werden. Vor dem Kolbenbasisteil 1 liegt ein hohles Zwischenstück 4 aus beispielsweise hochbelastbarem Stahl, das am Kolbenbasisteil 1 befestigt ist. Vor dem Zwischenstück 4 liegt ein Kolbenkopf 5, der pilzförmig ausgebildet ist und ein schaftartiges Kernelement 5' verringerten Durchmessers aufweist. Der pilzförmige Kolbenkopf 5 dient zur Aufnahme des von der Flüßigkeit 3 bewirkten Gegendruckes. Das mit dem Kolbenkopf 5 einstückige Kernelement 5' ist lose verschieblich in die axiale Mittelbohrung des Zwischenstücks 4 eingefügt. In eine axiale Gewindebohrung am Ende des Kernelementes 5' ist eine Schraube 6 eingeschraubt, die durch eine Durchgangsbohrung 4' des Zwischenstückes 4 hindurchgeführt ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß das Kernelement 5' des Kolbenkopfes 5 aus der Mittelbohrung des Zwischenstückes 4 herausgezogen wird. Eine geringe axiale Bewegung des Kolbenkopfes S gegenüber dem Zwischenstück 4 ist jedoch möglich. Das Kernelement 5 des Kolbenkopfes 5 durchsetzt eine Ringpackung 7 aus beispielsweise Leder. Die Ringpakkung 7 liegt zwischen der durch die Stirnfläche des Zwischenstückes 4 gebildeten Ringfläche und der Schulter des Kolbenkopfes 5. Mit ihrer äußeren Umfangsfläche liegt die Packung 7 an der Innenwand des Zylinders 2 und mit ihrer inneren Umfangsfläche an der Außenfläche des Kernelementes 5' an.

Längs der äußeren Kanten der Ringpackung 7 sowie längs der sich auf der Stirnfläche des Zwischenstückes 4 abstützenden inneren Kante sind Stüf.ringe 8,8' V₁JId 8" aus beispielsweise Phosphorbronze angeordnet, die einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Sie dienen der Verhinderung unzuläßiger Verformungen oder Quetschungen der Ringpackung 7 und sichern damit deren einwandfreie Dichtungsfunktion. Durch den Hub des Kolbenbasisteils 1 wird eine Gegenkraft der Flüßigkeit 3 erzeugt, die auf die der Flüßigkeit 3 zugekehrte Stirnfläche des Kolbenkopfes 5 einwirkt Diese auf den Kolbenkopf 5 ausgeübte Kraft wird auf die Ringpakkung 7 übertragen, deren Fläche bedeutend kleiner ist als die den Gegendruck der Flüßigkeit 3 aufnehmende Fläche des Kolbenkopfes 5. Hierdurch werden die Druckkräfte, die auf die Ringpackung 7 ausgeübt werden, erheblich gesteigert, so daß sich dadurch auch die radiale Ausdehnung der Ringpackung 7 vergrößert und damit ein dichter Abschluß zwischen Innenwand des Zylinders 2 und äußerer Umfangsfläche der Ringpackung 7 erreicht wird, ebenso wie zwischen deren innerer Umfangsfläche und der Außenfläche des Kernelementes 5'. Gleichzeitig wird auch ein dichter Abschluß zwischen der Schulter des Kolbenkopfes 5, der Ringpackung 7 und der Stirnfläche des Zwischenstückes 4 erzielt.

Da jedoch, wie schon erwähnt, beim Vortrieb des Kolbenbasisteils 1 der Druck in der Flüßigkeit 3 ansteigt, treten im Bereich A des Kolbenkopfes 5 starke Spannungskonzentrationen auf. Gleichzeitig werden in dem Verbindungsbereich zwischen Kernelement 5' und Kolbenkopf 5 radiale Druckkräfte erzeugt, so daß beim Erreichen eines Flüßigkeitsdruckes von einigen tausend Atmosphären ein Bruch eintritt. Die hier als Pinch- oder Kerbeffekt bezeichnete Erscheinung wirkt sich also im Bereich A aus.

