Hochdruckgefäss mit Stempel
Wenn ein zylindrischer Stempel gegen eine Unterlage gedrückt oder in anderer Weise in Richtung der Symmetrieachse belastet wird, zerbricht er, wenn der Druck gleich der Kompressionsfestigkeit des Stempelmaterials oder grösser als diese wird. Es ist bekannt, da# ein Stempel aus demselben Material, der wie ein Kegelstumpf ausgeformt ist, wobei die kleinere der parallelen Flächen des Kegels gleich gross wie die Druckfläche des genannten zylindrischen Stempels ist, einem höheren gegen die kleinere Fläche gerichteten Druck widersteht als der zylin- drische Stempel. Je stumpfer der Kegel ist, desto besser wird das Druckwiderstandsvermogea des Stempels.
Da die Spitze oder Druckfläche der Stempel, z. B. wenn diese in Hochdruckgefässen zum Erzeugen von Druck der Grössenordnung 10000 atm und dar über benutzt werden, oft einem starken Verschleiss und deformierenden Kräften ausgesetzt ist, werden die Stempel oft aus Hartmetall oder dergleichen hergestellt.
In Anbetracht dessert, dass die-übrigen Teils eines Stempels im allgemeinen nicht in demselben Masse verschleissen und deformiert werden wie seirie Spitze oder Druckfläche, und dass das verschleissfeste Material oft tercer und schwer zu bearbeiten ist, ist es wünschenswert, den Stempel aus wenigstens zwei Teilen zusammenzusetzen, wobei der eine Teil an der Spitze des Stempels angeordnet ist ulwd aus einem gegen Verschleiss und Deformierung wi derstandsfesten Material, z. B.
Hartmetall, besteht, und der andere Teil ein Stück von der Spitze entfernt angeordnet ist und aus weniger widerstandsfestem Material, z. B. einem Werkzeugstahl oder an- derem Star, besteht. auch wenn der Stempel nur aus dem gleichen Material hergestellt ist, kann es oft vorteilhaft sein, ihn in mehrere Teile aufzuteilen.
Wenn der Stempel nämlich in solcher Teilen zerstört wird, die besonders grossen Beanspruchungen ausgesetzt sind, ist es unter solchen Umständen-nicht notwendig, den ganzen Stempel auszutauschen, sondern nur den Teil oder die Teile ; die die zerstörten Partien enthalten.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hochdruckgefä#, das einen Druckraum und mindestens einen gegen den Druckraum gerichteten Stem- pel enthält, der eine sich durch den Druckraum erstreckende Symmetrieachse aufweist und mindestens zwei in einer Fläche einander anliegende Teile un- fasst. Das Hochdruckgefäss nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anliegefläche eine gewölbte, nicht abwickelbare Oberfläche ist und da# der Kriimmungsmittelpunkt der gekrümmten Oberfläche im wesentlichen mit der Symmetrieachse des Stempels zusammenfällt und auf der gegen des Druckraum gekehrten Seite der Anliegefläche liegt.
Der Stempel erhält zweckmässig die Form eines Drehkörpers, eines Körpers also mit im wesentlichen zylin- drischer oder konischer Form. In einem Stempel mit mehreren sphärischen Anliegeflächen-kÏnnen die Krummungsmittelpunkte der Anliegeflächebn vorteilhafterweise derart zusammenfallen, da# die Anliege- flächen praktisch konzertrisch werden.
Es hat sich gezeigt, dass ein Stempel, in dem angrenzende Teile in nicht abwickelbaren Anliegeflächen aneinander an- liegen, einem bedeutend höheren Druck im Hoeh druekgefäss widerstehen kann als ein entsprechender Stempel, bei dem die angrenzenden Teile yangs ebe- nen Anliegeflächen angeordnet sind Bei einem konischen Stempel, bei dem angrenzende Teile in ebenen Anliegeflächen aneinanderliegen, entstehen gewöhn- lich Risse, die mit der Symmetrieachse des Kegels parallel sind, und disse treten bei einem beträchtlich niedrigeren'Druck au'f als bei einem entsprechenden massiven Stempel aus einem einheitlichen Material.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, die verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Hochdruckgefässes zeigt, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Stempel, der aus zwei Teilen mit einer sphärischen Anliegefläche zwischen den Teilen besteht, der dazu vorgesehen ist, in eine Öffnung eines zylindrischen Hochdruckraumes eingeführt zu werden.
