JPH01110878A - 液体及びガスを圧縮する作業ピストンを有するピストンポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ピストンポンプ、特に直列ピストンポンプ又
は差動ピストンポンプの構成要素として、作業空間を満
たしかつ空にする装置を有し、特に極めて高い圧力に液
体及びガスを圧縮する作業ピストンを有するピストンポ
ンプに関する。

従来の技術 技術の多くの分野において、特に機械工学、建築工業、
化学工業、鉄工業及び鉱業において、最近１０年の間に
、１０，０００バール及びそれ以上の極めて高い圧力を
必要とする技術システムがますます使用される。それに
よりポンプ及び圧力変換器の特殊な開発が開始されてお
り、これらポンプ及び圧力変換器は、高（゛圧力のため
にピストンとシリンダ壁の間の密閉に関して技術的に極
めて複雑な、従ってコストのかかる構造上の解決策を必
要としている。極めて高度な要求のためこれらすべての
解決策は、その上おおいに寿命を短くする。

ポンプ開発の際に高いかつ極めて高い圧力で、もっばら
１つ又は複数のピストンを有する直列ピストンポンプ方
式が利用され、その際駆動機構の運動学的構成は比較的
簡単で問題もないが、ピストンとシリンダの間の前記の
パツキンに広範囲な困難が生じる。もっばら直線的に振
動する運動を伴う圧力変換器において、片側及び両側に
作用する構造形式があり、その際最高圧段のピストンと
シリンダには、ピストンポンプと同様な問題と困難が生
じる。

まだこのように小さい場合にもピストンとシリンダ壁の
間の間隙を橋絡しなければならないパツキン素子には、
極めて圧力が高い場合に、極めて大きな力が作用し、こ
れらの力は、ポンプ過程の間継続的に上昇し、かつ再び
低下する。それにより多様な問題と困難が生じ、これら
問題と困難ハ、作業媒体及びそれと共にピストン、シリ
ンダ壁及びパツキンも、動作中に異なった、しばしば変
動する温度を有することがあることにより、さらに増加
する。それにより互いに相対的に動く部分とパツキンの
間において極めて密に整合した場合、良好な潤滑特性を
有する鉱物油又は圧力媒体を使用した場合にちょうどま
だ存在することがある別の障害が生じる。作業媒体とし
て油を使用する液圧制御装置、調整回路及び閉じた油圧
システムにおいて、極めてまれな場合にしか極めて高い
圧力を必要としないので、これら圧力の使用は、はとん
どの場合極めてわずかな潤滑作用を用いず又（・工用い
て液体及びガスを使用するプロセスに限定される。はと
んどの場合、これら圧力媒体により連続動作中に一連の
物質は、腐食、エツチング又はその他の化学物理的破壊
の作用を受けるので、パツキン素子に対して材料の選択
は大幅に制限される。エラストマーから成るパツキン素
子を利用しようとする場合、動作圧力による問題と困難
に比例以上の関係で増加する。なぜならパツキンは、は
とんどの場合に付加的な支持リングを使用するにもかか
わらず、極めて小さい場合にもピストンとシリンダ壁の
間の間隙内に押込まれ、かつパツキン素子に作用する力
が定常的に上昇及び下降する場合、あまりにも早く消耗
するからである。圧力変動により、極めて小さい場合に
も密閉縁及び間隙においてパツキン材料の継続的な往復
運動が生じ、それにより極めて圧力が高い場合、パツキ
ンの早期の破壊が生じる。

鉱物及び強度の高い材料を切断、破壊及び粉砕するため
に最近ますます増加した高圧水噴射の利用及び化学工学
及び化学工業の分野の多くの用途において、適当なポン
プ又は圧力変換器だけが利用できる場合、２０，０００
バール以下のさらに高い動作圧力が利用される。

発明の目的 本発明の課題は、極めて高い圧力のためのポンプ及び圧
力変換器のパツキンにおいて、周知技術の可能性では解
決できない前記の多様な問題及び困難を、本発明により
次のようにして除去することにある。すなわち直列に接
続された複数のパツキンセラトラ介して圧力を段階的に
低下し、かつ圧力媒体に潤滑作用がない場合、適当な油
供給によりパツキンに必要な潤滑効果を得る。それによ
りなおこのように高い動作圧力は、経済的にひきあう手
段により制御可能な圧力ステップに分割でき、かつ中間
的な圧力を密閉するためテストされかつ利用できるとわ
かった素子が構造的に利用できる。パツキン材料として
エラストマーを使用する場合、直列接続された個々の圧
力段における圧力は、早期にパツキンが摩耗する前記の
問題が生じない程度に低下できる。

