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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 95/21690
bekannt.
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Die WO 95/21690 offenbart einen Hochdruckbehälter mit
einer zylindrischen Einlage, der an zwei Enden offen ist und mit
der Hilfe von einer Stahldrahtwicklung unter radialer Vorspannung
angeordnet ist. Bei diesem Hochdruckbehälter ist als eine Folge der
Stahlwicklung die Vorspannung gleich der tangentialen Spannung,
die erzeugt wird, wenn der Hochdruckbehälter mit Druck beaufschlagt
wird.
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Drücke zwischen 1.000 und 15.000
Bar können
in dem bekannten Hochdruckbehälter
erzeugt werden. In diesem Zusammenhang kann der zylindrische Druckbehälter mit
einem Fluid befüllt
werden, um einen isostatischen Druck auf beispielsweise Nahrungsmittel,
Arzneimittel, kosmetische Präparate und Ähnliches
aufzubringen. Mit Hilfe der Hochdruckbehandlung bei diesen Drücken können gefährliche Mikroorganismen
und Enzyme abgetötet
werden, ohne dass Vitamine geschädigt
werden oder der Geschmack verschlechtert wird.
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Als eine Folge der variierenden Spannung auf
den bekannten Druckbehälter
können
Haarrisse darin entstehen, mit dem Ergebnis, dass der Behälter schließlich unbrauchbar
wird. Um einen adäquaten Widerstand
bezüglich
des Innendrucks zu erreichen und um die Bildung von Haarrissen zu
verhindern, haben die bekannten Druckbehälter eine relativ schwergewichtige
Konstruktion mit mehreren konzentrischen Stahlwänden. Das Herausnehmen des relativ
schwergewichtigen Druckbehälters
aus der Hydraulikpresse, dessen Entleeren und Beladen mit neuem
Material, das behandelt werden soll, nimmt eine relativ lange Zeit
in Anspruch, was zur Folge hat, dass der Durchsatz bei der bekannten
Vorrichtung begrenzt ist.
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Wenn der Hochdruckbehälter gemäß Stand der
Technik eine leichtgewichtigere Konstruktion hat, um in der Lage
zu sein, ihn schneller und leichter zu befüllen und zu entleeren, müssen geringere
Drücke verwendet
werden, wodurch als Folge die Verweildauer des Produkts in dem Hochdruckbehälter ansteigt.
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Es ist folglich eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckvorrichtung zur Verfügung zu
stellen, bei der der Hochdruckbehälter eine relativ leichtgewichtige
Konstruktion haben kann, der aber trotzdem noch mit hohen Drücken betrieben
werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine Hochdruckvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe
derer die Verweildauer der Produkte verkürzt werden kann, bei der der Hochdruckbehälter relativ
leicht und einfach außerhalb
der Hochdruckvorrichtung angeordnet sowie leicht befüllt und
entleert werden kann, und bei der eine lange Lebensdauer über eine
große
Anzahl von Drucklastzyklen möglich
ist.
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Die Hochdruckvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit
Fasern verstärkt
ist, wobei die Vorspannmittel eine Komprimierungsvorrichtung umfassen,
die mit dem zweiten Druckmittel verbunden ist und durch das zweite
Druckmittel zum Ausüben
eines axialen Drucks auf den Hochdruckbehälter in der axialen Richtung
beweglich ist. Es wurde herausgefunden, dass durch Aufbringen einer
axialen Vorspannung auf den Hochdruckbehälter durch Komprimierung in
der axialen Richtung das Spannungsmuster über der Wand des Behälters gleichmäßiger ist. Als
ein Ergebnis wird die Spannung an dem innersten Wandabschnitt merklich
vermindert, was einen vorteilhaften Effekt auf die Lebensdauer des
Behälters hat.
Außerdem
wird die gesamte Wanddicke praktischer genutzt, um die gewünschte Festigkeit
zu erhalten, mit dem Ergebnis, dass die Wand eine dünnere Konstruktion
haben kann, oder, wenn die Wanddicke gleich bleibt, der Druck erhöht werden
kann.
