DE60013324T2

DE60013324T2 - Verfahren und vorrichtung zur hydraulischen druckerzeugung

Info

Publication number: DE60013324T2
Application number: DE60013324T
Authority: DE
Inventors: Jan Ericsson
Original assignee: Hyfotec Sweden AB
Current assignee: Hydroforming Design Light AB
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: DE60013324D1; EP1242746B1; AU2034301A; ATE274645T1; WO2001042662A1; SE9904464D0; EP1242746A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf die Erzeugung von Fluiddruck zur Verwendung in diversen Einsatzgebieten und betrifft insbesondere die Verstärkung von hydraulischen Fluiddruck.
HINTERGRUND
Hoher hydraulischer Druck wird gewöhnlich in einer Vorrichtung erzeugt, die allgemein als ein Druckübersetzer, ein Druckverstärker oder ein Druckerhöher bekannt ist, wo ein solch hoher Druck in verschiedenen Druckbereichen und für sehr viele Verwendungszwecke erzeugt wird. Eine herkömmliche Vorrichtung zur Intensivierung hydraulischen Fluiddrucks umfasst einen Niederdruckkolben, der in einem Niederdruckzylinder bewegbar ist und einen Hochdruckkolben aufnimmt, der in einem Hochdruckzylinder bewegbar ist und eine bedeutend kleinere Wirkfläche als der Niederdruckkolben hat. Wie es in einer solchen Vorrichtung üblich ist, trennt der Niederdruckkolben den Niederdruckzylinder in eine Arbeitshubkammer mit einem Niederdruckfluideinlass und eine Umkehrkammer, die ebenfalls einen Niederdruckfluideinlass aufweist. Der Hochdruckzylinder ist mit einem Niederdruckeinlass und Hochbetriebsdruckauslass versehen. Während des Arbeitshubs wird die Bewegung des Niederdruckkolbens direkt auf den Hochdruckkolben übertragen, um den Druck des in der Hochdruckkammer vorhandenen Fluids in direkter Relation zu den Differenzialflächen der Nieder- und Hochdruckkolben zu vervielfachen. Solch eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 6 ist z. B. in der DE-A-42 06 759 offenbart.
In solchen Druckübersetzern sind Dichtungen zwischen den Hochdruck- und Niederdruckseiten vorgesehen, um Fluidverlust des Hochdruckzylinder zu eliminieren, wodurch der gewollt erhöhte Fluiddruckpegel in der Hochdruckkammer wirksam gesichert wird. In Anwendungen, bei denen auf den Hochdruck- und Niederdruckseiten unterschiedliche Fluide verwendet werden, ist es ebenfalls wichtig sicherzustellen, dass das Hochdruckfluid nicht hinter die Dichtungen entweicht, da es sich anderenfalls mit dem Niederdruckfluid vermischen kann und die Arbeitsleistung der Übersetzervorrichtung nachteilig beeinflusst. Für den andauernden effektiven Arbeitsgang des Druckübersetzers ist es daher entscheidend, geeignete Dichtungen zur Verfügung zu stellen.
In Druckübersetzern, die in unteren und mittleren Druckbereichen arbeiten, kann durch Verwendung traditioneller Ringdichtungen, wie beispielsweise O-Ringe und Lippendichtungen, für eine zuverlässige Dichtung um den Umfang des Hochdruckkolbens gesorgt werden. Dem Problem des Fluidaustritts durch die Dichtungen kann Rechnung getragen werden, indem Fluidaustrittsöffnungen in der Zylinderwand, zwischen Dichtungen oder hinter allen Dichtungen vorgesehen werden, wie dies in der WO96/41692 offenbart ist. Solche Fluidaustrittsöffnungen dienen ebenfalls dem Zweck, eine Beobachtung der Dichtungen und deren Arbeitsweise zu ermöglichen.
Andererseits müssen zwangsläufig spezielle Messungen durchgeführt werden bei der Entwicklung von Druckübersetzern, die sehr hohe hydraulische Drücke erzeugen, angenommen im Druckbereich von bis zu etwa 2000 bar, um die Effektivität sowie die Verwendungsdauer der Dichtungen zu erhöhen und dadurch das unerwünschte Auslaufen zu verhindern. Ein besonderes Problem in Bezug auf Hochdruckdichtungen in herkömmlichen Druckübersetzern ist die Tatsache, dass zumindest einige der Dichtungen unmittelbar dem Druck in dem Hochdruckzylinder während dem Aufbau des Hochdrucks ausgesetzt sind, d.h., bevor die Dichtungen den Hockdruckkolben erfassen. Ein solches dem Druck aussetzen, der in der Hochdruckkammer aufgebaut wurde, kann eine Beschädigung der Dichtung verursachen und kann sogar dazu tendieren, Dichtungen von ihrem Sitz zu verlagern. Aus diesem Grund werden die Dichtungen gegenwärtig erachtet, das geeignete obere Drucklimit für Druckübersetzer zu bestimmen. Wie zuvor erwähnt befindet sich dieses obere Limit im Bereich von ca. 2000 bar, obgleich häufig Versuche unternommen werden, Druck übersetzer mit höheren Drücken zu betreiben. Ein solcher Hochdruckbetrieb resultiert jedoch zwangsläufig in sehr kurzen Leistungsintervallen, da die Hochdruckdichtungen eine Betriebsdauer von nur wenigen Stunden haben werden.
