WO2004009339A1 - Flüssigkeitsgefüllter druckzylinder für die statische hochdrucktechnik - Google Patents

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WO2004009339A1 PCT/DE2003/002398 DE0302398W WO2004009339A1 WO 2004009339 A1 WO2004009339 A1 WO 2004009339A1 DE 0302398 W DE0302398 W DE 0302398W WO 2004009339 A1 WO2004009339 A1 WO 2004009339A1
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Burkhard Sablotny
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Stiftung Alfred-Wegener-Institut Für Polar- Und Meeresforschung
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Definitions

  • the invention relates to a liquid-filled pressure cylinder for high-pressure static technology with a pressure-tight lid that can be used and with means for static pressure generation in the liquid filling in the pressure cylinder, as well as with a manometer for monitoring the pressure generated and a vent valve.
  • Such pressure cylinders for static pressure build-up are used in measurement technology and for biological experiments. For example, to carry out experiments on pressure-adapted organisms from the deep sea, samples placed in the pressure cylinder are exposed to high static pressures. The pressure is transferred through a liquid - generally water - with which the pressure cylinder is filled and into which the samples are introduced. The high static pressure generated is maintained constant over a longer period of time during the measurements. A distinction must be made between such pressure cylinders for static pressure build-up for measuring purposes and the pressure cylinders for performing work which drive a working piston via dynamic pressure build-up and reduction.
  • the state of the art, from which the present invention is based, is formed by the measurement technology customary in the corresponding research laboratories.
  • This usually consists of a simple pressure cylinder, which has a relatively small capacity of only a few 100 cm 3 of liquid filling, and an external means for static pressure generation.
  • These are often hand-operated high-pressure pumps that are connected to the pressure cylinder.
  • Such pumps are offered for example by the company "Enerpac” (cf. http://www.enerpac.com, P-11 series "Ultra- high pressure hand pumps and online catalog pages 64/65, as of June 24, 2002).
  • a disadvantage of this usual, relatively complex construction of a pressure cylinder with an external pump device as a pressure generator is - in addition to the high equipment costs - the required use of high-pressure-resistant connecting elements between the pressure cylinder and the pump.
  • the hand pump To maintain the high pressure, the hand pump must either be left permanently on the pressure cylinder or reconnected whenever necessary.
  • such hand pumps promote a relatively large pump volume per stroke, so that with relatively small pressure cylinder volumes, precise pressure adjustment by means of stroke metering is difficult.
  • the object of the present invention is therefore to be seen in developing a liquid-filled pressure cylinder for the static high-pressure technology of the type described at the outset in such a way that a simple and inexpensive device is created which, without complex additional elements, generates high static pressures very precisely and permanently Printing cylinder enables.
  • a cover-piston combination is used as the means for static pressure generation, which consists of the cover and a piston connected in one piece, pressure-tight in the pressure cylinder via a sealing system and guided in a fit is constructed, and that the cover-piston combination can be screwed directly to the liquid filling in the pressure cylinder by means of several screws on the circumference of the cover, which engage in the end of the wall of the pressure cylinder, with the pressure cylinder changing the pressure exerted by the piston.
  • the means for generating pressure is integrated in a simple manner.
  • the means required anyway for closing the printing cylinder and for printing production combined in a simple and inexpensive but very effective way.
  • An external pressure supply and additional connecting parts are eliminated.
  • the handling of the printing cylinder is considerably simplified, nevertheless the high pressure can be set very precisely and can also be maintained permanently without problems.
  • Such a simple and robust, but reliable measuring device can be advantageously used in a special way for research purposes, also on board research ships with a permanent lack of space.
  • a simple embodiment can involve the sealing system having two round sealing rings spaced apart from one another at the piston end. These are inserted into grooves on the piston and, when it is adjusted, are subjected to a minimal amount of movement, which is, however, readily reasonable for such O-rings.
