DE69814111T2

DE69814111T2 - Anordnung von kolbendichtungen für eine hochdruckpumpe

Info

Publication number: DE69814111T2
Application number: DE69814111T
Authority: DE
Inventors: L. Olivier TREMOULET; Chidambaram Raghavan; M. Katherine MADDEN
Original assignee: Flow International Corp
Current assignee: Flow International Corp
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: US6086070A; TW428068B; EP1015767B1; EP1015767A1; AU9398598A; JP4416317B2; DE69814111D1; CA2303100A1; WO1999014501A1; ATE239172T1; US6145845A; ES2198752T3; JP2001516847A; CA2303100C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Hochdruckdichtungen und spezieller auf Hochdruck-Fluiddichtungen für Pumpen, die sich hin- und herbewegende Kolben besitzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Hochdruck-Fluidpumpen, die sich hin- und herbewegende Kolben besitzen ist es notwendig eine Dichtung um den Kolben herum zu liefern, um das Austreten des Hochdruckfluids zu verhindern. Bei solchen Pumpen muss die Dichtung in der Lage sein in einer Hochdruck-Umgebung zu arbeiten und Drücken von über 69 × 10⁶ Pa (10000 psi) hinauf bis und sogar über 345 × 10⁶ – 483 × 10⁶ Pa (50000–70000 psi) hinaus zu widerstehen.
In GB 1 407 874 ist eine Spaltdichtungsanordnung offengelegt, die einen Fluidstrom, die durch die Dichtung und ein Auslassen des Auslaufs durch einen Ausgang in der Niederdruckregion liefert. Die Anordnung umfasst einen Kolben und einen Zylinder, die eine Dichthülse mit zwei voneinander axial beabstandeten ringförmigen Spalten besitzt, von denen die eine ein rundes Gehäuse und die andere eine Dichtung aufnimmt. Ein Spalt zwischen dem runden Gehäuse und dem Kolben gestattet es dem Fluid dort dazwischen hindurchzutreten. Der Kolben ist deshalb hydraulisch zentriert. Somit ist der kontaktfreie Lauf des Kolbens in dem runden Gehäuse auch bei niedrigen Pumpendrücken wie während des Startens der Pumpe möglich.
Andere momentan verfügbare Dichtungsausführungen für eine Verwendung in einer solchen Umgebung schließen eine extrusionsresistente Dichtung ein, die durch einen Stützring getragen wird, wobei der Stützring und die Dichtung durch einen Dichtungsträger gehalten werden. Die Toleranzen für einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Stützring sind jedoch sehr schwer zu erreichen und beizubehalten. Es ist deshalb sehr typisch, dass der Kolben und der Stützring miteinander in Kontakt geraten und Reibungswärme erzeugen, was wiederum verursacht, dass die Dichtung versagt.
Dementsprechend besteht in der Technik ein Bedarf für eine verbesserte Anordnung einer Hochdruck-Fluiddichtung und speziell für eine Dichtungsanordnung, die einfach genau herzustellen ist und welche die Lebensdauer der Dichtung verlängern wird. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse und liefert weitere verbundene Vorteile.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz liefert die vorliegende Erfindung eine verbesserte Anordnung einer Hochdruck-Fluiddichtung für eine Verwendung in einer Hochdruckpumpe, die einen sich hin- und herbewegenden Kolben besitzt. Bei einer bevorzugten Ausführung schließt die Dichtungsanordnung einen Dichtungsträger mit einer Bohrung ein, durch die ein sich hin- und herbewegender Kolben hindurchtritt. Der Dichtungsträger weist eine erste Ringnut auf, die konzentrisch zu der Bohrung ist und die eine ringförmige Dichtung trägt, wobei ein Endbereich der Dichtung von dem Dichtungsträger getragen wird. Der Dichtungsträger besitzt ein integriertes ringförmiges Führungslager, das in einer zweiten Ringnut des Dichtungsträgers positioniert ist, wobei die zweite Ringnut und das Führungslager, das darin enthalten ist konzentrisch zu der Bohrung sind und axial von der ersten Ringnut und der Dichtung beabstandet sind. Die Bohrung durch den Dichtungsträger ist deshalb durch einen inneren Umfang des Führungslagers, einen inneren Umfang der Dichtung und durch einen inneren Bereich des Dichtungsträgers, der zwischen der Dichtung und dem Führungslager positioniert ist definiert. Ein Innendurchmesser des Führungslagers ist kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung des Dichtungsträgers in dem Bereich zwischen der Dichtung und dem Führungslager und verhindert somit, dass der Kolben mit dem Dichtungsträger in Kontakt gerät. Auf diese Weise wird die Dichtung durch den Dichtungsträger getragen und der Dichtungsträger wird durch das Führungslager von dem Kolben getrennt, vermindert somit Reibungswärme und erhöht die Lebensdauer der Dichtung. Auch werden die Materialien für das Führungslager und den Kolben so ausgewählt, um die Reibung zwischen den beiden Elementen zu minimieren.