Innerhalb des oben erwähnten sehr hohen Hydraulikdruckbereichs und bei Anwendungen, welche relativ große Mengen hydraulischen Fluids benötigen, wie beim Hydroformen, tritt ein zusätzliches Problem auf, wenn der sehr hohe Druck wieder abgebaut werden soll. Beim als Beispiel dienendes Hydroformen sowie in anderen Hochdruckanwendungen ist es sehr wünschenswert, eine allmähliche, kontrollierte Verringerung des Drucks in der Verbrauchervorrichtung und in der Hochdruckkammer durchzuführen. Ein weiteres Problem in Bezug auf den Betrieb einer in dem erörterten, hohen Druckbereich arbeitenden Vorrichtung ist die Luft, die in dem Fluidmedium vorhanden sein wird und die in dem Hochdruckzylinder eingeschlossen sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung überwindet die oben diskutierten Probleme in einer effizienten und zufriedenstellenden Weise.
Es ist ein allgemeines Ziel der Erfindung eine Lösung des Problems zur effektiven und zuverlässigen Erzeugung von hydraulischen Drucks zur Verfügung zu stellen.
Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Erzeugung von hydraulischen Fluidhochdrucks zur Verfügung zu stellen, welches einen effektiven Langzeitbetrieb dieser mit einem Minimum von Außerbetriebnahmen für Service und Reparatur sichert. Kurz gesagt wird dies in einer vorteilhaften Weise erreicht, indem das Aussetzen der Hochdruckdichtungen dem sehr hohen Druck während der Anfangsphase des Arbeitshubs der Vorrichtung eliminiert wird. Insbesondere wird dies bewerkstelligt durch das Vorsehen eines gedrosselten Ausströmens von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer während der Anfangsphase des Arbeitshubs der Vorrichtung.
Gemäß der Erfindung ist das kontinuierliche gedrosselte Ausströmen von Hydraulikflüssigkeit von Beginn des Arbeitshubs der Vorrichtung vorgesehen, wobei das Ausströmen blockiert wird, wenn das vordere Ende des Hochdruckkolbens die Hochdruckdichtung passiert hat. Auf diese Art wird die Dichtung während des gesamten Arbeitshubs der Vorrichtung effektiv geschützt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das kontinuierliche gedrosselte Ausströmen von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer sowie aus dem Verbraucher während der Endphase des Rückhubs der Vorrichtung vorgesehen. Dadurch wird der durch den Arbeitshub der Vorrichtung in dem Verbraucher sowie in dem Hochdruckzylinder erzeugte sehr hohe Druck in einer sehr vorteilhaften Art abgebaut, welche weder an der Vorrichtung noch an dem zugehörigen Equipment Beschädigungen verursacht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das kontinuierliche gedrosselte Ausströmen von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer während einer Phase vorgesehen, in der die Hochdruckkammer mit Hydraulikflüssigkeit unmittelbar vor Durchführung des Arbeitshubs gespült wird. Dieses gesteuerte Ausströmen von Hochdruckfluid aus dem Hochdruckzylinder vor dem Arbeitshub ermöglicht, dass Luft aus dem Druckmedium aus der Hochdruckkammer vor dem Arbeitshub ausgespült wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es eine verbesserte und sehr effektive Vorrichtung zur Erzeugung eines hydraulischen Fluidhochdrucks zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig einen effektiven Langzeitbetrieb dieser mit einem Minimum an Außerbetriebnahmen für Wartung und Reparatur zu sichern. Kurz gesagt wird dies in einer vorteilhaften Art erreicht, indem eine durch den Hochdruckkolben der Vorrichtung verlängerte Mittelbohrung vorgesehen ist, wobei die Bohrung eine Fluidströmung aus der Hochdruckkammer ermöglichende Drossel und ein Rückschlagventil zum Blockieren von Fluidströmung aus der Hochdruckkammer und eine Ventilbetätigungsstange zum wahlweise Öffnen des Rückschlagventils aufweist. Hierdurch wird zumindest während der Anfangsphase des Arbeitshubs der Vorrichtung ein kontrolliertes Ausströmen von Fluid aus der Hochdruckkammer ermöglicht, um zu vermeiden, dass die Hochdruckdichtungen den sehr hohen Drücken während der Anfangsphase ausgesetzt werden.
Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch die Erfindung, wie in den beigefügten Patentansprüchen definiert, erreicht.
Zusammenfassend gewährleistet die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:

– Ermöglicht kontrollierten Aufbau des Drucks in dem Hochdruckzylinder; dadurch
– erhöht sich maßgeblich die Nutzungsdauerdauer der Hochdruckdichtungen, um längeren ununterbrochen Betrieb der Vorrichtung und von dieser versorgten Arbeitsvorgänge zu ermöglichen;
– gestattet reibungsloses, kontrolliertes Entlasten des sowohl in der Vorrichtung als auch von dem Verbraucher erzeugten sehr hohen Fluiddrucks;
– ermöglicht das Arbeiten mit extrem hohen Ausgangsdrücken ohne übermäßige Beanspruchung oder Zerstörung der Dichtungen; und
– gestattet betriebssicheres Luftablassen aus dem Hochdruckzylinder.