Fig. 2 zeigt einen aus drei Teilen mit sphäri- schen Anliegeflächen zwischen den Teilen bestehenden Stempel, der dazu vorgesehen ist, in einen konischen Hochdruckraum oder in eine konische Offnung, die zu einem Hochdruckraum fiihrt, eingeführt zu werden.
Fig. 3 zeigt ein Hochdruckgefäss, in dem der Druck mit einem in den Druckraum bewegbaren Stempel erzeugt wird, der sowohl konische als auch zylindrische Teile hat.
Der zylindrische Stempel 11 nach Fig. 1 besteht aus den Teilen 12 und 13. Die Flächen 14 und 15 sind flach und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Zylinders. Die Anliegefläche 16 zwischen den Teilen ist sphärisch und ihr Krümmungsmittelpunkt ist auf der Symmetrieachse des Zylinders gelegen. Der Teil 12, der vorgesehen ist, gegen das Innere des Hochdruckraumes gerichtet zu werden, kann z. B. aus Hartmetall und der Teil 13 aus Werkzeugstahl hergestellt sein.
Der konische Stempel 17 nach Fig. 2 besteht aus den Teilen 18, 19 und 20. Die Flächen 21 und 22 sind eben und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Kegels. Die Anliegeflächen 23 und 24 zwischen den Teilen 18 und 19 bzw. zwischen den Teilen 19 und 20 sind sphärisch. Die Krümmungs- mittelpunkte für die Anliegeflächen fallen mit der Symmetrieachse des Kegels zusammen. Der Teil 18, der vorgesehen ist, gegen das Innere des Druckraumes gerichtet zu werden, kann z. B. aus Hartmetall bestehen, der Teil 19 aus einem Werkzeugstahl mit gewünschter Härte und der Teil 20 aus einem Werkzeugstahl mit niedrigerer Härte als der Stahl des Teiles 19.
Das Hochdruckgefäss nach Fig. 3 enthält einen zylindrischen Raum 25, der vom Rohr 26 und den beiden Stempeln 30 und 31 begrenzt ist. Die radialen Wände des Hochdruckgefässes bestehen ausser aus dem Rohr 26 aus einer Anzahl mit diesem konzentrischer Teile, nämlich den zylindrischen Teilen 27 und 28 und dem aussen konischen Teil 29. Aussen wird der Teil 29 von einem innen konischen, beweglichen Mantel 50 gestützt, der z. B. mit einer hydraulischen Presse nach oben gepresst werden und dabei den radialen Wänden einen stützenden Druck geben kann. Der Stempel 30 ist an einer Stützplatte 56 angeordnet, die ihrerseits von einer nicht gezeigten festen Stütze gestützt wird. Der Stempel 30 hat eine konische Partie, die im wesentlichen die Teile 32 und 33 umfasst, und eine in der Hauptsache zylin drische Partie, die den Teil 34 umfasst.
Die Flächen 35 und 36 sind eben und winkelrecht zur Symmetrieachse des Stempels. Die Anliegefläche 37 zwischen den Teilen 32 und 33 sowie die Anliegeflächen zwischen den Teilen 33 und 34 sind sphärisch. Die Krümmungsmittelpunkte der Anliegeflächen liegen auf der Symmetrieachse des Stempels, und der Krümmungsradius jeder der sphärischen Anliegeflä- chen 37 und 38 ist gleich gross wie der Durchmesser der sphärischen Kalotte, die von der entsprechenden Anliegefläche gebildet wird. Der Stempel 31 ist beweglich. Der Druck im Raum 25 wird dadurch erzeugt, dass der Stempel 31 z. B. mit einer nicht gezeigten hydraulischen Presse nach oben geschoben wird.
Der Stempel 31 hat konische Partien, die die Teile 39, 40 und 41 bilden, und aussen zylindrische Partien, die die Teile 42 und 43 bilden. Die Flächen 44 und 45 sind eben und winkelrecht gegen die Symmetrieachse des Stempels. Die Anliegefläche 46 zwischen den Teilen 39 und 40, die Anliegefläche 47 zwischen den Teilen 40 und 42, die Anliegefläche 48 zwischen den Teilen 42 und 41 und die Anliegefläche 49 zwischen den Teilen 41 und 43 sind alle sphärisch. Die Krümmungsmittelpunkte der Anliegeflächen liegen auf der Symmetrieachse des Stempels, und der Krümmungsradius jeder der sphärischen An liegeflächen 46, 47, 48 und 49 ist gleich gross wie der Durchmesser der sphärischen Kalotte, die von der entsprechenden Anliegefläche gebildet wird.