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Vorzugsweise ist der Behälter aus
einem Verbundmaterial hergestellt, das Fasern beinhaltet, die in
Kunststoff eingebettet sind. Der Druck, der durch die Vorspannmittel
ausgeübt
wird, kann abhängig
von dem Innendruck in dem Hochdruckbehälter sein, so dass keine Vorspannung
ausgeübt
wird, wenn der Behälter
nicht unter Druck steht. Die Vorspannmittel können ein Druckelement, das
in der axialen Richtung bezüglich
dem zylindrischen Hochdruckbehälter
beweglich ist und an einer Endfläche des
Hochdruckbehälters
eingreift, sowie eine Zuleitung zum Zuleiten einer Hydraulikflüssigkeit
zu dem Druckelement umfassen. Mit einer relativ kleinen Anzahl von
einfachen Modifikationen können
solche Vorspannmittel einfach in bekannte Hydraulikanlagen integriert
werden, um in dem Hochdruckbehälter Druck
zu erzeugen.
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Der Hochdruckbehälter der vorliegenden Erfindung
kann Metall enthalten und enthält
vorzugsweise ein Verbundmaterial, das aus Fasern hergestellt ist,
die eine Zugfestigkeit von 1.000 MPa oder mehr haben, wie zum Beispiel
Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern. Diese Fasern können in
einer Matrix aus zum Beispiel einem Epoxidharz, Polyamid oder Polyurethan
eingebettet sein. Vorzugsweise sind die Fasern im Wesentlichen in
Umfangsrichtung orientiert, so dass eine hohe tangentiale Festigkeit
des Hochdruckbehälters
erreicht wird. Geeignete Hochdruckbehälter, die aus Verbundmaterialien
des obigen Typs hergestellt sind, sind detailliert in der EP-A-842,696
im Namen des Anmelders beschrieben. Ein aus Verbundmaterial hergestellter Hochdruckbehälter gemäß der vorliegenden
Erfindung, auf den eine axiale Vorspannung aufgebracht ist, hat
eine Lebensdauer von 300.000 Zyklen oder mehr bei einem Betriebsdruck
von 10 kBar.
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Durch Aufbringen einer axialen Vorspannung werden
die Scherspannungen in der Wand des Hochdruckbehälters, insbesondere in einer
aus Verbundmaterial hergestellten Wand, vermindert.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter dicht
bei zumindest einer der Endflächen
mit einem Verstärkungsring
versehen ist, der sich radial nach außen in der axialen Richtung verdickt.
Um die Vorspannung in die Wand als eine Funktion des Abstands von
der Achse des Behälters auf
den korrekten Wert zu bringen, ist der Druckring so geformt, dass
die Scherspannung nahe dem Inneren des Hochdruckbehälters vermindert
ist und für Wandabschnitte
nahe der Außenseite
der Wand erhöht
ist. Als ein Ergebnis der Verwendung des Verstärkungsrings wird außerdem die
radiale Dehnung nahe den Endflächen
(an der Stelle einer möglichen Dichtung)
minimiert.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
von einem Hochdruckbehälter
gemäß der Erfindung
weist ein Gehäuse
mit einer Längsachse
sowie eine erste und eine zweite Druckkammer auf, die entlang der Achse
angeordnet sind. Eine obere Endfläche des Hochdruckbehälters ist
in oder dicht bei der zweiten Druckkammer angeordnet. Ein Kolben
mit einem Kolbenkopf, der in der ersten Druckkammer angeordnet ist,
und einer Kolbenstange, die mit dem Kolbenkopf verbunden ist, ist
in der Längsrichtung über die
zweite Druckkammer bis in den Hochdruckbehälter beweglich. Ein Druckring
ist um die Kolbenstange herum beweglich aufgenommen, wobei der Druckring
in der Lage ist, an der oberen Endfläche des Hochdruckbehälters einzugreifen.
Das Zuführen
einer Hydraulikflüssigkeit
in die zweite Druckkammer bewirkt, dass der Druckring an der Wand
des zylindrischen Hochdruckbehälters
anliegt, um so eine axiale Vorspannung darauf aufzubringen. Vorzugsweise
ist der Fluiddruck in der zweiten Druckkammer abhängig von
dem Fluiddruck, der auf den Kolben wirkt, so dass die Vorspannung
proportional zu dem Druck auf den Kolben und somit zu dem Druck
im Inneren des Hochdruckbehälters
ist.
