DE4131192A1

DE4131192A1 - Druckkissen und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4131192A1
Application number: DE19914131192
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Korthaus; Werner Schwarzkopf
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: DE4131192C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckkissen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und zwei Verfahren zu dessen Her stellung.

Druckkissen dieser Art sind aus der DE 39 34 235 C2 bekannt. Diese Druckkissen bestehen aus zwei gleich großen Platten aus einem elastisch-plastisch verformbaren Material, die entlang ihrem Umfang miteinander verbunden sind. Eine der beiden Plat ten enthält eine Bohrung im Innenbereich der Plattenfläche, durch die das Druckkissen mit Hilfe eines unter Druck stehen den Mediums, etwa einer Hydraulikflüssigkeit, aufgebläht wer den kann. Die Druckkissen werden in einer Prüfeinrichtung zur Ermittlung des Verhaltens von granularem Material unter tri axialer Belastung eingesetzt.

Ein ähnlich aufgebautes Druckkissen wird gemäß der EP 01 50 757 B1 zur Bestimmung des Spannungszustandes geschlossener geolo gischer Formationen verwendet.

Bei den bekannten Druckkissen liegt unter Druck die Zone der größten Verformung im Verbindungsbereich der beiden Platten. Es hat sich gezeigt, daß bei diesen Druckkissen die Gefahr be steht, daß Undichtigkeiten auftreten, wenn sie unter sehr ho hem Druck (einige 100 bar) stark verformt werden. Die Zuver lässigkeit der bekannten Druckkissen ist insbesondere dann vermindert, wenn gleichzeitig bei der Prüfung oder Simulation der Fließeigenschaften von granularem Material im tiefen Un tergrund hohe Temperaturen angewendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteilen abzuhelfen und Druckkissen der eingangs genannten Art vorzu schlagen, die bei starker Druck- und Temperaturbelastung und hoher Verformung eine größere Sicherheit gegen Undichtwerden bieten.

Die Aufgabe wird durch ein Druckkissen mit den im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs aufgeführten Merkmalen gelöst. In den Patentansprüchen 5 und 6 sind Verfahren zur Herstellung bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckkis sen angegeben. Die übrigen Ansprüche geben besonders bevor zugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckkissen und der Herstellungsverfahren an.

Für den Einsatz in der oben erwähnten Prüfeinrichtung werden quadratische Druckkissen mit abgeschrägten Ecken benötigt. Für andere Verwendungen ist auch der Einsatz von rechteckigen Druckkissen mit abgeschrägten Ecken oder von polygonalen Druckkissen möglich. Zur Bestimmung des Spannungszustandes geologischer Formationen gemäß der eingangs genannten EP 01 50 757 B1 können Druckkissen von beliebiger Form verwendet werden.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Zonen maxi maler Verformung und Zugbeanspruchung und die Bereiche, in denen die beiden Platten miteinander druckfest verbunden sind, voneinander zu trennen. Diese Trennung wird dadurch erreicht, daß Platten unterschiedlicher Größe vorgesehen werden, die größere Platte um die kleinere Platte gefaltet ist und die Kanten der größeren Platte mit der nicht abgedeckten Fläche der kleineren Platte druckfest verbunden sind.

Die druckfeste Verbindung wird bevorzugt durch Elektronen strahl- oder Laserschweißen hergestellt, wenn die Platten aus Stahl oder Kupfer bestehen. Bei Verwendung anderer Materialien können auch Löt- oder Klebverbindungen hergestellt werden, wenn die vorgesehene Verwendung diese Verbindungstechniken hinsichtlich der Temperatur- und Druckbeständigkeit als aus reichend erscheinen läßt.