Das Brechen des Kolbenkopfes 5 hat eine Leckage von Flüßigkeit 3 zur Folge, so daß der Druck der Flüßigkeit 3 sehr schnell abnimmt und der Kolben wertlos wird.

Diese Nachteile werden durch den Kolben gemäß F i g. 2 beseitigt, bei dem das Auftreten des obengenannten Effektes theoretisch und konstruktionsmäßig vermieden ist.

Hierbei ist ebenso wie in F i g. 1 ein der Erzeugung des Flüßigkeitsdrucks dienendes Kolbenbasisteil verschieblich in einen Zylinder 2 eingepaßt, so daß es bei axialem Vortrieb die Flüßigkeit 3 im Zylinder 2 zusammenpreßt. Innerhalb des Zylinders 2 liegt vor dem Kolbenbasisteil 1 ein hieran befestigtes Zwischenstück 9, das hohlzylindrisch ausgebildet ist und aus einem hochbelastbaren Material, beispielsweise aus hochfestem Stahl oder Wolframkarbid, besteht. Das Zwischenstück 9 ist mit einer mittigen Durchgangsbohrung 9' versehen. Ein der Aufnahme des Druckes dienender Kolbenkopf 10, der aus einem hochbelastbarem Material, beispielsweise Stahl oder Wolframkarbid, besteht und in seinem Durchmesser dem Zylinder 2 entspricht, ist vor dem Zwischenstück 9 verschieblich im Zylinder 2 angeordnet. Der Kolbenkopf 10 ist mit einer mittigen Sackbohrung 10' versehen, die in Richtung auf das Zwischenstück 9 ausmündet. Zwischen den Elementen 9, 10 liegt eine Ringpackung 11, die aus einem Material, wie Fluorharz, Tetrafluoräthylen od. dgl., besteht, das unter extrem hohem Druck selbstschmierend und hydrostatisch wird. Ferner ist ein als separates Bauteil ausgebildestes Kernelement 12, das einen kleineren Durchmesser als der Kolbenkopf 10 aufweist, konzentrisch im Zylinder 2 angeordnet, wobei sein eines Ende lose in der Sackbohrung 10' des Kolbenkopfes 10 gehaltert ist, während sein anderes Ende sich lose in die

Mittelbohrung 9' des Zwischenstückes 9 erstreckt und dort ebenfalls gehaltert ist. Das ICernelement 12 weist an seinem einen Ende eine Halterung 12' beispielsweise in Form eines Gewindes auf, das lose mit einer entsprechend dimensionierten Halterung 10", beispielsweise ebenfalls einem Gewinde in der Sackbohrung 10' zusammenwirkt. Hierdurch wird verhindert, daß das Kernelement 12 aus der Sackbohrung 10' herausgezogen wird, wenn es sich axial gegenüber dem Kolbenkopf

10 um eine kleine Strecke bewegt. Gleichzeitig werden aber auch der Zusammenbau oder das Zerlegen der Druckerzeugungseinrichtung erleichtert. In gleicher Weise ist auch das andere Ende des Kernelementes 12 mit Verbindungsmitteln 12", beispielsweise einem Gewinde, versehen, um den Zusammenbau und das Zerlegen der Einrichtung zu erleichtern und gleichzeitig auch an diesem Ende des Kernelementes 12 ein axiales Spiel zu gewährleisten.

Die äußere Umfangsfläche der Ringpackung 11 berührt die Innenwand des Zylinders 2, während die innere Umfangsfläche der Ringpackung 11 die Außenfläche des Kernelementes 12 berührt.