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Die Wand des Hochdruckbehälters kann
aus mehreren Schichten, beispielsweise sechs Schichten, aus sehr
zugfesten Fasern aufgebaut sein, wobei die Einlage des Behälters aus
einem superelastischen Material hergestellt ist. Das superelastische Material
trennt die Verbund-Ummantelung von dem Hydraulikmedium und ist selbst
keinen Spannungen ausgesetzt. Die Einlage muss in der Lage sein,
Dehnungen in der Größenordnung
von 2% zu widerstehen. Nickeltitan-Legierungen oder Polymere, wie zum
Beispiel ABS, PE, PP oder Polycarbonate, sind für diesen Zweck geeignet.
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Ein Ausführungsbeispiel von einer Hochdruckvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in größerem Detail
anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschreiben, in denen
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1 eine
perspektivische Ansicht von einer Hochdruckvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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2 einen
Längsschnitt
durch die Vorrichtung aus 1 zeigt,
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3 in
vergrößertem Maßstab ein
Detail von dem Ende der Kolbenstange zeigt,
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4 einen
Längsschnitt
durch einen Hochdruckbehälter
zeigt, der zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 1 und 2 geeignet
ist, und
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5a und 5b den Ausdruck von der tangentialen
Spannung in der Wand von dem Hochdruckbehälter zeigen, der aus Verbundmaterial
hergestellt ist, und zwar ohne bzw. mit axialer Vorspannung.
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1 zeigt
eine Hochdruckvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung,
die ein Gehäuse 2 mit
einem Kolben und einem Druckring aufweist, der darin hin- und herbewegbar
ist. Die Vorspannmittel zum Ausüben
eines axialen Drucks auf die Wand eines Hochdruckbehälters 3 sind
ebenfalls in dem Gehäuse 2 untergebracht.
Der zylindrische Hochdruckbehälter 3 liegt
an dem Gehäuse 2 an
und kann, beispielsweise über
ein in der Figur nicht gezeigtes Schienensystem, unter dem Gehäuse 2 angeordnet und
wieder zur Seite wegbewegt werden. Die Vorrichtung 1 weist
außerdem
einen Bügel 4 auf,
der aus einer Anzahl von parallelen Verstärkungsplatten hergestellt ist,
um den Hochdruckbehälter 3 und
das Gehäuse 2 während des
Betriebs unter Betriebsdrücken von
10.000 Bar und mehr in axialer Richtung zusammenzuhalten. Wie in 2 gezeigt, weist der Hochdruckbehälter 3 einen
Zylinder auf, der an beiden Enden offen ist und mit Hilfe von einer
unteren Endfläche 6 auf
einem Fußteil 5 der
Hochdruckvorrichtung 1 aufliegt. Eine Kolbenstange 8 von
einem Kolben oder "Verstärker" 9 führt durch
die Öffnung
in der oberen Endfläche 7 des
Hochdruckbehälters 3.
Das Oberteil des Kolbens 9 weist einen Kolbenkopf 10 auf,
der in einer ersten Druckkammer 11 des Gehäuses 2 aufgenommen
ist. Die erste Druckkammer 11 ist am Boden durch eine Wand 12 geschlossen, durch
die die Kolbenstange 8 mit einer Dichtung geführt ist.
Die Wand 12 begrenzt eine zweite Druckkammer 13,
in der ein Druckring 14 hin- und herverschiebbar ist.
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Auf beiden Seiten von dem Kolbenkopf 10 sind
Zuleitungen 16, 17 in die Druckkammer 11 geführt, um
den Kolben 9 hin- und herzubewegen. Eine Zuleitung 18 ist
in die zweite Druckkammer 13 zwischen dem Druckring 14 und
der Wand 12 geführt. Eine
vierte Zuleitung 19 ist über die unteren Endfläche 6 in
die Druckkammer 20 des Hochdruckbehälters 3 geführt.