Das Führungslager ist in dem Dichtungsträger positioniert und die Bohrung wird dann in dem Dichtungsträger und dem Führungslager in der selben Montage maschinell ausgeführt wodurch die Konzentrizität und Flucht des Führungslagers und des Teils des Dichtungsträgers, der die ringförmige Dichtung trägt verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittzeichnung einer Pumpenanordnung, die eine Dichtungsanordnung beinhaltet, welche in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgelegt wird.
2 ist eine vergrößerte Schnittzeichnung der Dichtungsanordnung, die in 1 gezeigt ist.
3 ist eine Schnittzeichnung eines Elements der Dichtungsanordnung, die in 1 und 2 gezeigt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine verbesserte Anordnung 10 einer Hochdruck-Fluiddichtung wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wie in 1 dargestellt geliefert. Die Dichtungsanordnung 10 dient zur Verwendung in einer Hochdruckpumpenanordnung 22, die einen sich hin- und herbewegenden Kolben 14 besitzt, der mit einem Antriebsmechanismus 26 gekoppelt ist. Der Kolben 14 bewegt sich in einem Hochdruckzylinder 24 hin und her, wobei die Dichtungsanordnung 10 das Auslaufen von Hochdruckfluid aus einem Hochdruckgebiet 23 innerhalb des Hochdruckzylinders 24 verhindert.
Genauer schließt, wie in den 2 und 3 dargestellt die Dichtungsanordnung 10 einen Dichtungsträger 12 mit einer Bohrung 13 ein, durch die der sich hin- und herbewegende Kolben 14 hindurchtritt. Der Dichtungsträger 12 besitzt eine erste Ringnut 15, in der eine ringförmige Dichtung 17 positioniert ist. Eine ringförmige Elastomer-Dichtung 25 ist um den äußeren Umfang der ringförmigen Dichtung 17 vorgesehen, um die ringförmigen Dichtung 17 während des Beginns eines Druckstoßes zu kräftigen. Eine Hülse 50, die innerhalb des Hochdruckgebiets 23 positioniert ist nimmt eine Feder 52 auf, welche mit der ringförmigen Dichtung in Eingriff steht und sie zu der ersten Ringnut 15 vorwärtstreibt, um die ringförmige Dichtung wirksam davon abzuhalten sich aus der ersten Ringnut heraus zu bewegen. Die ringförmige Dichtung 17 besitzt einen Flansch-Teil 54, der mit der Feder 52 im Eingriff steht und wirksam die Feder davon abhält, dass sie sich seitlich zu einem Kontakt mit dem Kolben 14 bewegt. Der Dichtungsträger 12 besitzt auch ein integriertes ringförmiges Führungslager 19, das in einer zweiten Ringnut 16 innerhalb der Bohrung 13 positioniert ist. Wie man in 3 sieht sind die zweite Ringnut 16 und das Führungslager 19, das darin positioniert ist axial von der ersten Ringnut 15 und der ringförmigen Dichtung 17, die darin enthalten sind beabstandet.
Der Innendurchmesser 20 des Führungslagers 19 ist kleiner als der Innendurchmesser 21 der Dichtungsträgerbohrung 13 in einem Gebiet 11 zwischen der Dichtung 17 und dem Führungslager 19. Zum Beispiel ist bei einer bevorzugten Ausführung der Innendurchmesser 20 0,0127–0,0381 mm (0,0005–0,0015 Inch) kleiner als der Innendurchmesser 21. Auf diese Weise wird der Endbereich 18 der ringförmigen Dichtung 17 durch Bereich 11 des Dichtungsträgers 12 getragen; Gebiet 11 des Dichtungsträgers 12 ist jedoch nicht in Kontakt mit dem Kolben 14 bei gegebener Anordnung des Führungslagers 19.
