DE202013104815U1

DE202013104815U1 - Hochdruckdichtungsanordnung

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Publication number: DE202013104815U1
Application number: DE201320104815
Authority: DE
Original assignee: KMT Waterjet Systems Inc
Current assignee: KMT Waterjet Systems Inc
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-02-11
Anticipated expiration: 2023-10-29

Abstract

Dichtungssystem zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen einem Pumpenstößel und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe, wobei das Dichtungssystem umfasst: einen ersten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende, wobei das hintere axiale Ende eine Rückseite aufweist, die einen Unterschnitt definiert; einen O-Ring, der auf dem ersten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende des ersten Dichtungsrings angeordnet ist; einen zweiten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende, wobei ein Abschnitt des vorderen axialen Endes sich in den durch die Rückseite des ersten Dichtungsrings definierten Unterschnitt erstreckt, so dass axialer Druck, der auf den ersten Dichtungsring in einer Richtung zum zweiten Dichtungsring ausgeübt wird, das vordere axiale Ende des zweiten Dichtungsrings radial nach innen ablenkt, um einen abdichtenden Eingriff mit dem Stößel zu ermöglichen; und einen O-Ring, der am zweiten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axiale Ende des zweiten Dichtungsrings angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckdichtungsanordnung für eine Ultrahochdruckfluidpumpe, und im Spezielleren auf eine Hochdruckdichtungsanordnung zur Verwendung beim Abdichten einer Kolbenstößelpumpe in einem Hochdruckzylinder einer Druckerhöherpumpe, die zum Pumpen von Fluiden genutzt wird.
Präzisionsschneiden für industrielle und kommerzielle Zwecke wird oftmals durch den Einsatz eines Wasserstrahlsystems bewerkstelligt, das einen Hochgeschwindigkeitswasserstrahl auf eine zu schneidende Materialfläche lenkt. Wasserstrahlsysteme bringen Wasser auf einen Druck von 15.000 psi oder mehr und setzen diesen Druck in einen Fluidstrahl um, der sich mit Geschwindigkeiten von über Mach 2 fortbewegt. Dieser hochschnelle Strahl, der oftmals mit einem Abrasionsmittel gemischt ist, ist in der Lage, harte Werkstoffe wie etwa Metall und Granit mit Dicken von mehr als einem Fuß durchzuschneiden.
Die Pumpen, die in einem Wasserstrahlsystem arbeiten, benötigen Dichtungsanordnungen, welche die erzeugten hohen Drücke eindämmen können. Dies umfasst Dichtungsanordnungen, die zwischen den sich vor und zurück bewegenden Stößeln und der Wand der Zylinderbehälter angeordnet sind, in denen sich die Stößel vor und zurück bewegen. Die Dichtflächen derartiger Dichtungen sind typischerweise aus einem weicheren Material aufgebaut als die umgebenden Komponenten und neigen dazu, schnell zu versagen. Es kann auch vorkommen, dass die weicheren Dichtungskomponenten in Zwischenräume verdrängt werden, die während eines Hochdruckbetriebs entstehen. Der sich ergebende Verschleiß und Zerfall macht einen häufigen Dichtungsaustausch erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Dichtungssystem zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen einem Pumpenstößel und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe bereit. Das Dichtungssystem umfasst einen ersten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende. Das hintere axiale Ende weist eine Rückseite auf, die einen Unterschnitt definiert. Das System umfasst darüber hinaus einen O-Ring, der auf dem ersten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende des ersten Dichtungsrings angeordnet ist. Das System umfasst darüber hinaus einen zweiten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende. Ein Abschnitt des vorderen axialen Endes erstreckt sich in den durch die Rückseite des ersten Dichtungsrings definierten Unterschnitt, so dass ein axialer Druck, der auf den ersten Dichtungsring in einer Richtung zum zweiten Dichtungsring ausgeübt wird, das vordere axiale Ende des zweiten Rings radial nach innen ablenkt, um einen abdichtenden Eingriff mit dem Stößel zu ermöglichen. Das System umfasst auch einen O-Ring, der am zweiten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axiale Ende des zweiten Dichtungsrings angeordnet ist.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Dichtungssystem zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen einem Pumpenstößel und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe bereit. Das Dichtungssystem umfasst einen ersten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende. Ein O-Ring ist am Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende angeordnet. Das System umfasst darüber hinaus einen Packungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des Dichtungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende. Das System umfasst auch einen nicht aus Metall bestehenden Packungsdrücker mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des Packungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende. Der nicht aus Metall bestehende Packungsdrücker kann aus Keramik (z. B. Carbid) oder ähnlichen harten, verschleißfesten Materialien bestehen.