Für die Verwendung in der eingangs genannten Prüfeinrichtung werden Druckkissen besonders bevorzugt, bei denen die größere Platte unter Berücksichtigung der auftretenden Belastung so dünn wie möglich gehalten ist, während die kleinere Platte die fünf- bis zehnfache Wandstärke aufweist und bei denen die kleinere Platte zum Einpressen eines unter Druck stehenden Me diums, etwa einer Hydraulikflüssigkeit, durchbohrt ist. Solche Druckkissen legen sich unter Belastung eng an die Wände der Prüfeinrichtung an, während im wesentlichen nur die zum Prüf gut weisende größere Platte verformt wird. Ein weiterer Vor teil dieser Ausführungsform besteht darin, daß beim Herstellen der druckdichten Verbindung durch Schweißen die Gefahr vermin dert ist, daß durchgeschweißt wird und damit die Platten auch auf der zum Prüfgut weisenden Seite aneinander fixiert werden.

Für die Verwendung in der oben erwähnten Prüfeinrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn auf der kleineren Platte ein Befestigungselement in der Form eines durchbohrten Druck knopfes fixiert ist, dessen Gegenstück auf der Innenwand der Prüfeinrichtung angebracht ist, wobei die Bohrungen von Druck knopf und Platte miteinander fluchten. Die Bohrungen können durch einen um den Druckknopf gelegten O-Ring gegen die Wände der Prüfeinrichtungen abgedichtet werden. In diesem Fall las sen sich die Druckkissen in der Prüfeinrichtung fixieren und verschieben sich nicht, wenn das Prüfgut in der Prüfeinrich tung vorverdichtet wird. Wenn nach Beendigung des Prüfvorgangs das granulare Material entfernt wird, behalten die Druckkissen ihre Lage bei; hierdurch wird verhindert, daß Hydraulikflüs sigkeit ausläuft und Prüfeinrichtung und Prüfgut verunreinigt. Die Hydraulikflüssigkeit kann nach Ende des Versuchs abgepumpt werden.

Für die Verwendung in der oben erwähnten Prüfeinrichtung ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn im Hohlraum des Druckkissens eine gitterartige Struktur, zum Beispiel ein Drahtgeflecht, vorgesehen ist, das den Hohlraum zumindest teilweise ausfüllt. Das Gitter hat dabei die Aufgabe, zu Be ginn des Versuchs den Anpreßdruck des Prüfguts auf die Rück wand des Kissens und damit auf den O-Ring, der die Bohrungen für die Hydraulikflüssigkeit in Druckkissen und Prüfeinrich tung abdichtet, weiterzugeben, ohne den Zufluß der Hydraulik flüssigkeit zu behindern.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckkissens weisen eine solche Faltung der größeren Platte auf, daß die z. B. durch Verschweißen mit der kleineren Platte zu verbindenden Faltkanten frei zugänglich sind. In diesem Fall kann das Verschweißen in einem Arbeitsgang erfolgen, ohne daß verdeckt liegende Kanten auf die Fläche der kleineren Platte aufgeschweißt werden müssen. Eine Faltung, die diese Bedingung erfüllt, läßt sich für beliebig geformte polygonale Druckkissen realisieren.

Die Form und Größe der kleineren Platte ist hierbei von unter geordneter Bedeutung. Wichtig ist lediglich, daß die kleinere Platte so gewählt wird, daß nach der Faltung die Faltkanten auf der freien Fläche der Platte aufliegen. Wenn als größere Platte eine quadratische Platte gewählt wird, kann - bei ent sprechend breiter Faltung - als kleinere Platte durchaus eine runde Platte mit einem ausreichenden Radius verwendet werden.

Weiterhin soll die kleinere Platte an keiner Stelle die ge falzten Kanten der größeren Platte berühren, so daß sich die Falze unter Druck frei ausdehnen können.

Für die Herstellung polygonaler Druckkissen mit hoher Ecken zahl (< 8) wird als größere Platte eine Platte mit einer ent sprechenden Form oder eine runde Platte verwendet.

Es gibt zwei bevorzugte Herstellungsverfahren, mit denen die oben erwähnte vorteilhafte Faltung erzielt werden kann. Bei der ersten Art der Faltung liegen die Eckbereiche der größeren Platte direkt auf der Fläche der kleineren Platte auf; bei der zweiten Art der Faltung liegen die Eckbereiche der größeren Platte auf den umgeschlagenen Kanten auf.