Wenn nun das Kolbenbasisteil 1 zum Zusammenpressen der Flüßigkeit 3 im Zylinder 2 vorgetrieben wird, wirkt der Gegendruck der Flüßigkeit 3 auf den Kolbenkopf 10, so daß die Ringpackung 11 axial mit einem Druck zusammengepreßt wird, der wesentlich größer ist als der in der Flüßigkeit 3 aufgrund des Vortriebs des Kolbenbasisteils 1 erzeugte Druck. Dies ist auf den Unterschied zwischen der wirksamen Fläche des Kolbenkopfes 10 und derjenigen der Ringpackung

11 zurückzuführen, wie dies auch bei dem bekannten Kolben gemäß F i g. 1 der Fall war. Auf diese Weise wird ein dichter Abschluß zwischen den Elementen 9,10 und der Ringpackung 11 erreicht. Gleichzeitig dehnt sich die Ringpackung 11 unter der Wirkung vergrößerten Druckes radial aus, wodurch sich der Dichtungseffekt zwischen der Innenwand des Zylinders 2 und der äußeren Umfangsfläche der Ringpackung 11 ebenso wie zwischen der inneren Umfangsfläche der Ringpackung 11 und der Außenfläche des Kernelementes 12 erhöht.

Da das Kernelement 12 weder mit dem Zwischenstück 9 noch mit dem Koibenkopf 10 oder dem

ίο Kolbenbasisteil 1 fest verbunden ist und somit nicht direkt dem Gegendruck der Flüßigkeit 3 unterworfen wird, kann es sich relativ zum Kolbenkopf 10 und zum Zwischenstück 9 bewegen. Auf diese Weise wird ein dichter Abschluß zwischen dem Kernelement 12 und der Ringpackung 11 selbst dann aufrechterhalten, wenn Verformungen oder Verschiebungen des Kolbenkopfes 10 unter der Wirkung des durch den Vortrieb des Kolbenbasisteils 1 erzeugten Gegendruckes der Flüßigkeit 3 auftreten.

Wie bei dem bekannten Kolben können, wie F i g. 2 zeigt, an den Kanten der Ringpackung 11 Stützringe 8. 8' und 8" vorgesehen sein. Diese besitzen einer dreieckförmigen Querschnitt und sind aus einen" Material, beispielsweise Berylliumkupfer, hergestellt das hochbelastbar ist und unter hohem Druck selbstschmierend wirkt. Die Stützringe 8, 8', 8" diener der Verhinderung unzuläßiger Verformungen odei Quetschungen der Ringpackung 11, so daß eine einwandfreie Dichtwirkung erreicht wird.

Mit dem beschriebenen Kolben kann ein Flüßigkeits druck von ungefähr 22 000 at oder mehr erreich werden, ohne daß die Gefahr einer Beschädigunj besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kolben zur Erzeugung extrem hohen Drucks mit einem in einem Zylinder angeordneten Kolbenkasisteil, einem an dessen dem Druckraum zugewandter Seite angeordneten Kolbenkopf, einer xwischen einander zugekehrten Ringflächen von Kolbenbasisteil und Kolbenkopf vorgesehenen, plastisch verformbaren Ringpackung und einem Kernelement, das einerseits die Ringpackung mittig durchsetzt und andererseits zur axialen Führung der beiden relativ zueinander beweglichen Kolbenteile dient, dadurch gekennzeicnnei, daß sowohl Kolbenkopf (10) als auch Kolbenbasisteil (1,9) miteinander fluchtende und im Durchmesser etwa gleiche Mittelbohrungen (10', Φ) aufweisen, in denen das als separates Bauteil ausgebildete Kernelement (12) so gehaltert ist, daß an wenigstens einem Ende des Kernelementes ein axiales Spiel gewährleiste! ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung aus einem entsprechend dimensionierten Gewinde (10", 12' bzw. 12") besteht.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Mittelbohrung (9') versehene Bereich des Kolbenbasisteils (1, 9) als hohlzylindrisches Zwischenstück (9) ausgebildet ist.