  • Such a sealing system is very simple, but fulfills the requirements.
  • the screw connection of the cover-piston combination to the pressure cylinder must also be designed for the high pressures. After appropriate calculation from the mechanics, this can be interpreted without further ado. It is sufficient and particularly simple if, according to a further embodiment of the invention, at least four screws are arranged evenly distributed over the circumference of the cover. A higher dimensioning, for example with eight screws, is also possible. The more screws are distributed around the circumference, the better the static internal pressure can be achieved by continuously adjusting the individual screws in a uniform manner. With the high static pressures to be set, it is advantageous to prevent the accidental accident of the cover-piston combination press to secure. This can be done in a simple manner if the lid is secured on its outside by a safety bar after the next invention. This can also be fastened via screw connections or, for example, via appropriate clamps.
  • the samples to be examined at the high static pressures are either introduced directly into the liquid filling, which can preferably be simple water, or inside pressure-sensitive containers, for example soft plastic tubes.
  • the liquid filling can preferably be simple water, or inside pressure-sensitive containers, for example soft plastic tubes.
  • a viewing window is integrated in the wall of the printing cylinder.
  • the installation of viewing windows in high-pressure cylinders is a common technique that is safely mastered.
  • the high pressure cylinder itself is usually made of stainless steel.
  • the printing cylinder it is also possible for the printing cylinder to consist of a pressure-resistant, transparent material.
  • the printing cylinder can be made of glass with the appropriate dimensions. Glass cylinders with hemispherical end caps are widely used in underwater applications up to over 0.6-10 8 Pa.
  • the screw connection with the cover-piston combination is not made directly in the cylinder end face, but rather, for example, by means of tensioning straps that run over the cylinder base and enclose the pressure cylinder.
  • the pressure cylinder according to the invention can also advantageously have at least one pressure-tight electrical feedthrough. This means that electrical components can also be operated and tested in the interior of the pressure cylinder under static high pressure.
  • the pressure cylinder according to the invention which is primarily intended for experimental purposes and with which no work is to be carried out, generally shows rather smaller dimensions. With a length of approximately 550 mm and an outer diameter of 70 mm and an inner diameter of 16 mm, it can have a volume in the range of 100 cm 3 according to another invention.
  • the printing cylinder is easy to handle. M10 screws can be used to pressurize the cover-piston combination.
  • the pressure cylinder is arranged rotatably about its radial axis on a holding frame.
  • the pressure cylinder can be optimally positioned according to the work steps to be carried out, for example filling, pre-screwing, venting, final screwing etc. Further details can be found in the special description.
  • the figure shows in cross section a pressure cylinder 1 for static high-pressure technology according to the invention, which can be used in particular for measuring and experimental purposes.
  • the pressure cylinder 1 is completely filled with water 2. It has a cover-piston combination 3 at one end as a means for generating pressure, with the aid of which the water 2 can be compressed in the pressure cylinder 1, so that static pressures of up to 1.0-10 8 Pa are generated can be.
  • the water 2 there are three sample tubes 4 made of pressure-sensitive soft plastic, which are filled with a sample 5 to be examined under high pressure.
  • the pressure cylinder 1 has a through hole 6, to which a manometer 7 for pressure monitoring and a vent valve 8 for venting and for pressure relief are connected in a pressure-tight manner.
  • the cover-piston combination 3 serves both to close the pressure cylinder 1 and to generate pressure.
  • the cover-piston combination 3 consists of a cover 9, with which a piston 10 is connected in one piece.
  • This piston 10 is pressure-tight and slidably guided in a fit via a sealing system 11. At its end, it rests on the water 2 and compresses it by pushing it into the pressure cylinder 1.
  • the cover-piston combination 3 is connected to the latter in a pressure-tight manner by means of screws 12 which engage in threaded bores 13 in the end face 14 of the pressure cylinder 1. By setting the screw-in depth, the static high pressure can be dosed with high precision.