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Ein Hydraulikmedium, zum Beispiel
Wasser, kann über
die Zuleitung 19 in die Druckkammer 20 geleitet
werden, um auf das zu behandelnde Produkt einen isostatischen Druck
auszuüben,
das sich in der Druckkammer 20 befindet. Mit Hilfe des
Hydraulikmediums kann ein Vordruck von beispielsweise 2.000 Bar
erzeugt werden. Ein Betriebsdruck kann dann auf den Kolbenkopf 10 ausgeübt werden,
indem die Zuleitung 16 mit dem oberen Abschnitt der ersten Druckkammer 11 verbunden
wird. Dieser Druck wird proportional zu dem Verhältnis zwischen dem Flächengebiet
von dem Kolbenkopf 10 und dem Flächengebiet der Kolbenstange 8 in
die Druckkammer 20 des Hochdruckbehälters 3 übertragen,
so dass der gesamte Innendruck an diesem Ort zum Beispiel 10 kBar
oder mehr beträgt.
Durch Verbindung der Zuleitung 18 mit einer Druckquelle
wird die zweite Druckkammer 13 mit einem Druck beaufschlagt,
so dass der Druckring 14 eine axiale Vorspannung auf die
Wand des Hochdruckbehälters 3 ausübt. Am Ende
einer vorbestimmten Behandlungszeit kann der Druck in der Leitung 16 vermindert
werden, so dass der Kolben 9 nach oben gedrückt wird.
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Wie in größerem Detail in 3 gezeigt, ist das Ende
des Kolbens 9 mit einem Bund 21 versehen, der
an einem Ring 24 eingreift, der mit zwei Dichtungen versehen
ist. Der Ring 24 steht an einer unteren Kante von dem Druckring 14 in
Eingriff. Wenn der Druck in der zweiten Druckkammer 13 vermindert
wird, dann wird der Druckring 14 von der oberen Endfläche 7 des
Hochdruckbehälters 3 durch den
Bund 21 und den Ring 24 angehoben. Der Hochdruckbehälter 3 kann
dann von der Hochdruckvorrichtung 1 zur Seite wegbewegt
werden.
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Der Ring 24 ist durch das
Vorhandensein von zwei Dichtungen 33 und 34 gekennzeichnet.
Die äußere Dichtung 33 ist
eine statische Hochdruckdichtung zwischen der Einlage 25 und
dem Ring 24. Die innere Dichtung 34 ist eine dynamische
Hochdruckdichtung zwischen der Kolbenstange 8 und dem Ring 24.
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Das Aufteilen der Dichtung hat zumindest drei
Vorteile. Erstens, die Dichtung 33 kann so konstruiert
sein, dass keine Extrusion der Einlage 25 stattfinden kann.
Zweitens, es gibt keinen Reibungskontakt zwischen der Dichtung 33 und
der Einlage 25. Letztens, wenn an der Einlage eine dynamische Dichtung
vorgesehen wäre,
dann müsste
die Dichtung wegen der hohen elastischen Dehnung des Verbunds einen
Spalt von einigen Millimetern abdichten. Als eine Folge des Aufteilens
der Dichtung ist die radiale Expansion, die durch den Satz von Dichtungen ausgefüllt werden
muss, nur minimal.
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Verstärkungsringe 22, 23 aus
Stahl sind an der oberen und der unteren Endfläche 7, 6 installiert, um
eine korrekte Verteilung der tangentialen Vorspannung zu gewährleisten,
die durch den Druckring 14 auf die Wände des Behälters 3 erzeugt wird.
Die Dicke der Verstärkungsringe
nimmt in Richtung der Achse des Hochdruckbehälters 3 ab. Die radiale Dehnung
an der Oberseite und an der Unterseite des Druckbehälters 3 wird
mit Hilfe dieser Ringe ebenfalls minimiert.
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4 zeigt
den Hochdruckbehälter 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem vergrößerten Maßstab. Der
Hochdruckbehälter 3 weist
einen offenen Zylinder auf, bei dem die Einlage 25 der
Druckkammer 20 aus einem superelastischen Material hergestellt
ist. Die Einlage 25 muss keine Spannungen aushalten und
wird während
der Lebensdauer des Hochdruckbehälters 3 nicht
ausgewechselt. Die Einlage 25 ist in der Lage, einer Dehnung
in der Größenordnung
von 2% zu widerstehen. Die Einlage 25 kann aus superelastischen
Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel Nickeltitan-Legierungen.