発明の構成 本発明によれば、そのためピストンとシリンダ壁の間に
複数のパツキンセットが直列に配置され、かつ個々のパ
ツキンの間の空気に油が加えられるという基本構想が選
ばれ、その際パツキンの間の圧力は、パツキン段からパ
ツキン段へと低下するので、それぞれのパツキンは、そ
れぞれの差圧だけを橋絡すればよい。

個々のパツキン段の間の圧力の段階的な低下は、本発明
によれば次のようにして行われる。すなわちパツキンセ
ットの間の空間は、小さな圧力変換器を介して互いに連
結された簡単な油回路の構成要素である。

本発明の思想をさらに継続すれば、作業媒体を密閉する
第１のパツキンセットにおいて潤滑作用を行うため、さ
らになおこのパツキンセットの後において作業媒体の動
作圧力よりもいくらか高い油圧な形成することができる
ので、相応したこのパツキンは常に潤滑される。この時
この高い油圧は、もっばらこの後に接続された別のノく
ツキン段により段階的に、かつ制御された圧力段階で前
記のように低下する。

本発明の前記２つの特徴に基づいて、ポンプ及び圧力変
換器において基本的に次のことが可能である。すなわち
一方において相応して多数のノ（ツキンセットヲ直列に
接続するだけで、任意に高い動作圧力が得られ、かつ他
方において潤滑作用のない圧力液及びガスが作業媒体と
して利用可能である。

実施例 本発明の実施例を以下図面によって詳細に説明する。

第１図は、段階的に圧力を低下する本発明によるパツキ
ンの最も簡単な構成を有する単一又は多ピストンポンプ
の基本構成な示している。クランク駆動装置１は、クロ
スヘツド２を介して１つ又は複数のピストン棒３に結合
されており、これらピストン棒は、シリンダ４内で振動
して往復運動する。圧力媒体の吸入は導管５と逆止め弁
６を介して行われ、一方高圧圧力媒体の吐出は逆止め弁
７と放出導管８を介して行われる。

ピストンとシリンダ壁の間には、特にシリンダに埋め込
まれ、直列に接続された２つのパツキン９．１０があり
、これらパツキンの間には、補助回路に接続された圧力
空間１１が配置されている。シリンダ４０作業空間１２
ニ、導管１３を介して圧力変換器１５のり／グ空間１４
に接続されており、この圧力変換器を介して圧力媒体の
回路と油圧補助回路が互いに連結されている。

圧力空間１２内の作業圧力ハノ＜ツキン９．１０を介し
て段階的に低くするので、圧力変換器１５の圧力空間１
６は、導管１７ヲ介してパツキンの間に配置されたリン
グ空間１１に接続されている。直列に配置された２つの
パツキン９．１０において、すなわち作業空間１２内の
圧力を２段階に低下する場合、圧力変換器１５０面積比
を、すなわち圧力空間１４．１６の有効面積の比をｌ：
２の関係にすると有利である。作業空間１２内の圧力を
パツキン９．１０によって段階的に低下しても、従って
それぞれ１つのパツキンに作用する力が大幅低下し、又
は困難なく制御できる程度にしても、周知のように特に
ニジストマーから成るパツキン９．１０の両側に支持リ
ング１８．１９．２０，２１を配置することは有利であ
り、それにより作業空間１２内の圧力が急速に連続して
上昇及び下降した場合、パツキンが密閉間隙内に引込ま
れ、又はパツキンの縁が損傷することを防止するように
する。

第２図には油圧補助回路の比較的簡単に構成された作用
方式が示されている。比較的小さな圧力変換器１５は、
導管１７を介してパツキン９．１００間のリング空間１
１に接続されたリング空間１４内に比較的小さな油ため
容器を有する。油圧補助回路の同様に極めてわずかしか
生じない漏れ損失の影響’に限定するため、パツキン９
．１００間のリング空間１１、及び圧力変換器１５のピ
ストン面の下の圧力空間１６は、液圧蓄積器２２に接続
されている。しかし蓄積器２２のバッファ作用にもかか
わらず、さらに長い動作時間の後に圧力変換器１５のピ
ストン２３がさらにシリンダ底部の方向へ動くと、ピス
トン棒２４に機械的に又は無接触で連結された接触スイ
ッチ２５が操作され、かつ適当な回路２６が閉じられ、
この回路は、図示されていない液圧スイッチ装置を介し
て圧力変換器１５及び圧力蓄積器２２に改めて充てんを
行う。同様に図示されていない制御及びロック装置によ
り、ポンプの停止の際にだけ圧力変換器１５の充てんが
行われる。このようにしてポンプの動作中に油圧補助回
路は常に接続されており、かつそれにより無段階の圧力
低下が維持されるようになる。