  • the pressure cylinder 1 has a clamp 15, by means of which it can be connected to a bogie, not shown in the figure. Via this, the pressure cylinder 1 can always be moved into the most favorable working position by rotation about its radial axis.
  • the selected exemplary embodiment relates to a prototype manufactured by the applicant, which has already been subjected to several functional tests.
  • the prototype has a pressure cylinder 1 with an inner length of 550 mm. With a wall thickness of 27 mm, it has an inner diameter of 16 mm and has a capacity of approximately 100 cm 3 .
  • the cover-piston combination 3 is fastened with eight hexagon socket head screws (M10), which are evenly distributed over the circumference and which are screwed into the 50 mm deep threaded holes 13.
  • the screws 12 engage through appropriately arranged bores 16 with a diameter of 10.5 mm in the cover 9.
  • the piston 10 is guided in the pressure cylinder 1 with an H7 fit.
  • the sealing system 11 consists of two round sealing rings 17, 18 which are arranged at a distance from one another at its end. For a secure seal, both O-rings 17, 18 must always grip.
  • the pressure cylinder 1, the cover-piston combination 3 and the screws 12 are all made of stainless steel 1.4571 in the selected embodiment.
  • the pressure cylinder 1 is first placed upright, so that the pressure gauge 7 and the vent valve 8 are at the bottom.
  • the vent valve 8 is first closed, then the samples 5 to be placed under high pressure are inserted into the cylinder interior. Then the printing cylinder 1 is filled with water 2 up to its upper edge.
  • the cover-piston combination 3 is inserted into the pressure cylinder 1 until the second round sealing ring 18 also seals. To do this, the vent valve 8 must be open.
  • the screws 12 are slightly screwed in, which press the cover-piston combination 3 into the pressure cylinder 1.
  • the pressure cylinder 1 is rotated about its radial axis, so that the vent valve 8 then points upwards.
  • Compressibility ⁇ of water in the range between 0.4-10 8 Pa and 0.6-10 8 Pa at 20 ° C 0.000044 1/1 -10 5 Pa

Abstract

Bekannte Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik weisen eine externe Hochdruckpumpe auf, die über Verbindungselemente mit dem Druckzylinder verbunden werden. Derartige Anordnungen sind jedoch relativ aufwändig und kostenintensiv, außerdem lassen sie sich nur schwer einstellen. Der flüssigkeitsgefüllte Druckzylinder nach der Erfindung weist deshalb eine integrierte Druckerzeugung in Form einer Deckel-Kolben-Kombination (3) auf, die aus einem Deckel (9) und einem damit einstückig verbundenen, im Druckzylinder (1) über ein Dichtungssystems (11) druckdicht und in einer Passung geführten Kolben (10) aufgebaut ist. Über mehrere Schrauben (12) am Umfang des Deckels (9) ist die Deckel-Kolben-Kombination (3) mit dem Druckzylinder (1) unter veränderbarer Druckausübung des Kolbens (10) direkt auf die Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder (1) verschraubbar. Durch diese einfache und kostengünstige Anordnung können durch eine feindosierbare Verstellung des Kolbens (10) in der Flüssigkeit (2) statische Hochdrücke bis in einen Bereich von weit über 1·108 Pa dauerhaft aufgebracht werden. Einsetzbar ist der Druckzylinder nach der Erfindung insbesondere in der Messtechnik und beispielsweise zur Untersuchung von druckadaptierten Organismen aus der Tiefsee.

Description

Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen flüssigkeitsgefüllten Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik mit einem druckdicht einsetzbaren Deckel und mit Mitteln zur statischen Druckerzeugung in der Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder sowie mit einem Manometer zur Überwachung des erzeugten Drucks und einem Entlüftungsventil.