Um die Teile 41 und 43 des unteren Stempels herum ist ein Stützkörper 51, der die Form einer Hülse haben kann, angeordnet. Das Material des Stützkörpers ist Gummi oder ein ähnliches anderes Material mit grosser und kontinuierlicher Kompressi bilität, z. B. Naturgummi ( Qualität 190 der Trelleborgs Gummifabrik AB). Wenn der Stempel 31 nach oben geschoben wird, wird der Stützkörper 51 einem Druck von dem Teil 42 ausgesetzt, was zur Folge hat, dal3 der Stützkörper einen Stützdruck auf den Stempel ausübt. Dichtungsringe 52 und 53 aus gehärtetem Stahl sind an den Aussenkanten des Stützkörpers angeordnet.
Die äussere vertikale Fläche des Teiles 42 ist der inneren zylindrischen Fläche des Rohrs 28 angepasst, und ihr oberer Teil ist abgeschrägt, um mit der dem Teil 42 zugekehrten Fläche des Packungsringes 52 zusammenzupassen.
Der Stempel 30 ist, abgesehen von kleineren Partien, wie aus der Figur hervorgeht, von einem elektrisch isolierenden Material 54 umgeben, z. B. Glimmer oder Papier, dessen Aufgabe es ist, zu ermöglichen, dass elektrischer Strom über den Bolzen 55 in den Druckraum geleitet werden kann. Der Strom wird durch den unteren Stempel heraus und weiter zu der Aussenseite des Apparates geleitet, wo zweckmässige Kontakte angeordnet werden können, so dass ein geschlossener Stromkreis aufrechterhalten werden kann. Innerhalb des Druckraumes kann der Strom z. B. von einem (einer) in dem zu behandelnden Material eingeschlossenen Metalldraht oder Metall- spirale geleitet werden, der (die) mit den Teilen 34 und 43 der entsprechenden Stempel Kontakt macht.
Natürlich kann auch der obere Stempel 30 wie der untere Stempel 31 beweglich gemacht und mit einem Stempelteil versehen werden, der in die Druckkammer hineingeschoben wird, wobei der Druck in der Kammer dadurch erzeugt werden kann, dass beide Stempel eingedrückt werden. Der obere Stempel kann dann z. B. wie der untere Stempel 31 ausgeführt werden mit einem stützenden Körper wie der Körper 51, der die am nächsten beim Druckraum liegenden Stempelteile umgibt.
Als Beispiele verwendbaren Materials für die metallischen Teile im Hochdruckgefäss nach Fig. 3 kön- nen genannt werden : für das Rohr 26 der Werkzeugstahl WKE Brilliant (Fagersta Bruk AB, Schweden) oder SAE/AISI T4 mit einer Härte von RC 60, für den Teil 27 Werkzeugstahl WKE Brilliant oder SAE/AISI T4 mit einer Härte von RC 65, für den Teil 28 der Werkzeugstahl C 550 (Fagersta Bruk AB) oder SAE/AISI A2 mit einer Härte von RC 62, für den Teil 29 der Werkzeugstahl C 550 oder SAE/AISI A2 mit einer Härte von RC 55, für den Mantel 50 der Werkzeugstahl RC 7155 (AB Bofors, Schweden), mit einer Härte von RC 55, für die Teile 34, 41, 42 und 43 der Stempel das Hartmetall Coromant H5 (Sandvikens Jernverk AB, Schweden)
oder Carboloy 999 (General Electric Co.), für die Teile 33 und 40 der Werkzeugstahl C 550 oder SAE/AISI 42 mit einer Härte von RC 55, und für die Teile 32 und 39 der Werkzeugstahl RC 7155 mit einer Härte von RC 55.
Die doppelgekriimmte Oberfläche braucht nicht wie in den als Beispiel angeführten Fällen spharisch zu sein, sondern kann z. B. auch ellipsoid-oder paraboloidförmig sein. Wenn mehrere Anliegeflächen in einem Stempel vorhanden sind, könnten diese auch konzentrisch zueinander sein. Um längs der gemeinsamen Flächen einen guten Kontakt zu bekommen, können diese Flächen mit Vorteil oberflä- chenbehandelt werden, so dass sie sehr glatt werden.
Normalerweise sind keine Anordnungen zum Zusammenfügen der einzelnen Teile in einem Stempel erforderlich, aber bei Bedarf können diese mit mechanischen Anordnungen, z. B. Schrauben, durch Löten, Leimen oder dergleichen, zusammengefügt werden.