Eine Dichtungsanordnung, die in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgelegt wird, trägt deshalb eine Dichtung direkt durch den Dichtungsträger und beseitigt die Notwendigkeit für einen Stützring. Das integrierte Führungslager verhindert, dass der Kolben mit dem Dichtungsträger in Kontakt kommt und reduziert damit die Reibungswärme in der Nachbarschaft der Dichtung, was wiederum die Lebensdauer der Dichtung erhöht. Um die Langlebigkeit der Anordnung weiter zu erhöhen, werden die Materialien für die Komponenten so ausgewählt, um die Reibung zwischen dem Kolben und dem Führungslager und zwischen dem Kolben und der Dichtung zu minimieren. Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Kolben 14 aus einer teilweise stabilisierten Zircondioxid-Keramik, das Führungslager 19 besteht aus mit einem Kunstharz imprägnierten Graphit und die Dichtung 17 besteht aus einem Polyethylen mit einem außerordentlich hohem Molekulargewicht. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass eine Vielzahl von Materialien verwendet werden kann und die Auswahl der Materialien für die Komponenten ist unabhängig.
Um die Zuverlässigkeit der Dichtung weiter zu erhöhen wird die Dichtungsanordnung bevorzugt durch Einpressen des Führungslagers 19 in den Dichtungsträger 12 und durch maschinelle Herstellung der Bohrung durch das Führungslager und durch Gebiet 11 des Dichtungsträgers in dem selben Verarbeitungsgang hergestellt. Wie oben diskutiert wird der Innendurchmesser der Bohrung in Gebiet 11 geringfügig größer als der Innendurchmesser 20 der Bohrung durch das Führungslager gearbeitet. Durch Bearbeitung beider Bereiche in demselben Arbeitsschritt jedoch wird die Konzentrizität der Elemente verbessert im Vergleich zu Systemen entsprechend dem Stand der Technik, bei denen die Elemente einer Dichtungsanordnung unabhängig maschinell bearbeitet und dann zusammengefügt werden.
Eine verbesserte Anordnung einer Hochdruck-Fluiddichtung wurde gezeigt und beschrieben. Aus dem Vorausgehenden wird man erkennen, dass, auch wenn spezielle Ausführungen der Erfindung hier zu Erläuterungszwecken beschrieben wurden verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können ohne von dem Ziel der Erfindung abzuweichen. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern vielmehr so, wie sie durch die folgende Patentansprüche definiert sind.

Claims

Hochdruck-Fluiddichtungsanordnung, die umfasst: einen Dichtungsträger (12), der eine Bohrung (13) aufweist, durch die ein sich hin- und herbewegender Kolben (14) hindurchtreten kann, und eine erste Ringnut (15) konzentrisch zu der Bohrung (13) sowie eine zweite Ringnut (16) aufweist, die konzentrisch zu der Bohrung (13) ist und die axial von der ersten Ringnut beabstandet ist; eine ringförmige Dichtung (17), die in der ersten Ringnut (15) angeordnet und dem Kolben (14) zugewandt ist, wobei ein Endbereich (18) der Dichtung (17) von dem Dichtungsträger (12) getragen wird; gekennzeichnet durch: ein ringförmiges Führungslager (19), das in der zweiten Ringnut (16) angeordnet ist und mit dem Kolben (14) in Kontakt kommt, wobei ein Innendurchmesser (20) des ringförmigen Führungslagers (19) zwischen ungefähr 0,0127 mm (0,0005 Inch) und ungefähr 0,0381 mm (0,0015 Inch) kleiner ist als ein Innendurchmesser (21) der Bohrung (13) des Dichtungsträgers (12) in einem Bereich (11) zwischen der ersten Ringnut (15) und der zweiten Ringnut (16).