Derartige Druckzylinder zum statischen Druckaufbau werden in der Messtechnik sowie für biologische Experimente eingesetzt. Beispielsweise zur Durchführung von Experimenten an druckadaptierten Organismen aus der Tiefsee werden in den Druckzylinder eingebrachte Proben hohen statischen Drücken ausgesetzt. Dabei erfolgt die Druckübertragung durch eine Flüssigkeit - im Allgemeinen Wasser -, mit der der Druckzylinder gefüllt ist und in die die Proben eingebracht werden. Der erzeugte hohe statische Druck wird während der Messungen über einen längeren Zeitraum konstant aufrechterhalten. Zu unterscheiden sind derartige Druckzylinder zum statischen Druckaufbau für Messzwecke grundsätzlich von den Druckzylindern zur Verrichtung von Arbeit, die über einen dynamischen Druckauf- und -abbau einen Arbeitskolben antreiben.
Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird von der in den entsprechenden Forschungslaboren üblichen Messtechnik gebildet. Diese besteht in der Regel aus einem einfachen Druckzylinder, der ein relativ kleines Fassungsvermögen von nur einigen 100 cm3 Flüssigkeitsfüllung hat, und einem externen Mittel zur statischen Druckerzeugung. Hierbei handelt es sich oft um handbetätigte Hochdruckpumpen, die an den Druckzylinder angeschlossen werden. Derartige Pumpen werden beispielsweise von der Firma „Enerpac" angeboten (vgl. http://www.enerpac.com, P-11 series „Ultra- high Pressure Hand Pumps und online-Katalogseiten 64/65, Stand 24.06.2002). Nachteilig bei diesem üblichen, relativ aufwändigen Aufbau eines Druckzylinders mit einer externen Pumpvorrichtung als Druckerzeuger ist - neben den hohen Gerätekosten - die erforderliche Verwendung von hoch- druckfesten Verbindungselementen zwischen Druckzylinder und Pumpe. Zur Aufrechterhaltung des hohen Druckes ist die Handpumpe entweder dauerhaft am Druckzylinder zu belassen oder im Bedarfsfall immer wieder anzuschließen. Außerdem fördern derartige Handpumpen ein relativ großes Pumpvolumen pro Hub, sodass bei relativ kleinen Druckzylindervolumina eine genaue Druckeinstellung durch eine Hubdosierung nur schwer möglich ist.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, einen flüssigkeitsgefüllten Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass eine einfache und kosten- günstige Vorrichtung entsteht, die ohne aufwändige Zusatzelemente sehr genau und dauerhaft die Erzeugung hoher statischer Drücke im Druckzylinder ermöglicht.
Als Lösung hierfür ist bei einem gattungsgemäßen Druckzylinder erfindungs- gemäß vorgesehen, dass als Mittel zur statischen Druckerzeugung eine Deckel-Kolben-Kombination eingesetzt wird, die aus dem Deckel und einem damit einstückig verbundenen, im Druckzylinder über ein Dichtungssystem druckdicht und in einer Passung geführten Kolben aufgebaut ist, und dass die Deckel-Kolben-Kombination über mehrere Schrauben am Umfang des Deckels, die stirnseitig in die Wandung des Druckzylinders eingreifen, mit dem Druckzylinder unter veränderbarer Druckausübung des Kolbens direkt auf die Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder verschraubbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckzylinder ist das Mittel zur Druckerzeugung auf einfache Weise integriert. Durch die Kombination des Deckels des Druckzylinders mit einem im Zylinder geführten Kolben werden die ohnehin erforderlichem Mittel zum Verschluss des Druckzylinders und zur Drucker- zeugung auf einfache und preiswerte, aber sehr wirkungsvolle Weise vereinigt. Eine externe Druckversorgung und zusätzliche Verbindungsteile entfallen. Die Handhabung des Druckzylinders wird wesentlich vereinfacht, trotzdem kann der Hochdruck sehr genau eingestellt und auch dauerhaft problemlos gehalten werden. Gerade eine derartig einfache und robuste, aber zuverlässige Messvorrichtung ist in besonderer Weise zu Forschungszwecken, auch an Bord von Forschungsschiffen mit permanentem Platzmangel, vorteilhaft einsetzbar.