Andere durch die vorliegende Erfindung gebotene Vorteile werden leicht durch Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung gewürdigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung, zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen dieser, können am besten verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigende Teildraufsicht von einer Seite ist,
2 ein Längsschnitt durch die Vorrichtung nach 1 ist,
3A eine Seitenansicht der Vorrichtung gesehen von der Hochdruckseite dieser von links in 1 und 2 ist,
3B eine Seitenansicht der Vorrichtung gesehen von der Niederdruckseite dieser von links in 1 und 2 ist,
4A–B vergrößerte Ansichten des in zwei Positionen dargestellten Hochdruckkolbens darstellen,
5A eine Draufsicht von einer Seite darstellt, eine Ausführungsform einer vereinfachten Druckübersetzervorrichtung gemäß der Erfindung zeigend, und
5B eine Seitenansicht des linken Endes der Vorrichtung gemäß 5A ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines hohen Fluiddrucks. Grundsätzlich besteht die Vorrichtung aus einem Niederdruckzylinder 2, in 1 und 2 rechts dargestellt, und einem Hochdruckzylinder 3, in 1 und 2 links dargestellt. In dieser Beschreibung werden die Bezeichnungen „Front" und „Heck" verwendet, um die Positionen von Teilen oder Bereichen der Vorrichtung relativ zu der Richtung des Arbeitshubs der Vorrichtung anzugeben, wobei ein „Front"-Teil in Richtung der Hochdruckseite der Vorrichtung positioniert ist, im Gegensatz zu einem „Heck"-Teil. Betont werden sollt außerdem, dass die Bezeichnung „Niederdruck", wie hier verwendet – z.B. „Niederdruckfluid", „Niederdruckkammer" usw., sich auf einen Druck bezieht, der verglichen mit dem Hochdruckauslass der Vorrichtung gering ist, der jedoch nicht notwendigerweise niedrig in anderen Beziehungen oder Anwendungen ist.
Eine heckseitige Stirnwand 4 schließt dem Niederdruckzylinder 2 äußerlich und eine frontseitige Wand 5 schließt den Hochdruckzylinder 3 äußerlich. Die Niederdruck und Hochdruckzylinder 2 und 3 werden durch eine Zwischenwand 7 getrennt, die mit einer zentralen Durchgangsbohrung 7A zur abdichtenden Aufnahme eines axial verschiebbaren Hochdruckkolbens 13 versehen ist, welcher fest an einem Niederdruckkolben 12 befestigt ist, wie dies noch genauer nachfolgend insbesondere mit Bezug zu 2 beschreiben wird.
Der Niederdruckzylinder 2, der in 1 und 2 mit einem davon abgetrennten Teil dargestellt ist, ist zwischen der heckseitigen Stirnwand 4 und der Zwischenwand 7 mittels erster Verbindungsstangen 10 geklemmt, in der dargestellten Ausführungsform sind zwölf Stangen gleichmäßig um den äußeren Umfang des Zylinders 2 verteilt. Die Stangen 10 sind durch Bohrungen (nicht dargestellt) in der Stirnwand 4 geführt und ihre frontseitigen mit einem Gewinde versehenen Enden 10A sind in entsprechende Gewindesackbohrungen (nicht dargestellt) in der Zwischenwand 7 eingeschraubt. Die ebenfalls mit einem Gewinde versehenen heckseitigen Enden 10B der Stangen 10 erstrecken sich fort durch übereinstimmende Bohrungen in der heckseitigen Stirnwand 4 und werden in Eingriff gebracht durch gegen die Stirnwand 4 gespannte Muttern 11. Das frontseitige Ende des Niederruckzylinders 2 wird geführt durch einen durch eine Stufe in der heckseitigen Stirnfläche der Zwischenwand 7 gebildeten Vorsprung 7C und das heckseitige Ende dessen wird ebenfalls geführt durch einen durch eine Stufe in der frontseitigen Stirnfläche der heckseitigen Stirnwand 4 gebildeten Vorsprung 4A. O-Ringe oder äquivalente Dichtungen sind zwischen den jeweiligen Oberflächen der Zylinderwand 2 und der Vorsprünge 7C, 4A zur Bereitstellung einer Fluiddichtung zwischen diesen vorgesehen.
Der Niederdruckzylinder 2 nimmt den Niederdruckkolben 12 verschiebbar auf, der an seinem äußeren Umfang zum abdichtenden Eingriff mit der inneren Wand des Zylinders 2 mit den geeigneten Dichtungen 12A, wie beispielsweise O-Ringen, versehen ist. Mittels des Kolbens 12 wird der Niederdruckzylinder 2 in eine rückseitige Arbeitskammer 18 und eine frontseitige Umkehrkammer 17 geteilt. Einlass-/Auslassöffnungen 19, 20 für Niederdruckarbeitsfluid sind in der heckseitigen Wand 4 bzw. der Zwischenwand 7 vorgesehen und dienen der Zuführung von Arbeitsfluid zu der Arbeitskammer 18 bzw. Umkehrfluid zu der Umkehrkammer 17.