Polymere, wie zum Beispiel APS, PE, PP oder Polycarbonate, können ebenfalls
verwendet werden. Eine Schicht aus Verbundmaterial 26,
die beispielsweise in Umfangsrichtung angeordnete Fasern enthält, die
eine Bruchfestigkeit in der Größenordnung
von 1.000–10.000
MPa haben, wie zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern,
ist um die Einlage 25 herum angeordnet. Diese Fasern können beispielsweise
in Epoxidharz oder in Polyurethan eingebettet sein. Die Wand 32 des
Hochdruckbehälters 3 kann
aus mehreren Schichten aus Verbundmaterial gebildet sein, wie in
der EP-A-842,696 beschrieben.
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An der Oberseite und an der Unterseite
des Hochdruckbehälters 3 sind
die Verstärkungsringe 22, 23 mit
einer abgeschrägten
Kante 28, 29 versehen, gegen die der Dichtungsring 24 anliegen
kann, wobei der Ring in gleitendem Kontakt um die Kolbenstange 8 herum
an der Oberseite des Hochdruckbehälters 3 angeordnet
ist, wie in 3 gezeigt,
und einen Teil des Fußstücks 5 an
der Unterseite des Hochdruckbehälters 3 bildet.
Als ein Ergebnis der Verwendung des Druckrings 14, der
während
des Betriebs mit der oberen Endfläche 7 Kontakt hat,
kann eine axiale Dichtung 30 verwendet werden, um eine
gute Abdichtung über
der Endfläche 7 zu
erreichen, und das auch bei sehr hohen Betriebsdrücken.
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Die Höhe H des Hochdruckbehälters 3 kann zum
Beispiel 27 cm betragen. Der Außendurchmesser
D2 des Hochdruckbehälters 3 beträgt beispielsweise
30 cm, wohingegen der Durchmesser D1 der Druckkammer 20 etwa
10 cm beträgt.
Die Dicke der Verstärkungsringe 22, 23 beträgt am äußeren Umfang 31 des
Hochdruckbehälters 3 zum
Beispiel 4,5 cm. Die obigen Abmessungen sind lediglich darstellender
Natur und können
in einem breiten Bereich variieren, und zwar abhängig von der Größe und der Menge
des in der Druckkammer 20 zu behandelnden Materials.
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5a zeigt
einen Ausdruck von der tangentialen Spannung über der Breite D der Wand 32 des Hochdruckbehälters 3 beim
Aufbringen eines Drucks in die Druckkammer 20, ohne dass
eine axial gerichtete Vorspannung auf die Wand ausgeübt wird.
Die tangentiale Spannung σ ist
an der Stelle der Einlage 25 am größten und nimmt in Richtung
auf den äußeren Umfang 31 der
Wand 32 sehr schnell ab. Wie in 5b gesehen werden kann, und zwar als
ein Ergebnis der Aufbringung einer axialen Vorspannung auf die Wand 32 über die
Verstärkungsringe 22, 23, wird
die tangentiale Spannung an der Stelle der Einlage 25 (links
in 5b) merklich vermindert,
und die tangentiale Spannung an der Stelle des äußeren Umfangs 31 (rechts
in 5b) wird vergrößert, so
dass ein gleichförmigeres
Spannungsmuster erhalten wird. Durch die Verminderung der tangentialen
Spannung wird die Last auf die Fasern des Verbundmaterials nahe
der Einlage 25 merklich vermindert, was einen vorteilhaften
Effekt auf die Lebensdauer des Druckbehälters 3 hat. Die Fasern
werden über
die gesamte Dicke der Wand praktisch genutzt, und es sind nicht
nur die innersten Fasern, die wirksam sind. Die Vorspannung auf
den Druckbehälter 31 ist
vorzugsweise so, dass eine axiale Komprimierung von 0,5% bis 2%
erreicht wird.
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Vorzugsweise ist der Druckbehälter 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer akustischen Emissionsvorrichtung versehen, um
Mikrodefekte zu erfassen, die während
des Beaufschlagens mit Druck und des Reduzierens des Drucks entstehen.
Wenn sich der Druckbehälter
seiner kritischen Lebensdauer nähert,
dann steigt die Intensität
der Anzahl von Mikrodefekten stark an, aber der Behälter scheint
von außen
immer noch vollständig
intakt zu sein. Durch Messen der akustischen Emission kann die Sicherheit
des Hochdruckbehälters 3 gewährleistet
werden, und ein Hochdruckprozess kann rechtzeitig beendet werden,
wenn die Anzahl von Mikrodefekten eine kritische obere Grenze übersteigt.