Mit dem Druckzylinder nach der Erfindung mit integrierter Druckerzeugung sind statische Drücke in der Flüssigkeit von Atmosphärendruck bis weit über 1 ,0-108 Pa problemlos erzeugbar. Zur Aufrechterhaltung derartig hoher Drücke ist ein entsprechendes Dichtsystem zwischen dem axial verstellbaren Kolben und der Innenwandung des Druckzylinders erforderlich. Unterschiedliche Systeme für derartig hohe Anforderungen sind am Markt bekannt. Bei einer einfachen Ausführung kann es sich gemäß einer Erfindungsausgestaltung darum handeln, dass das Dichtungssystem zwei zueinander beabstandete Runddichtringe am Kolbenende aufweist. Diese werden in Nuten am Kolben eingelegt und bei dessen Verstellung minimal auf Schiebung belastet, was derartigen Runddichtringen aber ohne Weiteres zumutbar ist. Ein solches Dichtungssystem ist denkbar einfach, erfüllt aber die gestellten Anforderungen. Ebenfalls für die hohen Drücke ausgelegt sein muss die Verschraubung der Deckel-Kolben-Kombination mit dem Druckzylinder. Nach entsprechenden Berechnung aus der Mechanik ist diese ohne Weiteres auszulegen. Ausrei- chend und besonders einfach ist es, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zumindest vier Schrauben gleichmäßig am Umfang des Deckels verteilt angeordnet sind. Eine Höherdimensionierung, beispielsweise mit acht Schrauben, ist aber ebenfalls möglich. Je mehr Schrauben am Umfang verteilt sind, desto besser kann der statische Innendruck durch fortlaufendes Nachstellen der einzelnen Schrauben in gleichmäßiger Weise erreicht werden. Bei den einzustellenden hohen statischen Drücken ist es vorteilhaft, zur Vermeidung von Unfällen die Deckel-Kolben-Kombination gegen Heraus- drücken zu sichern. Dies kann in einfacher Weise erfolgen, wenn nach einer nächsten Erfindungsfortführung der Deckel an seiner Außenseite von einem Sicherheitsbügel gesichert ist. Dieser kann ebenfalls über Verschraubungen oder beispielsweise über entsprechende Schellen befestigt sein.
Die bei den hohen statischen Drücken zu untersuchenden Proben werden entweder direkt in die Flüssigkeitsfüllung, bei der es sich bevorzugt um einfaches Wasser handeln kann, oder innerhalb druckempfindlicher Behälter, beispielsweise Weichkunststoffröhrchen, eingebracht. Oftmals befinden sich organische oder anorganische Partikel in den flüssigen Proben, deren Verhalten unter Druckeinwirkung beobachtet werden soll. Zur Beobachtung ist es vorteilhaft, wenn - wie bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung - ein Sichtfenster in die Wandung des Druckzylinders integriert ist. Der Einbau von Sichtfenster in Hochdruckzylinder ist eine gängige Technik, die sicher beherrscht wird. Der Hochdruckzylinder selbst besteht in der Regel aus Edelstahl. Gemäß einer weiteren Erfindungsausführung ist es auch möglich, dass, der Druckzylinder aus einem druckfesten, transparenten Material besteht. Bei einer transparenten Ausführung, die einen besseren Einblick in das Zylinderinnere ermöglicht, kann der Druckzylinder bei einer entsprechen- den Dimensionierung aus Glas gefertigt sein. Glaszylinder mit halbkugelförmigen Endkappen werden vielfach bei Unterwasseranwendungen bis über 0,6-108 Pa eingesetzt. Die Verschraubung mit der Deckel-Kolben-Kombination erfolgt bei einer transparenten Ausführung nicht direkt in die Zylinderstirnseite, sondern beispielsweise über Spannbänder, die über den Zylinderboden verlaufen und den Druckzylinder umschließen.