Wie oben erwähnt, trägt der Niederdruckkolben 12 einen Hochdruckkolben 13, der von dessen Forderfläche hervorsteht und sich in die zentrale Bohrung 7A der Zwischenwand 7 erstreckt. Die zentrale Bohrung 7A ist mit einer Niederdruckdichtung 21 versehen, welche den Hochdruckkolben 13 umgibt und dichtend in diesen eingreift und im Heckbereich der Bohrung 7A nächstliegend zu dem Niederdruckzylinder 2 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Niederdruckdichtung 21 eine Multi-Lippendichtung aus einem synthetischen Verbundmaterial, jedoch können auch andere Standarddichtungen verwendet werden, die für Drücke auf der Niederdruckseite geeignet sind. Vor der Niederdruckdichtung 21, angrenzend an letztere, ist ein Verteilungsring oder Laufbuchse 22 mit radialen Einlassöffnungen 22A (nur eine ist dargestellt) positioniert, welche mit einem Niederdruckfluideinlass 49 kommunizieren, durch den Fluid in den Hochdruckzylinder 3 eingeleitet wird, wie des Weiteren nachfolgend erläutert wird. Vor dem Verteilungsring 22 ist eine weitere Laufbuchse 23 vorgesehen, die eine ähnliche Multi-Lippendichtung 24 aus einem synthetischen Verbundmaterial trägt, und als eine Abschlussdichtung gegen eine Hochdruckkammer 16 dient. Die Hochdruckkammer 16 ist in einem Hochdruckzylinder 3 ausgebildet und teilweise in der Bohrung 7A in der Zwischenwand 7, vor dem Hochdruckkolben 13, und durch eine zentrale Bohrung 5A in der frontseitigen Stirnwand 5.
Der Hochdruckkolben 13 ist fest mit dem Niederdruckkolben 12 verbunden und kann vorzugsweise mit einer Presspassung in einer in dem Niederdruckkolben vorgesehenen zentralen Öffnung gesichert werden. Der Kolben 13 ist mit einer zentralen Durchgangsbohrung 25 versehen, die detaillierter in 4A–4B dargestellt ist. Die Durchgangsbohrung 25 mündet an einem Ende in die Arbeitsfluidkammer 18 und an dem anderen Ende in die Hochdruckkammer 16. Das frontseitige Ende des Hochdruckkolbens 13 ist mit einer Einwegdrossel 26 mit einem verschiebbaren Ventilkegel 27 versehen, welcher mit einem in dem Ventilkörper 29 vorgesehenen Ventilsitz 30 zusammenwirkt. Der Ventilkegel 27 wird durch eine Feder 29C gegen den Sitz 30 gepresst, die zwischen einem Federzurückhalter 29B und dem Ventilkegel wirkt, und der Ventilkegel, die Feder und der Federrückhalter werden durch einen Rückhaltring in dem Ventilkörper 29 in üblicher Art und Weise in ihrer Position gehalten. Der Ventilkörper 29 ist seinerseits in ähnlicher Weise in einer Aussparung in der Endfläche des Kolbens 13 in seiner Position arretiert. Des Weiteren ist der Ventilkegel 27 mit einem nahen zentralen Drosselkanal 28 versehen, durch den ein gedrosselter Fluidstrom in Richtung von der Hochdruckkammer 16 zu der Kolbenbohrung 25 ermöglicht wird, selbst wenn der Ventilkegel gegen den Sitz 30 anliegt. Zusätzlich zu einer zur Aufnahme des Ventilkegels 27 und der Feder 29C bestimmten zentralen Bohrung 29B in dem Ventilkörper 29 ist der Ventilkörper 29 ebenfalls mit einer Anzahl von Luftauslasskanälen 29A (nur einer ist in 4A–4B dargestellt) versehen, die zum Ablassen von Luft von dem radialen äußeren Teilen der Hochdruckkammer 16 dienen, wie ersichtlich wird werden wird.
In dem heckseitigen Ende des Hochdruckkolbens 13 ist ein Rückschlagventil 31 ähnlich der Einwegdrossel 26 vorgesehen, jedoch ohne Drosselkanal. Das Rückschlagventil 31 blockiert somit komplett die Fluidströmung in Richtung von der Hochdruckkammer 16 zu der Arbeitsfluidkammer 18 des Niederdruckzylinders 2, wenn dessen verschiebbarer Ventilkegel 32 in den Ventilsitz 33 eingreift, welcher in dem Ventilkörper 34 vorgesehen ist. Während der ersten Phase des Arbeitshubs der Vorrichtung 1 und genauso während der letzten Phase seines Umkehrhubs wird der Ventilkegel 32 von dem Ventilsitz 33 durch eine Ventilbetätigungsstange 35 angehoben. Die Ventilbetätigungsstange 35 ist an der Frontseite der heckseitigen Wand 4 mittels eines Bolzens 37 gesichert, welcher mit einer in eine Aussparung eingeschraubte Laufbuchse 36 verbunden, wobei die Aussparung in der Vorderseite der heckseitigen Wand 4 vorgesehen ist. Die Stange 35 erstreckt sich in die Arbeitskammer 18 und ist fluchtend mit der Durchgangsbohrung 25 des Hochdruckkolbens 13 und mit der Auslassöffnung in dem Ventilkörper 34, so dass diese das Rückschlagventil 31 öffnen wird, um Fluidstrom von der Hochdruckkammer 16 zu der Arbeitsfluidkammer 18 während der erwähnten Betriebsphasen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist klar, dass die Stange 35 einen äußeren Durchmesser aufweist, der etwas kleiner ist, als der innere Durchmesser der Auslassöffnung in dem Ventilkörper 34, um Fluidstrom von der Durchgangsbohrung 25 in die Arbeitsfluidkammer 18 und entlang der Außenseite der Stange 35 zu ermöglichen.