しかし第１のパツキン９と第２のパツキン１００間のリ
ング空間１１に作用ン及ぼすため、別の油圧補助回路を
選択してもよく、この油圧補助回路においてパツキン９
の下の潤滑作用を引起こすため、第３図から明らかなよ
うに、シリンダ空間内の作業圧力よりも高い圧力を生じ
る。このことは、高い又は極めて高い圧力にしようとす
る圧力媒体により十分な潤滑作用が得られる場合、常に
有利である。この場合ポンプの１つ又は複数の作業空間
１２に接続された導管１３は、第２図の構成とは逆に、
圧力変換器１５のピストン面の下の圧力空間１６に、拷
続されており、一方この圧力変換器のリング空間１４は
、導管１７を介してパツキン９．１０の間のリング空間
１１に接続されている。それによりリング空間１１には
、作業空間１２の圧力より高い圧力が生じるので、ピス
トン棒３の振動運動の際常に油がパツキン９の下に引込
まれ、従って必要な潤滑作用が達成される。圧力蓄積器
２２によれば、この場合にもわずかたけ生じる油圧補助
回路の漏れ損失は、長期にわたって吸収できる。それに
もかかわらず長い動作時間の後に圧力変換器１５のピス
トン２１を最終位置に近付けるようにするので、圧力空
間１４内にまだ極めてわずかな油容積が生じる場合、こ
の場合にもスイッチ２５が操作され、かつこれに付属の
回路２６が接続され、従ってこれに続く次のポンプの停
止の際、圧力変換器１５の自動的な新しい充てんが行わ
れる。

直列に配置されたパツキンの間のリング空間内の圧力は
、ポンプの１つ又は複数のシリンダ４の作業空間１２内
の圧力と共に変化する。なぜならすべての油圧補助回路
は、圧力変換器を介して互いに又は作業空間１２に連結
されているからである。

第４図による変形構成は、直列に配置された３つのパツ
キン９，１０．２７及びこれらパツキンの間にある２つ
のリング空間１１．２８及びこれらリング空間に付属の
２つの油圧補助回路を有する。両方の補助回路は、２つ
の中間段を介してポンプの圧力空間１２内に存在する動
作圧力を段階的に低下するだめに使われる。結合導管１
３．１７を有する圧力変換器１５によれば、リング空間
１１内の圧力は作業空間１２内の圧力に対して大幅に減
小されており、かつそれによりパツキン９は差圧を密閉
するだけでよいが、一方圧力変換器２９、分岐導管３０
及びリング空間部に通じる結合導管３１を有する第２の
油圧補助回路によれば、パツキン１０も、リング空間１
１、四の間の差圧を密閉するだけでよく、従っておおい
に力負荷を逃がされている。この時パツキン２７は、第
２の油圧補助回路内になお存在する圧力を密閉するだけ
でよい。

パツキン及びその間に配置されたリング空間１１、邦・
・・・・の数が任意に多い場合に個々のパツキンに作用
する力を同じ大きさにしようとする場合、作業空間１２
かも連続した個々の中間段階内の圧力は、等差数列の形
で低下する。例えば第４図による実施例において作業空
間内の圧力が６，０００バールである場合、リング空間
１１内に４，０００バールの圧力が、かつリング空間邸
内に２，０００バールの圧力が存在しなければならない
。この場合にだけパツキン９．１０．２７、・・・・・
に作用する差圧と力が同じになる。圧力変換器１５．２
９、・・・・・内において圧力は等比関係で減少するの
で、任意に多くの圧力段階を仮定した場合、等差数列は
等比泳列と一致する。それにより作業空間１２から数え
て、段階に圧力を低下するため全体でｎ個のパツキンの
場合、１番目のパツキンの後の油圧補助回路内の圧力は
、先行する油圧補助回路内の圧力から、すなわち１番目
のパツキンの前の補助回路内の圧力から、次の比例係数
による掛は算によって得られる。