Desweiteren kann der Druckzylinder nach der Erfindung neben der hydrostatischen Durchführung für das Manometer und die Entlüftung auch vorteilhaft zumindest eine druckdichte elektrische Durchführung aufweisen. Somit können im Inneren des Druckzylinders unter statischem Hochdruck auch elektrische Komponenten betrieben und geprüft werden. Der in erster Linie für Versuchszwecke vorgesehene Druckzylinder nach der Erfindung, mit dem keine Arbeit verrichtet werden soll, zeigt in der Regel eher kleinere Abmessungen. Bei einer Länge von ungefähr 550 mm und einem Außendurchmesser von 70 mm und einem Innendurchmesser von 16 mm kann er gemäß einer anderen Erfindungsfortführung ein Volumen im Bereich von 100 cm3 aufweisen. In der entsprechend geringen Flüssigkeitsfüllung sind einerseits ausreichende Menge von proben unterbringbar, andererseits sind dir erforderlichen hohen statischen Drücke unter Berücksichtigung der Flüssigkeitskompressibilität schnell und einfach erzeugbar. Mit diesen Abmessungen ist der Druckzylinder gut handhabbar. M10-Schrauben können zur druckerzeugenden Verschraubung der Deckel-Kolben-Kombination eingesetzt werden. Eine Verbesserung der Handhabung ergibt sich noch, wenn entsprechend einer nächsten Erfindungsfortführung der Druckzylinder drehbar um seine radiale Achse an einem Haltegestell angeordnet ist. Somit kann der Druckzylinder entsprechend der vorzunehmen Arbeitsschritte, beispielsweise befüllen, vorverschrauben, entlüften, endverschrauben etc., jeweils optimal positioniert werden. Weitere Details sind der speziellen Beschreibung zu entnehmen.
Eine Ausbildungsform der Erfindung wird zu deren weiterführenden Verständnis nachfolgend anhand einer schematischen Figur, die einen Schnitt durch den Druckzylinder und die Deckel-Kolben-Kombination nach der Erfindung zeigt, einer Funktionsbeschreibung und einem Dimensionierungs- beispiel für einen gebauten Prototypen näher erläutert.
Die Figur zeigt im Querschnitt einen Druckzylinder 1 für die statische Hochdrucktechnik nach der Erfindung, der insbesondere für Mess- und Versuchszwecke einsetzbar ist. Der Druckzylinder 1 ist mit Wasser 2 vollständig gefüllt. Er weist an seinem einen Ende als Mittel zur Druckerzeugung eine Deckel- Kolben-Kombination 3 auf, mit deren Hilfe das Wasser 2 im Druckzylinder 1 komprimiert werden kann, sodass statische Drücke bis 1.0-108 Pa erzeugt werden können. Im Wasser 2 befinden sich drei Probenröhrchen 4 aus druckempfindlichen Weichplastik, die mit einer unter Hochdruckbelastung zu untersuchenden Probe 5 gefüllt sind. An seinem anderen Ende weist der Druckzylinder 1 eine Durchgangsbohrung 6 auf, an die ein Manometer 7 zur Drucküberwachung und ein Entlüftungsventil 8 zur Entlüftung und zur Druckentlastung druckdicht angeschlossen sind.