Die im folgenden beschriebenen Herstellungsverfahren gehen von der besonders bevorzugten Voraussetzung aus, daß die Falzkan ten allseitig gleich breit gewählt werden, so daß ein sehr symmetrisches Druckkissen erhalten wird. Diese Voraussetzung stellt jedoch keine notwendige Bedingung dar.

Im allgemeinen weisen Druckkissen in polygonaler Form mit ei ner größeren Eckenzahl (< 8) gegenüber rechteckigen, insbeson dere gegenüber quadratischen Druckkissen mit abgeschrägten Ecken keine besonderen Vorteile auf. Mit zunehmender Zahl der Ecken wird die Herstellung jedoch wesentlich aufwendiger.

Besonders bevorzugte Herstellungsverfahren für quadratische oder rechteckige Druckkissen mit abgeschrägten Ecken werden anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Rückansicht des nach dem ersten Herstellungs verfahren erhältlichen Druckkissens (Teil a) und zwei Schnitt zeichnungen (Teil b und c).

Fig. 2 zeigt die Rückansicht des nach dem zweiten Herstel lungsverfahren erhältlichen Druckkissens (Teil a) und zwei Schnittzeichnungen (Teil b und c).

Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des er findungsgemäßen Druckkissens mit einem in dessen Hohlraum an geordneten Drahtgeflecht.

Nach dem ersten Herstellungsverfahren (Fig. 1) wird beispiels weise eine quadratische größere Platte 1 verwendet, die um eine kleinere Platte 2 gefaltet ist. Vor der Faltung werden von der größeren Platte 1 in den Eckbereichen durch jeweils einen Schnitt vier gleichschenklige Dreiecke 3 mit der Höhe h entfernt. Danach werden die Eckbereiche der größeren Platte 1 so um die kleinere Platte 2 gefaltet, daß 4 Quadrate 4 auf der freien Fläche der kleineren Platte aufliegen. Die inneren Qua dratseiten 5 werden durch die Hypothenusen der abgeschnittenen Dreiecke 3 gebildet. Anschließend werden die Kanten 6 der größeren Platte 1 in einer Breite, die den Katheten der abge schnittenen Dreiecke 3 entspricht, umgeknickt und um die klei nere Platte 2 gefaltet. Alle auf der kleineren Platte 2 auf liegenden Kanten 5, 6 werden mit der freien Fläche der kleine ren Platte 2 verschweißt. Zusätzlich müssen auch die Kanten 6 in den Eckbereichen, wo sie auf den Quadraten 4 aufliegen, verschweißt werden.

Nach dem zweiten Herstellungsverfahren (Fig. 2) wird ebenfalls eine beispielsweise quadratische größere Platte 1 um eine kleinere Platte 2 gefaltet. Vor der Faltung werden von der größeren Platte 1 in den Eckbereichen durch jeweils zwei Schnitte vier Quadrate 7 mit den Seitenlängen a entfernt. Da nach werden die Kanten 8 der größeren Platte 1 in einer Breite a umgeknickt und auf die kleinere Platte 2 gefaltet. Schließ lich werden die Eckbereiche der größeren Platte 1 in der Weise auf die kleinere Platte 2 gefaltet, daß die zwei Kanten 9, die beim Entfernen der Quadrate 7 entstehen, auf den Kanten 8 zu liegen kommen. Die Kanten 8, 9 werden schließlich mit der Flä che der kleineren Platte verschweißt.

Prinzipiell ist es beim ersten Herstellungsverfahren möglich, auf das Entfernen der Dreiecke 3 (Fig. 1) vor der Faltung zu verzichten. In diesem Fall müssen die Kanten 10 der Dreiecke 3 mit der Fläche der kleineren Platte verschweißt werden. Hier bei muß jedoch die Schweißrichtung wesentlich häufiger verän dert werden; der Schweißvorgang wird dadurch erschwert.

Die beschriebenen Verfahren können in der Weise abgewandelt werden, daß polygonale Druckkissen mit mehr als 8 Ecken her stellbar sind.

Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform des er findungsgemäßen Druckkissens beim Einsatz in der eingangs er wähnten Prüfeinrichtung. Von der Prüfeinrichtung ist lediglich eine Wand 12 dargestellt, an der das erfindungsgemäße Druck kissen aufliegt. Das Druckkissen ist in der Prüfeinrichtung so angeordnet, daß die Rückwand 13, die aus der kleineren Platte 2 und den umgefalteten Bereichen der größeren Platte 1 (nicht dargestellt) gebildet wird, an der Wand 12 anliegt. Der Hohl raum des Druckkissens wird teilweise durch ein Drahtgeflecht 14 ausgefüllt, das den vom Prüfgut ausgeübten Druck auf den O-Ring 15 überträgt und damit die Abdichtung unterstützt. Das Drahtgeflecht 14 weist eine ringförmige Struktur auf und ist so angeordnet, daß der Bereich der Bohrung 16 in der Rückwand 13 freibleibt.

Claims

1. Druckkissen

a) in der Form eines Polygons oder eines Rechtecks oder Quadrats mit abgeschrägten Ecken,
b) das aus zwei Platten hergestellt ist,
c) von denen mindestens eine aus einem plastisch-elastisch verformbaren Material besteht,
d) bei dem die Platten miteinander druckfest verbunden sind und einen Hohlraum bilden,
e) bei dem eine Platte durchbohrt ist, so daß der Hohlraum durch Einpressen eines Mediums vergrößert werden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Platten eine unterschiedliche Größe aufweisen,
g) die größere Platte um die kleinere Platte gefaltet ist und
h) die Kanten der größeren Platte mit der Fläche der klei neren Platte druckdicht verbunden sind.

2. Druckkissen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der kleineren Platte das 5- bis 10-fache der Wandstärke der größeren Platte beträgt.

3. Druckkissen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der kleineren Platte ein Befestigungselement in der Form eines Druckknopfs druckdicht fixiert ist und der Druckknopf und der darunter liegende Bereich der kleineren Platte durchbohrt sind.

4. Druckkissen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zumindest teilweise durch ein Gitter aus gefüllt ist.

5. Verfahren zur Herstellung des Druckkissens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als größere Platte eine rechteckige oder quadratische Platte verwendet wird,
b) von der größeren Platte in den Eckbereichen durch je weils einen Schnitt vier gleichschenklige Dreiecke mit der Höhe h entfernt werden,
c) die Eckbereiche der größeren Platte in der Weise um die kleinere Platte gefaltet werden, daß vier Quadrate ent stehen, deren Seitenlängen 2 · h betragen,
d) die Kanten der größeren Platte in einer Breite, die den Katheten des entfernten gleichschenkligen Dreiecks ent spricht, umgeknickt werden, wobei
e) die Form und Größe der kleineren Platte so gewählt wird, daß nach der Faltung die Kanten der größeren Platte auf der Fläche der kleineren Platte aufliegen, und
f) die Kanten der größeren Platte mit der Fläche der klei neren Platte druckfest verbunden werden.

6. Verfahren zur Herstellung des Druckkissens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als größere Platte eine rechteckige oder quadratische Platte verwendet wird,
b) von der größeren Platte in den Eckbereichen durch je weils zwei Schnitte vier Quadrate der Seitenlänge a ent fernt werden,
c) die Kanten der größeren Platte in einer Breite a um geknickt und um die kleinere Platte gefaltet werden,
d) die Eckbereiche der größeren Platte in der Weise um die kleinere Platte gefaltet werden, daß die zwei mit der größeren Platte gemeinsamen Seiten des Quadrats auf den Kanten der größeren Platte aufliegen, wobei
e) die Form und Größe der kleineren Platte so gewählt wird, daß nach der Faltung die Kanten der größeren Platte auf der Fläche der kleineren Platte aufliegen, und
f) die Kanten der größeren Platte mit der Fläche der klei neren Platte druckfest verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die druckfeste Verbindung durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen hergestellt wird.