従って圧力変換器は、パツキンの両側で同じ圧力差が望
ましい場合、すなわちすべてのパーツキンに同じ力が作
用することが望ましい場合、同じ大きさにできない。

第５図には、ピストンポンプのパツキンセットに関する
実施例が示されており、ここでは作業媒体の潤滑作用が
ないので、パツキン９を十分に潤滑するため、まずシリ
ンダ空間１２内の圧力より高い圧力が、第１の油圧補助
回路に存在する。続いて別の油圧補助回路を介してリン
グ空間２８．３５内で段階的な圧力低下が行われ、その
際最後のパツキン３６は、大気圧に対してリング空間３
５内の残留圧力を密閉する。従って圧力変換器１５は、
その後に接続された油圧補助回路のため圧力上昇を行う
が、一方圧力変換器２９．３７は、それぞれ後続の油圧
回路に圧力低下を生じ、その際この実施例において段階
的に圧力低下するための基準圧力は、リング空間１１内
の圧力であり、かつ個々のパツキンに作用する力を同じ
に保つため、前記の比例係数ｎ　　−ｉ　　＋　　１ を維持しようとする場合、パツキンはパツキン１０かも
数える。第２図〜第４図による実施例におけるように、
圧力蓄積器２２．３２．３８は、ポンプの動作及び段階
的圧力低下をできるだけ長く維持できるように、油圧補
助回路内に場合によっては漏れ損失が生じた場合に油貯
蔵部が得られるようにするために使われる。図示されて
いない充てん装置は、前記の例におけるように、ポンプ
が停止した際、圧力変換器の自動的な追加光てんを行う
ようになっている。

極めて高い圧力を形成するため、しばしば差動ピストン
ポンプが利用され、これら差動ピストンポンプに、物理
工学上の動作様式に相応して同様に「圧力変換器」と称
する。このような差動ピストンポンプは、第６図によれ
ば「片側に作用するように」又は第７図によれば「両側
に作用するように」構成できる。差動ピストンポンプに
おいて、駆動ピストン、すなわち直径の大きい方のピス
トンは、液圧媒体及び技術的にちょうどまだ良好に存在
できる圧力によって、すなわち２００バールと４００バ
ールの間の用途に応じて動作し、この時この圧力【工、
作業媒体の極めて高い圧力に「変換」される。このよう
な差動ピストンポンプの作業ピストンのため、段階的に
圧力を低下するように直列に接続されたパツキンと油圧
補助回路を備えた本発明によるパツキン方式は、同様に
使用できる。

第６図による実施例において、直列に配置された３つの
パツキン９、ＩＱ、２７により２つの油圧補助回路とリ
ング空間１１．２８を介して、作業空間１２内の圧力の
段階的な低下が行われる。圧力変換器１５は、す／グ空
間１１内の圧力がすでに段階的低下に相応して作業空間
１２内の圧力に対して低くなるように接続されている。

両方の油圧補助回路の構成は、第４図による直列ピスト
ンポンプの類似例と全く同じである。

作業ピストン３に固定的に接続されかつケーシング４０
内で往復運動しかつ駆動のために使われるピストン３９
ハ、交互に圧力供給又は圧力放出部４１．４２を介して
液圧液を加えられ、その際図示されていない制御装置を
介して端部位置におりるそれぞれの切換制御が行われる
。

第７図には、双方向に作用する動作様式の差動ピストン
ポンプが示されており、その際駆動ピストン３９は、圧
力供給部４１．４２を介して交互に中間圧力の液圧液を
加えられ、かつシリンダ４０内で往復運動する。切換制
御は、同様に図示されていない制御装置を介して行われ
る。

両方の作業ピストン３のパツキン９．１０，２７．３６
に対する油圧補助回路の構成は、第５図による実施例と
同じである。圧力変換器１５においては、パツキン９の
ために十分な潤滑作用を可能にするため、まずリング空
間１１の圧力は、作業空間１２内にある作業媒体の圧力
よりもわずかに高くなっている。リング空間２８．３５
に接続された圧力変換器２９．３７を有する後絞の２つ
の油圧補助回路を介して、リング空間１１内に存在する
圧力は、それから続いて段階的に低下する。

両方の作業ピストンの互いに対応する油圧補助回路は、
互いに液圧的に結合することはできない。

なぜなら両側に作用する差動ピストンポンプの特殊な動
作法のため、それぞれ一方の側には圧力が加えられるが
、他方の側は新しい液体を吸入し、それにより作業空間
１２及びリング空間１１．２８．３５には圧力がかから
なくなるからである。