Die Deckel-Kolben-Kombination 3 dient sowohl dem Verschluss des Druckzylinders 1 als auch der Druckerzeugung. Somit sind bei dem Druckzylinder 1 nach der Erfindung die Mittel zur Druckerzeugung integriert. Die Deckel- Kolben-Kombination 3 besteht aus einem Deckel 9, mit dem einstückig ein Kolben 10 verbunden ist. Dieser Kolben 10 wird über ein Dichtungssystem 11 druckdicht und in einer Passung gleitend geführt. An seinem Ende liegt er auf dem Wasser 2 auf und komprimiert dieses durch Hineindrücken in den Druckzylinder 1. Die Deckel-Kolben-Kombination 3 ist über Schrauben 12, die in Gewindebohrungen 13 in der Stirnseite 14 des Druckzylinders 1 eingreifen, mit diesem druckdicht verbunden. Durch Einstellung der Einschraubtiefe ist der statische Hochdruck hochgenau dosierbar. In seiner Mitte weist der Druckzylinder 1 eine Schelle 15 auf, über die er mit einem in der Figur nicht weiter dargestellten Drehgestell verbindbar ist. Über dieses ist der Druckzylinder 1 nach Belieben immer in die günstigste Arbeitsposition durch Drehung um seine radiale Achse überführbar.
Das gewählte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen beim Anmelder gefertigten Prototypen, der auch bereits mehreren Funktionstests unterzogen wurde. Der Prototyp hat einen Druckzylinder 1 mit einer Innenlänge von 550 mm. Bei einer Wandstärke von 27 mm weist er einen Innendurchmesser von 16 mm auf und hat ein Fassungsvermögen von ungefähr 100 cm3. In der dargestellten Ausführung wird die Deckel-Kolben-Kombination 3 über acht, gleichmäßig am Umfang verteilte Schrauben 12 mit Innensechskant (M10) befestigt, die in die 50 mm tiefen Gewindebohrungen 13 eingeschraubt sind. Die Schrauben 12 greifen durch entsprechend angeordnete Bohrungen 16 mit einem Durchmesser von 10,5 mm im Deckel 9. Der Kolben 10 ist mit einer H7- Passung im Druckzylinder 1 geführt. Das Dichtungssystem 11 besteht aus zwei Runddichtringen 17, 18, die mit Abstand zueinander an seinem Ende angeordnet sind. Zur sicheren Abdichtung müssen immer beide Runddichtringe 17, 18 greifen. Der Druckzylinder 1 , die Deckel-Kolben-Kombination 3 und die Schrauben 12 bestehen im gewählten Ausführungsbeispiel alle aus Edelstahl 1.4571.
Im Folgenden folgt eine kurze Funktionsbeschreibung des Druckzylinders mit integrierter Druckerzeugung nach der Erfindung zur Versuchsdurchführung :
Der Druckzylinder 1 wird zunächst aufrecht gestellt, sodass sich das Manometer 7 und das Entlüftungsventil 8 unten befinden. Das Entlüftungsventil 8 wird zuerst geschlossen, dann werden die unter Hochdruck zu setzenden Proben 5 in das Zylinderinnere eingesetzt. Danach wird der Druckzylinder 1 bis zu seinem oberen Rand mit Wasser 2 gefüllt. Die Deckel-Kolben-Kombination 3 wird in den Druckzylinder 1 eingesetzt bis auch der zweite Runddichtring 18 abdichtet. Dazu muss das Entlüftungsventil 8 geöffnet sein. Dann werden die Schrauben 12 leicht eingedreht, die die Deckel-Kolben-Kombination 3 in den Druckzylinder 1 drücken. Dann wird der Druckzylinder 1 um seine radiale Achse gedreht, sodass das Entlüftungsventil 8 anschließend nach oben zeigt. Zum Entlüften wird das Entlüftungsventil 8 geöffnet und mit den Schrauben 12 die Deckel-Kolben-Kombination 3 etwas in den Druckzylinder 1 gedrückt bis etwas Wasser 2 ausströmt. Das Entlüftungsventil 8 wird dann wieder geschlossen. Um den gewünschten Hochdruck zu erzeugen, werden die Schrauben 12 dann nach erneuter Drehung des Druckzylinders 1 in seine erste Position schrittweise mit gleichmäßigem Drehmoment angezogen. Es erfolgt dabei eine visuelle Drucküberwachung über das Manometer 7. Berechnung der Schraubenkräfte und des Kolbenweges für den als Prototypen gefertigten Druckzylinder mit integrierter Druckerzeugung nach der Erfindung :
Kolbendurchmesser d = 16 mm Kolbenfläche A = d2 x π / 4 = 2 cm2
Druckzylinderlänge = 550 mm
Nutzylinderlänge I bei Normaldruck = 535 mm
Zylindervolumen bei Normaldruck V = I x A = 107 cm3
Bei einem Druck von p = 0,6-108 Pa = 6 kN/cm2 wirkt auf die Kolbenfläche von A = 2 cm2 eine Kraft von ca. 12 kN. Bei einer gleichmäßigen Kraftverteilung auf acht Schrauben wird damit jede Schraube mit ca. 1 ,5 kN belastet.