Die frontseitige Wand 5 des Hochdruckzylinders 3 ist mit einem zentralen Hochdruckauslass 14 versehen, über dem ein Hochdruckfluidverbraucher (nicht dargestellt) mit dem Teil der Hochdruckkammer 16 verbunden ist, der durch die Bohrung 5A in der frontseitigen Stirnwand 5 gebildet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die frontseitige Stirnwand 5 mit einem Adapter 6 zur direkten Anbringung an dem Verbraucher mittels Bolzen 6A ausgestattet. Das äußere Ende des Adapters 6 ist mit einer Laufbuchse 6B versehen, welche Dichtungen 6C trägt; die bezeichneten, gewöhnlichen O-Ringe werden in den meisten Fällen ausreichend sein, um eine angemessenen Dichtung gegen den Verbraucher und ebenso gegen die Laufbuchse 6B bieten. Solch eine Ausführungsform, bei der die Vor richtung 1 direkt in den Verbraucher „angedockt" ist, wird in vielen Anwendungen mit sehr hohen Drücken bevorzugt, wie beispielsweise bei den Hydroform-Techniken, da dies die Verwendung von Schlauch- oder Rohrverbindungen eliminieren wird.
Um den in der Hochdruckkammer 16 erzeugten sehr hohen Drücken zu widerstehen, ist der Hochdruckzylinder 3 zwischen der frontseitigen Stirnwand 5 und der Zwischenwand 7 mittels zweiten, schwereren Verbindungsstangen 8, die gleichmäßig um den äußeren Umfang des Hochdruckzylinders 3 verteilt sind, arretiert. In der dargestellten Ausführungsform sind acht Verbindungsstangen vorgesehen, deren mit Gewinde versehene heckseitige Enden 8B in entsprechende Gewindesackbohrungen 7B eingeschraubt sind, die in der Frontseite der Zwischenwand 7 vorgesehen sind und die ebenfalls mit Gewinde versehenen vorderen Enden 8A der Stangen sind durch entsprechende Durchgangsbohrungen 5B in der frontseitigen Stirnwand 5 ausgedehnt und werden durch Muttern 15 in Eingriff genommen, die dicht gegen die Stirnwand 5 anliegen. Die Verbindungsstangen 8 tragen zumindest einen Stützring 9, der den äußeren Umfang des Hochdruckzylinders 3 umgibt und in engem Eingriff mit diesem ist.
In den 1 und 2 ist der Hochdruckzylinder 3, genauso wie der Niederdruckzylinder 2 mit einem herausgeschnittenen Mittelteil dargestellt, und es sollte betont werden, dass ein oder mehrere zusätzliche Stützringe 9 entlang des ausgeschnittenen Teils vorgesehen sein können, die Anzahl der benötigten Stützringe 9 hängt entsprechend ab von der Hublänge der Vorrichtung 1 und von der Stärke der Wand des Hochdruckzylinders 3.
Wie in 2 dargestellt besteht der Hochdruckzylinder 3 aus separaten, koaxialen inneren und äußeren Ummantelungen 38 bzw. 39. Die innere Ummantelung 38 ist dicht in die äußere Ummantelung 39 passend vorgesehen und ein sich über einen Hauptteil der axialen Länge der inneren Ummantelung 38 und um die gesamte äußere Peripherie dieser erstreckender Druckfluidraum 40 ist zwischen den beiden Ummantelungen vorgesehen.
Die innere Ummantelung 38 des Hochdruckzylinders 3 ist mit einer Hochdruckdichtungsanordnung 43 versehen. Die Dichtungsanordnung 43 besteht im Wesentlichen aus einer Anzahl von primären und sekundären Metalldichtungsringen, die zwischen der frontseitigen Wand 5 und der Zwischenwand 7 eingespannt sind, im letzteren Fall durch die Führungshülsen 22, 23, mittels der Verbindungsstangen 8. Die Metalldichtungsringe sind vorzugsweise aus gehärtetem Stahl hergestellt, haben einen rechteckigen Querschnitt und sind mit parallelen umfangsseitigen Nuten auf ihren radialen äußeren und inneren Flächen ausgebildet. Der Zweck dieser Freistiche ist es, eine Anfangsdichtung zwischen dem Hochdruckzylinder und dem Hochdruckkolben auszubilden und einen Druckabfall über jeder Nut zu produzieren, wodurch der Fluiddruck graduell reduziert wird. Die sekundären Metalldichtungsringe sind mit einer Aussparung versehen, in der eine „Weichdichtung" aufgenommen ist.
Die dargestellte Dichtungsanordnung 43 ist detaillierter in unserer Schwedischen Patentanmeldung Nr. 9904463-8 offenbart und die Offenbarung dieser Patentanmeldung ist in dieser Beschreibung durch Bezugnahme eingeschlossen. Eine solche Dichtung ist insbesondere geeignet zur Abdichtung gegen sehr hohe Fluiddrücke, wie z.B. solche, die bei Hydroform-Techniken und einigen Druckeinrichtungen auftreten und im Bereich von etwa 2000 bar aufwärts rangieren. Zweck des doppelten Gehäuses des Hochdruckzylinders 3 und ebenso des Stützrings 9 ist es, eine Überwachung des Spalts zwischen der Dichtung 43 und des Hochdruckkolbens zu ermöglichen, wie dies im Detail in unserer Schwedischen Patentanmeldung Nr. 9904464-6 offenbart ist und die Offenbarung dieser Patentanmeldung ist durch Bezugnahme gleichfalls hierin eingeschlossen.