Andere Aspekte der Erfindung werden durch Berücksichtigung der ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein abrasives Wasserstrahlschneidsystem zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Druckerhöherpumpe des abrasiven Wasserstrahlschneidsystems von 1.
3 ist eine Querschnittsansicht der Druckerhöherpumpe von 2 entlang der Linie 3-3.
4 ist ein Teilquerschnitt eines Endabschnitts der Druckerhöherpumpe von 3.
5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer Dichtungsanordnung zur Verwendung in der Druckerhöherpumpe von 3, und welche die Erfindung verkörpert.
6 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der Dichtungsanordnung von 5.
6a ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der Dichtungsanordnung von 5 in ihrem Abdichtungszustand unter Hochdruck gezeigt.
7 ist eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht, welche den vorderen und hinteren Dichtungsring der Dichtungsanordnung von 5 zeigt.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer die Erfindung verkörpernden alternativen Dichtungsanordnung.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht noch einer anderen die Erfindung verkörpernden alternativen Dichtungsanordnung.
10a ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht, die eine alternative Keilringauslegung darstellt.
10b ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht, die eine andere alternative Keilringauslegung darstellt.
11 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht, die eine alternative Packungsdrückerauslegung darstellt.
12 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer Dichtungsanordnung aus dem Stand der Technik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben werden, sollte klar sein, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Ausführungsdetails und die Anordnung von Komponenten beschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen in der Lage und kann auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Auch sollte klar sein, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht als einschränkend angesehen werden sollte. Die hiesige Verwendung von „enthaltend”, „umfassend” oder „aufweisend” und Varianten davon soll danach aufgelistete Elemente und Äquivalente von diesen sowie zusätzliche Elemente bedeuten. So wie die Begriffe „oberer/obere/oberes”, „unterer/untere/unters”, „innerer/innere/inneres”, „äußerer/äußere/äußeres”, „Oberseite”, „Unterseite”, „Vorderseite”, Rückseite”, „hinten” und andere Richtungsbegriffe hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, sollen keine besondere Ausrichtung erfordern, sondern werden stattdessen nur zu Beschreibungszwecken verwendet.
Es sollte klar sein, das „ultrahoch” und „Hochdruck”, so wie hier verwendet, sich auf einen Fluiddruck von über 15.000 psi und allgemeiner über 60.000 psi bezieht. Ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass eindeutige Probleme bei diesen hohen Drücken auftreten. Somit lassen sich Lösungen, die Pumpen für niedrigere Drücke gemein haben, nicht unbedingt auf Systeme anwenden, die bei Drücken von über 15.000 psi arbeiten, und können in der Tat Ergebnisse hervorbringen, die im Gegensatz zu denjenigen stehen, die im Niederdruckbetrieb zu sehen sind.