High pressure vessel with stamp
If a cylindrical punch is pressed against a base or otherwise loaded in the direction of the axis of symmetry, it breaks when the pressure is equal to or greater than the compressive strength of the punch material. It is known that a punch made of the same material, shaped like a truncated cone, the smaller of the parallel surfaces of the cone being the same size as the pressure surface of the said cylindrical punch, withstands a higher pressure directed against the smaller surface than the cylindrical - Drische stamps. The more obtuse the cone, the better the pressure resistance capacity of the stamp.
Since the tip or pressure surface of the stamp, e.g. B. if these are used in high-pressure vessels to generate pressure of the order of magnitude of 10,000 atm and above, are often exposed to strong wear and deforming forces, the punches are often made of hard metal or the like.
In view of the fact that the remaining parts of a stamp are generally not worn and deformed to the same extent as its tip or pressure surface, and that the wear-resistant material is often tercer and difficult to work, it is desirable to have the stamp from at least two parts assemble, one part is arranged at the tip of the punch ulwd made of a material resistant to wear and deformation wi, z. B.
Hard metal, and the other part is located a little way from the tip and made of less resistant material, e.g. B. a tool steel or other star exists. even if the stamp is only made of the same material, it can often be advantageous to divide it into several parts.
If the stamp is destroyed in parts that are exposed to particularly high stresses, it is not necessary under such circumstances to replace the entire stamp, but only the part or parts; which contain the destroyed parts.
The subject matter of the present invention is a high-pressure vessel which contains a pressure chamber and at least one stamp directed towards the pressure chamber, which has an axis of symmetry extending through the pressure chamber and includes at least two parts resting against one another in a surface. The high-pressure vessel according to the invention is characterized in that the contact surface is a curved surface that cannot be developed and that the center of curvature of the curved surface essentially coincides with the axis of symmetry of the stamp and lies on the side of the contact surface facing towards the pressure chamber.
The punch expediently takes the form of a rotating body, that is to say a body with an essentially cylindrical or conical shape. In a stamp with several spherical contact surfaces, the centers of curvature of the contact surfaces can advantageously coincide in such a way that the contact surfaces become practically concetrical.
It has been shown that a stamp in which adjoining parts rest against one another in non-developable contact surfaces can withstand a significantly higher pressure in the pressure vessel than a corresponding stamp in which the adjoining parts are arranged on even contact surfaces Conical punches in which adjoining parts lie against one another in flat abutting surfaces, usually cracks occur which are parallel to the axis of symmetry of the cone, and these occur at a considerably lower pressure than with a corresponding solid punch made of a uniform material.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which shows various exemplary embodiments of the high-pressure vessel according to the invention.
Fig. 1 shows a cylindrical punch, which consists of two parts with a spherical contact surface between the parts, which is intended to be inserted into an opening of a cylindrical high-pressure chamber.
2 shows a stamp consisting of three parts with spherical contact surfaces between the parts, which is intended to be inserted into a conical high pressure space or into a conical opening which leads to a high pressure space.
3 shows a high-pressure vessel in which the pressure is generated with a stamp which can be moved into the pressure chamber and which has both conical and cylindrical parts.
The cylindrical punch 11 according to FIG. 1 consists of the parts 12 and 13. The surfaces 14 and 15 are flat and at right angles to the axis of symmetry of the cylinder. The contact surface 16 between the parts is spherical and its center of curvature is located on the axis of symmetry of the cylinder. The part 12, which is intended to be directed towards the interior of the high pressure chamber, can, for. B. made of hard metal and the part 13 made of tool steel.
The conical punch 17 according to FIG. 2 consists of the parts 18, 19 and 20. The surfaces 21 and 22 are flat and at right angles to the axis of symmetry of the cone. The contact surfaces 23 and 24 between the parts 18 and 19 and between the parts 19 and 20 are spherical. The centers of curvature for the contact surfaces coincide with the symmetry axis of the cone. The part 18, which is intended to be directed against the interior of the pressure chamber, can, for. B. consist of hard metal, the part 19 from a tool steel with the desired hardness and the part 20 from a tool steel with a lower hardness than the steel of part 19.
The high-pressure vessel according to FIG. 3 contains a cylindrical space 25 which is delimited by the tube 26 and the two rams 30 and 31. The radial walls of the high-pressure vessel consist of a number of parts concentric with the tube 26, namely the cylindrical parts 27 and 28 and the outside conical part 29. Outside the part 29 is supported by an internally conical, movable jacket 50, which z . B. be pressed up with a hydraulic press and can give the radial walls a supporting pressure. The punch 30 is arranged on a support plate 56 which in turn is supported by a fixed support, not shown. The punch 30 has a conical section which essentially comprises the parts 32 and 33, and a mainly cylin drical section which comprises the part 34.