Die Wirkungsweise der oben beschriebenen Vorrichtung soll nun erläutert werden. Vor dem aktuellen Arbeitshub der Vorrichtung wird normalerweise ein hydraulisches Fluid mit Systemdruck in den Hochdruckzylinder durch den Fluideinlass 49 und die radialen Einlassöffnungen 22A in dem Verteilungsring 22 eingeleitet. Der Erläuterung halber kann angenommen werden, dass der Systemdruck etwa 350 bar beträgt. Dieses Fluid wird verwendet, um die Hochdruckseite zu spülen, wie es bei dieser Art von Vorrichtung üblich ist, und diese aufzufüllen. In diesem Stadium befinden sich die Nieder- und Hochdruckkolben 12, 13 in der in 4A dargestellten Position, die in 2 am entferntesten rechts ist, wo bei der Ventilkegel 32 von seinem Sitz 33 durch die Stange 35 angehoben ist. Dies bedeutet, dass Luft von der Hochdruckseite zusammen mit dem hydraulischen Fluid durch den zentralen Drosselkanal 28 der Drossel 26 durch die Mittelbohrung 25 und das geöffnete Rückschlagventil 31 zu der Arbeitskammer 18 des Niederdruckzylinders 2 ausgeschwemmt wird. Die oben erwähnten Luftablasskanäle 29A dienen zur Abfassung von Luft aus den radialen äußeren Bereichen des Hochdruckzylinders. Dieser Luftablass wird am effektivsten in dem Fall sein, in dem die Vorrichtung 1 mit der Hochdruckseite nach unten vertikal positioniert ist.
Als nächstes wird der Arbeitshub initiiert durch Einleiten von Arbeitsfluid, in der Regel das oben erwähnte Sytstemfluid, in die Arbeitskammer 18. Die Niederdruck- und Hochdruckkolben 12, 13 werden nach vorne bewegt, z.B. nach links, wie in 1 zu sehen. In der dargestellten Ausführungsform bewirkt diese erste Vorwärtsbewegung keine wesentliche Erhöhung des Fluiddrucks in dem Hochdruckzylinder 3, da Fluid immer noch durch die Durchgangsbohrung 25 der beschriebenen Art und Weise abgelassen wird, wodurch die Drücke in den Hochdruck- und den Niederdruckzylindern 2, 3 ausgeglichen werden.
Mit der Positionierung des Verteilungsrings 22 und seiner radialen Einlassöffnungen 22A am hinteren Ende des Hochdruckzylinders 3, hinter der Hochdruckdichtungsanordnung 43, blockiert der Hochdruckkolben 13 das durch die radialen Einlassöffnung 22A eintretende Fluid nach einer kurzen Vorwärtsbewegung. Dies stellt eine wichtige Verbesserung gegenüber den traditionellen, anfälligen Rückschlagventilen dar, die üblicherweise in hochdruckseitigen Fluideinlässen außerhalb der Vorrichtung verwendet werden.
Wenn die Kolben 12, 13 die Position erreicht haben, in der die Stange 35 von dem Ventilkegel 32 des Rückschlagventils 31 abgekoppelt ist, blockiert das Rückschlagventil 31 weiteren Fluidausfluss aus dem Hochdruckzylinder 3 durch die Durchgangsbohrung 25 und in die Arbeitskammer 18. Die Länge der Stange 35 ist der axialen Position der Hochdruckdichtung 43 in dem Hochdruckzylinder angepasst. Mit anderen Worten sollte die axiale Länge des Teils der Stange 35, welches von der heckseitigen Stirnwand 4 vorsteht, zumindest der axialen Länge zwischen dem frontseitigen Ende des Hochdruckkolbens 13 und dem frontseitigen Ende des ersten (d.h. am weitesten links in 2) Metallring der Hoch druckdichtung 43 entsprechen, wenn die Kolben 12, 13 sich in ihrer rückwärtigen Position wie in 2 dargestellt befinden. Dies bedeutet, dass das vordere Ende des Hochdruckkolbens 13 den ersten Metallring der Dichtung 43 passiert, bevor die Stange 35 von dem Ventil 31 gelöst wird. Bei dieser Gestaltung wird die sehr vorteilhafte Wirkung erreicht, dass die Dichtung 43 keinem Fluiddruck ausgesetzt wird, der wesentlich höher ist, als der Systemdruck, bis der Kolben vollständig in diese eingreift. Dies wird sich unabhängig von dem verwendeten Dichtungstyp sehr vorteilhaft auf die Lebensdauer der Hochdruckdichtung auswirken.
Zeitgleich bei geschlossenem Fluidablass durch die Bohrung 25 wird der Druck des Fluids in der Hochdruckkammer 16 vervielfältigt, in der vorliegenden Ausführungsform etwa 20fach, entsprechend des Verhältnisses der Flächen der Hochdruck- und Niederdruckkolben. Bei obigem Systemdruck von 350 bar bedeutet dies einen Ausgangsdruck im Bereich von 7000 bar. Mit Drücken diesen Ausmaßes, und noch höheren, besteht eine unmittelbare Gefahr, dass „Weichdichtungen" Schaden erlangen oder sogar verschoben/versetzt werden. Eine jede solche Tendenz wird mit den oben diskutierten erfindungsgemäßen Vorschlägen eliminiert.