1 stellt ein Abrasiv-Wasserstrahlschneidsystem 10 zum Schneiden eines besonderen Materials mit einem Hochdruckstrahl von Wasser dar, das mit einem Abrasionsmittel gemischt ist. Das Schneidsystem 10 umfasst einen Schneidtisch 10 mit einer Materialauflagefläche 22 und einem Schneidkopfsystem 30, das einen Schneidkopf 40 umfasst. Das Schneidkopfsystem 30 wird durch einen Computer 50 gesteuert und ist funktional über die Arme 24, 26 auf eine den Fachleuten auf dem Gebiet bekannte Weise beweglich, um einen Schneidevorgang an irgendeiner erforderlichen bearbeitbaren Stelle auf der Fläche 22 bereitzustellen. Ein Pumpsystem 60 erzeugt Hochdruckfluid, typischerweise Wasser, für den Schneidprozess und stellt dieses Wasser durch ein (nicht gezeigtes) Hochdruckrohr dem Schneidkopfsystem 30 bereit. Ein Zuführsystem 70 führt ein abrasives Material wie etwa Granat zu, das am Schneidkopf 40 mit dem Wasserstrahl kombiniert wird. Ein Abrasionsmittelentfernungssystem 80 filtert das im Prozess erzeugte Abwasser, um das Abrasionsmittel zur weiteren Verwendung rückzugewinnen. Das Abwasser kann entweder durch einen Abfluss entsorgt oder recycelt werden, um den Gesamtwasserverbrauch zu minimieren.
2 und 3 stellen eine doppeltwirkende Hochdruckpumpe 100 des Pumpsystems 60 dar. Wie den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist, umfasst diese Pumpe, die auch als Druckerhöherpumpe bezeichnet wird, einen Kraftzylinder 110, der eine Hydraulikflüssigkeitskammer 114 definiert. Ein doppelseitiger Kolben 118, der an zwei entgegengesetzte Stößel 122 angeschlossen ist, bewegt sich in der Kammer 114 im Ansprechen auf druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit abwechselnd vor und zurück, die in die und aus der Kammer 114 geleitet wird. Ein oder mehrere Näherungsschalter 126 erfasst bzw. erfassen den Kolben 118 und sendet bzw. senden bei einer Erfassung ein Signal an eine Steuereinheit wie etwa einen PLC, um ein 4-Weg-Ventil an der Hydraulikpumpe zu schalten, wodurch Hydrauliköl durch die Öffnungen 128 an der Unterseite des Kraftzylinders 110 zur anderen Seite des Kolbens 118 geleitet wird. Das System Kolben/Stößel wirkt als Druckmultiplikator zum Erhöhen des Drucks eines Fluids wie etwa Wasser, das in die Bohrungen 130 von zwei entgegengesetzten zylindrischen Behältern 134 gesaugt wird. Die Behälter 134 sind über Hydraulikzylinderköpfe 138 an den Kraftzylinder 110 angeschlossen. Ein Pumpenkopf 140 ist jeweils an den Enden 142, 144 jedes zylindrischen Behälters 134 angeordnet. Der Pumpenkopf 140 umfasst einen Dichtungskopf 146, der teilweise im Inneren einer Endkappe 150 angeordnet ist. Jedes Ende 142, 144 ist im Wesentlichen identisch und in der Lage, Hochdruckfluid an das Wasserstrahlschneidsystem zu liefern.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, umfasst das Dichtungskopfsystem 146 ein Einlassrückschlagventil 154, das dazu ausgelegt ist, Niederdruckwasser in die Bohrung 130 eintreten zu lassen, wenn der Stößel 122 eingefahren wird, und ein Auslassrückschlagventil 158, um Hochdruckfluid zum Auslass 162 zu leiten, wenn der Stößel 122 in der Bohrung 130 einen Vorwärtshub macht. Mit Bezug auf 4 umfasst die Endkappe 150 in der dargestellten Ausführungsform Innengewindegänge 166 zum Passeingriff mit Außengewindegängen 170 an einer Außenfläche eines Hohlzapfens 174. In anderen Ausführungsformen kann die Endkappe 150 mit einer alternativen lösbaren Verbindung am Hohlzapfen 174 befestigt werden. Beispielsweise können sich (nicht gezeigte) Zuganker über die Länge des Behälters 134 erstrecken und den Hydraulikzylinderkopf 138 mit der Endkappe 150 verbinden. Mehrere Abdrückschrauben 180, die in Öffnungen 184 der Endkappe 150 eingedreht sind, umfassen jeweils Endflächen 190, die an der Schulter 194 des Dichtungskopfes 146 angreifen und eine Kompressionskraft bereitstellen, um den Dichtungskopf 146 in abdichtendes Verhältnis mit einem Endabschnitt 200 des zylindrischen Behälters 134 zu drücken. Der gesicherte zylindrische Behälter 134, der Dichtungskopf 146 und die Endkappe 150 sind allesamt mit einer Längsachse 215 durch die Mitte der Bohrung 130 konzentrisch.