Hochdruck-Fluiddichtungsträger (12), der umfasst: einen Körper, der eine Bohrung (13) aufweist, durch die ein sich hin- und herbewegender Kolben (14) hindurchtreten kann, und eine Ringnut (15) konzentrisch zu der Bohrung (13) aufweist, die eine ringförmige Dichtung (17) aufnimmt, wobei der Dichtungsträger (12) mit einem ringförmigen Führungslager (19) versehen ist, das konzentrisch zu der Bohrung (13) ist und axial von der Ringnut (15) beabstandet ist, wobei der Innenumfang des ringförmigen Führungslagers (19) einen Abschnitt der Bohrung (13) bildet, durch die der sich hin- und herbewegende Kolben (14) hindurchtreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Führungslager (19) mit dem Kolben (14) in Kontakt kommt, und dadurch, dass ein Innendurchmesser (20) des ringförmigen Führungslagers (19) zwischen ungefähr 0,0127 mm (0,0005 Inch) und ungefähr 0,0381 mm (0,0015 Inch) kleiner ist als ein Innendurchmesser (21) der Bohrung (13) des Dichtungsträgers (12) in dem Bereich (11) zwischen der Ringnut (15) und dem ringförmigen Führungslager (19).
Hochdruck-Pumpenanordnung, die umfasst: einen Kolben (14), der mit einem Antriebsmechanismus (26) verbunden ist, wobei sich der Kolben (14) in einer Hochdruckkammer (23) hin- und herbewegt, die in einem Hochdruckzylinder (24) ausgebildet ist, sowie eine Dichtungsanordnung, die an die Hochdruckkammer (23) angrenzend vorhanden ist, um im Wesentlichen das Austreten von Hochdruckfluid aus der Hochdruckkammer (23) zu verhindern, wobei die Dichtungsanordnung eine Bohrung (13) aufweist, durch die der sich hin- und herbewegende Kolben (14) hindurchtritt, und eine erste Ringnut (15) konzentrisch zu der Bohrung (13) sowie eine zweite Ringnut (16) aufweist, die axial von der ersten Ringnut (15) beabstandet ist und die konzentrisch zu der Bohrung (13) ist, wobei eine ringförmige Dichtung (17) in der ersten Ringnut (15) angeordnet ist und ein Endbereich (18) der Dichtung (17) von dem Dichtungsträger (12) getragen wird, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Führungslager (19), das in der zweiten Ringnut (16) angeordnet ist und mit dem Kolben (14) in Kontakt kommt, wobei ein Innendurchmesser (20) des ringförmigen Führungslagers (19) zwischen ungefähr 0,0127 mm (0,0005 Inch) und ungefähr 0,0381 mm (0,0015 Inch) kleiner ist als ein Innendurchmesser (21) der Bohrung (13) des Dichtungsträgers (12) in dem Bereich (18) zwischen der ersten Ringnut (15) und der zweiten Ringnut (16), so dass der Kolben (14) mit dem Führungslager (19) in Kontakt ist, jedoch mit dem Dichtungsträger (12) nicht in Kontakt ist.
Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Elastomerdichtung (25), die um einen Außenumfang der ringförmigen Dichtung (17) herum angeordnet ist, um die ringförmige Dichtung (17) beim Beginn eines Druckhubs zu spannen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien des ringförmigen Führungslagers (19), des Kolbens (14) und der Dichtung (17) so ausgewählt werden, dass gewährleistet ist, dass ein niedriger Reibungskoeffizient zwischen dem Kolben (14) und der Dichtung (17) sowie zwischen dem Kolben (14) und dem Führungslager (19) vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) aus teilweise stabilisierter Zirkonkeramik besteht, das Führungslager (19) aus harzimprägniertem Graphit besteht und die Dichtung (17) aus einem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Hochdruck-Fluiddichtung, das den Schritt des Einführens eines ringförmigen Führungslagers (19) in eine Öffnung (13) eines Dichtungsträgers (12) umfasst, und gekennzeichnet durch den Schritt des: Fertigens einer Bohrung (13) in dem Führungslager (19) und in dem Dichtungsträger (12) bei ein- und derselben Einstellung, wobei ein Innendurchmesser (20) der Bohrung (13) durch das Führungslager (19) kleiner ist als ein Innendurchmesser (21) der Bohrung durch den Dichtungsträger (12).