Wenn die Vorrichtung ihren vollen Arbeitshub ausgeführt hat, Hochdruckfluid zu einem Verbraucher zu liefern, der vorzugsweise eine Hydroformmaschine sein kann, wird der Systemdruck der Rückführkammer 17 durch den Fluideinlass 20 zugeführt. Um einen gleichmäßigen Umkehrhub zu erreichen, wird normalerweise ein geregelter Gegendruck in der Arbeitskammer 18 aufrechterhalten. Wenn die Kolben 12, 13 sich rückwärts bewegen, greift die Stange 35 wieder in das Rückschlagventil 31 ein, um Fludifluss von der Hochdruckkammer 16 in die Arbeitskammer 18 zu ermöglichen und dies bewirkt eine noch verbesserte Druckentlastung.
In 5A–B ist eine Ausführungsform eines vereinfachten Druckübersetzers 100 dargestellt, der geeignet ist für Anwendungen, die Druckfluid in niedrigeren Druckbereichen von bis zu etwa 2000 bar benötigen, beispielsweise zur Unterdrucksetzung des Raums 40 zwischen den Gehäusen 38, 39 des Hochdruckzylinders 3 in der Vorrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Entsprechend der Vorrichtung 1 besteht der Druckverstärker 100 aus einem Niederdruckzylinder 102 mit Fluideinlässen 119, 120 und einem Hochdruckzlyinder 103 mit Fluideinlass 149 und einem Fluidauslass 114. Die Zylinder sind jeweils mit heckseitigen und frontseitigen Stirnwänden 104 und 105 versehen. Entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform werden Verbindungsstangen 110 in diesem Fall eingesetzt, um den Niederdruckzylinder 102 zwischen der heckseitigen Wand 104 und dem Hochdruckzylinder 103 zu spannen, welcher in dieser Ausführungsform mit der Zwischenwand einstöckig ausgebildet ist. Die frontseitige Wand 105 ist an dem Hochdruckzylinder mittels Schrauben 108 befestigt.
Ein Niederdruckkolben 112 befindet sich gleitend in dem Niederdruckzylinder 102, diesen in eine Arbeitskammer 118 und eine Umkehrkammer 117 unterteilend. Ein Hochdruckkolben 113 ist an dem Niederdruckkolben 112 fixiert und erstreckt sich in eine Hochdruckkammer 116 in dem Hochdruckzylinder 103. Entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform ist der Hochdruckkolben 113 mit einer zentralen Bohrung 125 versehen, die sich in die Arbeitskammer 118 und die Hochdruckkammer 116 öffnet. Die Bohrung 125 ist mit einer frontseitigen Einwegdrossel 126 und dem heckseitigen Rückschlagventil 31 versehen, dessen Ventilkegel 32 sich mit der Stange 135 in Eingriff befindet und von dieser bewegt wird.
Für einen niedrigen Druckbereich vorgesehen ist der vereinfachte Druckübersetzer 100 mit einer Hochdruckdichtung 143 versehen, die als multiple Lippendichtung entsprechend der Niederdruckdichtung 121 ausgebildet ist. Entsprechend der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform wird die Hochdruckseite zuerst durch Fluid mit Systemdruck über den Fluideinlass 149 in einer Position unmittelbar vor dem Hochdruckkolben 113 geflutet. Mittels der Ventile 126 und 131 in der Bohrung 125 des Hochdruckkolbens 113 ist die Hochdruckdichtung 143 nochmals vor dem hohen Auslassdruck geschützt, bis diese durch den Kolben 13 unterstützt wird.
Fachleute werden verstehen, dass verschiedene andere Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks, wobei die Vorrichtung einen Niederdruckkolben (12; 112) aufweist, der in einem Niederdruckzylinder (2; 102) verschiebbar ist, wobei der Niederdruckkolben einen Hochdruckkolben (13; 113) trägt, der in einem Hochdruckzylinder (3; 103) verschiebbar ist, welcher eine Hochdruckkammer (16; 116) bildet, die mit einem Hochdruckfluidverbraucher verbunden ist, wobei die Innenwand des Hochdruckzylinders ortsfeste Fluiddichtungen (21, 24, 43; 121, 143) trägt, die den Hochdruckkolben in abdichtenden Eingriff nehmen, gekennzeichnet durch das Bereitstellen eines kontinuierlichen gedrosselten Ausströmens von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer (16; 116) wenigstens während der Anfangsphase des Arbeitshubes der Vorrichtung, um dadurch die Hochdruckdichtung (43; 143) zu entlasten, und durch das Sperren des Ausströmens, wenn ein Vorderende des Hochdruckkolbens (13; 113) die Hochdruckdichtung (43; 143) passiert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Bereitstellen des kontinuierlichen gedrosselten Ausströmens von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer (16; 116) sowie aus dem Verbraucher auch während der Endphase des Umkehrhubes der Vorrichtung, wodurch der sehr hohe Druck entlastet wird, der durch den Arbeitshub der Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines Hochdrucks erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Bereitstellen des kontinuierlichen gedrosselten Ausströmens von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer (16; 116) während einer Phase des Spülens der Hochdruckkammer (16; 116) mit Hydraulikflüssigkeit, wobei diese Spülphase dem Arbeitshub unmittelbar vorangeht.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–3, gekennzeichnet durch das Bereitstellen des kontinuierlichen gedrosselten Ausströmens von Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckkammer (16; 116) durch eine gedrosselte Bohrung (25; 125) in dem Hochdruckkolben (13; 113).
Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, gekennzeichnet durch Zuführen von Fluid zu der Hochdruckkammer (16; 116) neben einem hinteren Ende der Kammer unmittelbar vor dem Vorderende des Hochdruckkolbens (13; 113) in seiner vollständig zurückgezogenen Position, wodurch der Kolben (13; 113) den Fluideinlass während seiner ausgefahrenen Phase versperrt.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines Hydraulikfluid-Hochdrucks, wobei die Vorrichtung einen Niederdruckkolben (12; 112) aufweist, der in einem Niederdruckzylinder (2; 102) verschiebbar ist, welcher eine Arbeitskammer (18; 118) bildet, die ihrerseits mit einer Niederdruckfluidzufuhr verbunden ist, wobei der Niederdruckkolben einen Hochdruckkolben (13; 113) trägt, der in einem Hochdruckzylinder (3; 103) verschiebbar ist, welcher eine Hochdruckkammer (16; 116) bildet, die mit einer Niederdruckfluidzufuhr und mit einem Hochdruckfluidverbraucher verbunden ist, wobei die Innenwand des Hochdruckzylinders ortsfeste Fluiddichtungen (21, 24, 43; 121, 143) trägt, die den Hochdruckkolben in abdichtenden Eingriff nehmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkolben (13; 113) mit einer mittigen Durchgangsbohrung (25; 125) versehen ist, in der sich ein Drosselrückschlagventil (26; 126), das eine konstante gedrosselte Fluidströmung aus der Hochdruckkammer (16; 116) gestattet, und ein Rück schlagventil (31; 131), das normalerweise die Fluidströmung aus der Hochdruckkammer (16; 116) sperrt, befinden, und dass eine Ventilbetätigungsstange (35; 135) vorhanden ist, die sich in die Bohrung (25; 125) hinein erstreckt, um das Rückschlagventil wenigstens in der Anfangsphase des Arbeitshubes der Vorrichtung (1; 100) und in der Endphase ihres Umkehrhubes in Eingriff zu nehmen und zu öffnen, wodurch ein kontrolliertes Ausströmen von Fluid aus der Hochdruckkammer (16; 116) während dieser Phasen ermöglicht wird.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (31; 131) einen Ventilkegel (32; 132) umfasst, welcher die Fluidströmung aus der Hochdruckkammer (16; 116) sperrt, wenn er in einem Ventilsitz (33) der Hochdruckkammer sitzt, und dass die Öffnungsstange (35; 135) so konfiguriert ist, dass sie das Rückschlagventil in Eingriff nimmt, indem sie den Ventilkegel (32; 132) während dieser Phasen aus seinem Sitz (33) hebt.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mittige Bohrung (25; 125) durch den Niederdruckkolben (12; 112) und durch den Hochdruckkolben (13; 113) hindurch erstreckt und sich in die Hochdruckkammer (16; 116) des Hochdruckzylinders (3; 103) sowie in die Arbeitskammer (18; 118) des Niederdruckzylinders (2; 102) hinein öffnet.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach den Ansprüchen 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (35; 135) fest an der Vorderseite einer rückseitigen Wand (4; 104) des Niederdruckzylinders (2; 102) angebracht ist und von dort nach vorn hervorsteht und dass die axiale Länge des Abschnitts der Stange (35; 135), der von der rückseitigen Wand (4; 104) hervorsteht, wenigstens gleich dem axialen Abstand zwischen der Vorderseite des Hochdruckkolbens (13; 113) und der Vorderseite einer Hochdruckdichtung (43; 143) ist, wenn die Kolben (12, 13; 112, 113) sich in ihrer rückwärtigen Position befinden.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach den Ansprüchen 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselrückschlagventil (26; 126) einen verschiebbaren Ventilkegel (27) umfasst, der mit einem Ventilsitz (30) zusammenwirkt, welcher sich in einem Ventilkörper (29) befindet, indem der Ventilkegel (27) durch eine Feder (29C) gegen den Sitz (30) gedrückt wird und indem der Ventilkegel (27) mit einem schmalen mittigen Drosselkanal (28) versehen ist, durch den eine gedrosselte Fluidströmung in die Richtung von dem Hochdruckzylinder (3; 103) zur Kolbenbohrung (25; 125) gestattet wird, auch wenn sich der Ventilkegel in dem Sitz (30) befindet.
Vorrichtung (1; 100) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach den Ansprüchen 6–10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluideinlass (49, 22A; 149) zur Hochdruckkammer (16; 116) im hinteren Ende der Kammer unmittelbar vor dem Vorderende des Hochdruckkolbens (13; 113) in seiner vollständig zurückgezogenen Position angeordnet ist, wodurch der Kolben (13; 113) den Fluideinlass während seiner ausgefahrenen Phase versperrt.
Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines hydraulischen Hochdrucks nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (29) mit einer Anzahl Luftablasskanälen (29A) versehen ist, die dazu dienen, Luft aus den radial äußeren Abschnitten der Hochdruckkammer (16; 116) abzulassen.