Nun umfasst mit Bezug auf 5 die Druckerhöherpumpe 100 ein Paar Dichtungssysteme 220 (nur eines ist in 5 gezeigt), eines auf jeder Seite des Kolbens 118 der Pumpe 100, und zueinander in einem Spiegelverhältnis ausgerichtet. Wie in 5 gezeigt ist, ist jedes Dichtungssystem 220 zwischen dem Stößel 122 und dem zylindrischen Hochdruckbehälter 134 angeordnet, um den Zwischenraum zwischen dem ein- und ausfahrenden Stößel 122 und der Bohrung 130 des Hochdruckzylinders 134 abzudichten. Ein Halter 224, der sandwichartig zwischen dem Zylinder 134 und dem Zylinderkopf 138 eingeschlossen ist, positioniert die Dichtung axial in der Bohrung 130.
Bevor das Dichtungssystem 220 der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben wird, wird zuerst Bezug auf 12 genommen, die ein Dichtungssystem 228 aus dem Stand der Technik darstellt. Das Dichtungssystem 228 aus dem Stand der Technik umfasst einen Dichtungsring 232, worauf ein O-Ring 236 gelagert ist. Der Dichtungsring 232 weist ein hinteres axiales Ende 240 (wobei „hinten” die Richtung zum Kolben 118 hin ist) auf, das an einem vorderen axialen Ende 244 eines Packungsrings 248 anstößt. Ein hinteres axiales Ende 252 des Packungsrings 248 stößt an einem vorderen axialen Ende 256 eines Packungsdrückers 260 an. Ein Keilring 264 ist einer äußeren (z. B. radial äußeren) Fläche jeweils des Packungsrings 248 und des Packungsdrückers 260 gelagert. Der Keilring 264 ist im Querschnitt trapezförmig, wobei in entgegengesetzte Richtungen gewandte, geneigte Flächen 268 an abgeschrägte Flächen 272, 276 anstoßen, die am Packungsring 248 bzw. Packungsdrücker 260 ausgebildet sind. Der Dichtungsring 232, der Packungsring 248 und der Packungsdrücker 260 definieren jeweils jeweilige Bohrungen 280, 284 und 288, durch welche sich der Stößel 122 erstrecken und sich vor und zurück bewegen kann. Die Bohrung 288 des Packungsdrückers 260 umfasst zwei Stege oder Auflageflächen 292, die axial voneinander beabstandet und durch eine Entlastungsfläche 296 mit einem größeren Durchmesser getrennt sind. Diese zwei Auflageflächen 292 können denselben Durchmesser haben, oder eine der zwei Auflageflächen 292 kann einen etwas (z. B. um ca. 0,004 Zoll (0,102 mm)) größeren Durchmesser haben als sie andere.
Der Dichtungsring 232 und der Packungsring 248 sind als „Weichdichtungselemente” bekannt, weil sie typischerweise aus Kunststoffmaterialien mit geringer Festigkeit wie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW) bestehen. Der Packungsdrücker 260 besteht typischerweise aus einem Metall mit höherer Festigkeit (z. B. Kupfer, Messing, Bronze usw.), das eine spaltdichte Unterstützung für die Weichdichtungselemente bildet. Besondere Sorgfalt muss ma bei der Dichtungskonzeption walten lassen, um einen minimalen „Verdrängungsspalt” sowohl an der Grenzfläche zwischen dem Dichtungssystem 228 und dem Stößel 122 als auch der Grenzfläche zwischen dem Dichtungssystem 228 und der Zylinderbohrung 130 sicherzustellen. Die Formulierung „Verdrängungsspalt” ist auf dem Gebiet als der Zwischenraum an diesen Grenzflächen bekannt, durch welchen die Weichdichtungselemente aufgrund der in der Pumpe 100 ausgeübten ultrahohen Drücke möglicherweise verdrängt oder hindurchtreten könnten. Gegenwärtige Dichtungssysteme sind dazu konzipiert, die Verdrängungszwischenräume zu minimieren, während gleichzeitig auch die Lebenserwartung des Dichtungssystems verlängert und ein Schaden am Stößel 122 oder eine Behinderung des Stößels 122 minimiert wird.