The surfaces 35 and 36 are flat and at right angles to the axis of symmetry of the punch. The contact surface 37 between the parts 32 and 33 and the contact surfaces between the parts 33 and 34 are spherical. The centers of curvature of the contact surfaces lie on the axis of symmetry of the punch, and the radius of curvature of each of the spherical contact surfaces 37 and 38 is the same size as the diameter of the spherical dome formed by the corresponding contact surface. The punch 31 is movable. The pressure in space 25 is generated in that the stamp 31 z. B. is pushed up with a hydraulic press, not shown.
The punch 31 has conical parts that form the parts 39, 40 and 41, and outside cylindrical parts that form the parts 42 and 43. The surfaces 44 and 45 are flat and at right angles to the axis of symmetry of the punch. The contact surface 46 between the parts 39 and 40, the contact surface 47 between the parts 40 and 42, the contact surface 48 between the parts 42 and 41 and the contact surface 49 between the parts 41 and 43 are all spherical. The centers of curvature of the contact surfaces lie on the axis of symmetry of the punch, and the radius of curvature of each of the spherical contact surfaces 46, 47, 48 and 49 is the same size as the diameter of the spherical dome formed by the corresponding contact surface.
A support body 51, which can have the shape of a sleeve, is arranged around the parts 41 and 43 of the lower punch. The material of the support body is rubber or a similar other material with large and continuous compressibility, z. B. Natural rubber (quality 190 from Trelleborgs Gummifabrik AB). When the punch 31 is pushed upwards, the support body 51 is subjected to a pressure from the part 42, with the result that the support body exerts a support pressure on the punch. Sealing rings 52 and 53 made of hardened steel are arranged on the outer edges of the support body.
The outer vertical surface of the part 42 conforms to the inner cylindrical surface of the tube 28, and its upper part is chamfered to match the surface of the packing ring 52 facing the part 42.
The stamp 30 is, apart from smaller parts, as can be seen from the figure, surrounded by an electrically insulating material 54, e.g. B. mica or paper, the task of which is to enable electrical current to be passed through the bolt 55 into the pressure chamber. The current is passed out through the lower punch and on to the outside of the apparatus where appropriate contacts can be placed so that a closed circuit can be maintained. Within the pressure chamber, the current can, for. B. be guided by a metal wire or metal spiral enclosed in the material to be treated, which makes contact with the parts 34 and 43 of the corresponding punch.
Of course, the upper stamp 30, like the lower stamp 31, can also be made movable and provided with a stamp part which is pushed into the pressure chamber, the pressure in the chamber being generated by pressing in both stamps. The upper punch can then, for. B. as the lower punch 31 are carried out with a supporting body such as the body 51, which surrounds the punch parts lying closest to the pressure chamber.
Examples of usable material for the metallic parts in the high pressure vessel according to FIG. 3 include: for the pipe 26 the tool steel WKE Brilliant (Fagersta Bruk AB, Sweden) or SAE / AISI T4 with a hardness of RC 60 for the part 27 Tool steel WKE Brilliant or SAE / AISI T4 with a hardness of RC 65, for part 28 tool steel C 550 (Fagersta Bruk AB) or SAE / AISI A2 with a hardness of RC 62, for part 29 tool steel C 550 or SAE / AISI A2 with a hardness of RC 55, for the jacket 50 the tool steel RC 7155 (AB Bofors, Sweden), with a hardness of RC 55, for the parts 34, 41, 42 and 43 the punch the hard metal Coromant H5 ( Sandvikens Jernverk AB, Sweden)
or Carboloy 999 (General Electric Co.), for parts 33 and 40 the tool steel C 550 or SAE / AISI 42 with a hardness of RC 55, and for parts 32 and 39 the tool steel RC 7155 with a hardness of RC 55.
The double-curved surface does not need to be spherical as in the cases cited as an example. B. also be ellipsoidal or paraboloidal. If there are several contact surfaces in a stamp, these could also be concentric to one another. In order to get good contact along the common surfaces, these surfaces can advantageously be surface-treated so that they become very smooth.
Normally no arrangements are required to assemble the individual parts in a punch, but if necessary these can be done with mechanical arrangements, e.g. B. screws, by soldering, gluing or the like, are joined together.