前記実施例においては、特別な技術的な、処理技術的な
かつ経済的な利点を有するようなものを取扱っている。

しかし前記実施例を組合わせることにより、基本的発明
思想による別の多数の変形構成が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、直列接続された２つのパツキンと油圧補助回
路な有する単一又は多ピストンポンプの基本構成を示す
図、第２図は、直列配置された２つのパツキンを使用す
る際に液圧補助回路により段階的に圧力低下を行う回路
の図、第３図は、直列配置された２つのパツキンを使用
する際に第１のパツキンセットを潤滑する液圧補助回路
用の回路を示す図、第４図は、第１の補助回路が潤滑作
用を改善するために使われかつ第２の補助回路が段階的
な圧力低下のために使われる直列配置された３つのパツ
キンを使用する際の２つの液圧補助回路用の回路を示す
図、第５図は、潤滑作用を改善しかつ続いて２段階の段
階的圧力低下を行うため、直列配置された４つのパツキ
ンを使用する際０３つの液圧補助回路用の回路を示す図
、第６図は、片側に作用する圧力変換器において段階的
なパツキン方式を適用する場合を説明する図、第７図は
、両側に作用する圧力変換器において本発明によるパツ
キン及び潤滑方式を利用する場合を説明する図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンポンプ、特に直列ピストンポンプ又は差
   動ピストンポンプの構成要素として、作業空間を満たし
   かつ空にする装置を有し、特に極めて高い圧力に液体及
   びガスを圧縮する作業ピストンを有するピストンポンプ
   において、 少なくとも２つないし最大で任意に多くのパッキン（９
   、１０、２７、３６・・・・・）が直列に配置されてお
   り、かつそれぞれ隣接する２つのパッキンの間の空間内
   に、特にリング状の圧力空間（１１、２８、３５・・・
   ・・）があり、これら圧力空間に液圧補助回路が付属し
   ていることを特徴とする、液体及びガスを圧縮する作業
   ピストンを有するピストンポンプ。
2. （２）２つのパッキンの間に配置されたリング空間（１
   １、２８、３５・・・・・）それぞれに、独自の液圧補
   助回路が付属している、請求項１記載のピストンポンプ
   。
3. （３）個々の液圧補助回路が、圧力変換器（１５、２９
   、３７・・・・・）を介して互いに連結されている、請
   求項１又は２記載のピストンポンプ。
4. （４）圧力変換器（１５、２９、３７・・・・・）のリ
   ング空間（１４、３３・・・・・）とピストン空間（１
   ６、３４・・・・・・）が液圧補助回路内に組込まれて
   おり、作業空間（１２）から見てパッキン（９、１０、
   ２７、３６・・・・・・）を介して、作業空間（１２）
   内に存在する圧力の段階的な低下が行われるようにした
   、請求項１〜３の１つに記載のピストンポンプ。
5. （５）隣接する２つの圧力空間（１２、１１、２８、３
   ５・・・・・・）の間の圧力差が、全パッキンセットに
   わたつて見て同じ大きさであり、それにより個々のパッ
   キン（９、１０、２７、３６・・・・・）に作用する力
   を小さく保ち、かつ作業空間（１２）内に存在する圧力
   を同じ大きさの圧力段階で低下させるようにした、請求
   項１〜４の１つに記載のピストンポンプ。
6. （６）個々の液圧補助回路内に圧力蓄積器（２２、３２
   、３８・・・・・）が組込まれており、それにより漏れ
   損失を補償するようにした、請求項１〜５の１つに記載
   のピストンポンプ。
7. （７）圧力変換器（１５、２９、３７・・・・・）にス
   イッチ装置（２５）が設けられており、これらスイッチ
   装置は、特にポンプを停止した際に漏れ損失のため必要
   な場合、圧力補助回路に圧力液を自動的に再充てんする
   、請求項１〜６の１つに記載のピストンポンプ。
8. （８）液圧補助回路内において圧力媒体として油が使わ
   れる、請求項１〜７の１つに記載のピストンポンプ。
9. （９）パッキン（９、１０）の間に置かれた第１のリン
   グ空間（１１）と液圧作業空間（１２）を接続する圧力
   変換器（１５）において、ピストン空間（１６）が作業
   空間（１２）に接続され、かつリング空間（１４）がリ
   ング空間（１１）に接続されており、従つてパッキン（
   ９）の下で潤滑作用を可能にするため、作業空間（１２
   ）に対して高い圧力がリング空間（１１）内に存在する
   、請求項１〜８の１つに記載のピストンポンプ。
10. （１０）多ピストンポンプを使用する際、それぞれの作
    業ピストン（３）が独自の液圧補助回路を有し、これら
    液圧補助回路が、その他の作業ピストンの補助回路に接
    続されていない、請求項１〜９の１つに記載のピストン
    ポンプ。