Kompressibilität α von Wasser im Bereich zwischen 0,4- 108 Pa und 0,6-108 Pa bei 20°C = 0,000044 1 / 1 -105 Pa
Volumenänderung ΔV des Volumens V bei einer Druckerhöhung auf p = 0,6-108 Pa = ΔV = V x α x p = 2,83 cm3
Daraus ergibt sich eine Kolbenverstellweg = ΔV / A = 1 ,415 cm.
Bei einer angestrebten Erhöhung des statischen Druckes im Druckzylinder auf 0,6-108 Pa (600 bar) ist also der Kolben um 1 ,415 cm in den Druckzylinder hineinzudrücken. Dies ist über das gleichmäßige Anziehen der Schrauben problemlos möglich. Der Prototyp zeigte eine gute Handhabbarkeit und volle Funktionalität. Der statische Hochdruck wurde über mehrere Tage gehalten.
Bezugszeichenliste Druckzylinder
Wasser
Deckel-Kolben-Kombination
Probenröhrchen
Probe
Durchgangsbohrung
Manometer
Entlüftungsventil
Deckel
Kolben
Dichtungssystem
Schraube
Gewindebohrungen
Stirnseite
Schelle
Bohrung
Runddichtring
Runddichtring

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder für die statische Hochdrucktechnik mit einem druckdicht einsetzbaren Deckel und mit Mitteln zur statischen Druckerzeugung in der Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder sowie mit einem Manometer zur Überwachung des erzeugten Drucks und einem Entlüftungsventil, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur statischen Druckerzeugung eine Deckel-Kolben-Kombination (3) eingesetzt wird, die aus dem Deckel (9) und einem damit einstückig verbundenen, im Druckzylinder (1) über ein Dichtungssystems (11) druckdicht und in einer Passung geführten Kolben (10) aufgebaut ist, und dass die Deckel- Kolben-Kombination (3) über mehrere Schrauben (12) am Umfang des Deckels (9), die stirnseitig in die Wandung des Druckzylinders (1 ) eingreifen, mit dem Druckzylinder (1) unter veränderbarer Druckausübung des Kolbens (10) direkt auf die Flüssigkeitsfüllung im Druckzylinder (1) verschraubbar ist.
2. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungssystem (11) zwei zueinander beabstandete Runddichtringe (17, 18) am Kolbenende aufweist.
3. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier Schrauben (12) gleichmäßig am Umfang des Deckels (9) verteilt angeordnet sind.
4. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel an seiner Außenseite von einem Sicherheitsbügel gesichert ist.
5. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sichtfenster in die Wandung des Druckzylinders integriert ist.
6. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (1 ) aus einem druckfesten, transparenten Material besteht.
7. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (1) zumindest eine druckdichte elektrische Durchführung aufweist.
8. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (1) ein Volumen im Bereich von 100 cm3 aufweist.
9. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (1) drehbar um seine radiale Achse an einem Haltegestell angeordnet ist.
10. Flüssigkeitsgefüllter Druckzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsfüllung von Wasser (2) gebildet ist.
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