Während des Betriebs der Pumpe erfährt die Dichtung 228 aus dem Stand der Technik einen hohen Druck, der sich axial in der durch den Pfeil 300 gezeigten Richtung auswirkt. Diese Druckbelastung wird axial durch den O-Ring 236 und den Dichtungsring 232 auf den Packungsring 248 übertragen. Diese Belastung bewirkt eine Kompression des Packungsrings 248 in der Richtung des Pfeils 300, die wiederum bewirkt, dass der Keilring 264 zum Teil aufgrund der Grenzfläche zwischen der geneigten Fläche 268 und der mit dieser in Passeingriff stehenden abgeschrägten Fläche 272 ablenkt oder sich radial nach außen zur Zylinderbohrung 130 hin ausdehnt, wodurch jeder Verdrängungsspalt zwischen dem Dichtungssystem 228 und der Zylinderbohrung 130 geschlossen oder verkleinert wird, der durch eine radiale, während Druckbeaufschlagung verursachte Ausdehnung des Zylinders 134 hervorgerufen wird. Die Ausdehnung des Keilrings 264 bewirkt zusätzlich zu seiner axialen Bewegung in der Richtung des Pfeils 300 auch, dass der Packungsdrücker 260 sich radial nach innen zum Stößel 122 hin zum Teil aufgrund der Grenzfläche zwischen der geneigten Fläche 268 und der mit dieser in Passeingriff stehenden abgeschrägten Fläche 276 zusammenzieht oder einsinkt, um jeden Verdrängungsspalt zwischen dem Dichtungssystem 228 und dem Stößel 122 zu schließen oder zu verkleinern. Indem der Verdrängungsspalt auf diese Weise geschlossen oder verkleinert wird, wird der Polymerpackungsring 248 besser daran gehindert, verdängt zu werden und auszufallen.
Wenn sich der Stößel 122 während des Pumpvorgangs vor und zurück bewegt, greift er dabei an den Auflageflächen 292 des Packungsdrückers 260 an, die so wirken, dass sie den Stößel 122 im Zylinder 134 führen. Die Reibung zwischen den Gleitflächen trägt die Auflageflächen 292 des Packungsdrückers 260 durch Verschleiß ab. Dies ist eine beabsichtigte Konsequenz des Dichtungssystems 228 aus dem Stand der Technik, bei dem der Packungsdrücker 260 absichtlich eine Opferelement ist, das weicher und weniger verschleißfest ist als der Stößel 122, der typischerweise aus einem harten Keramikmaterial besteht. Über die Zeit kann der Packungsdrücker 260, selbst wenn die Auflageflächen 292 durch Verschleiß abgetragen werden, weiterhin radial nach innen ablenken, um den Verdrängungsspalt geschlossen zu halten und den Verschleiß auszugleichen. Jedoch besteht schließlich eine physische Grenze für den Betrag, um den der Packungsdrücker 260 bei einer bestimmten Belastung radial nach innen ablenken oder einsinken kann. Diese Grenze hängt vom Elastizitätsmodul des Materials des Packungsdrückers 260 ab. Sobald diese Ablenkungsgrenze erreicht ist, nutzt der sich vor und zurück bewegende Stößel 122 weiterhin den Packungsdrücker 260 ab und in der Folge öffnet sich der Verdrängungsspalt zwischen dem Stößel 122 und dem Packungsdrücker 260. Das weiche Polymerdichtungsmaterial des Packungsrings 240 beginnt aufgrund der enormen Belastungen, die sich bei Betriebsdruck entfalten, durch den Zwischenraum auszutreten, und ein Dichtungsausfall wird beschleunigt und steht bevor.
Der Opfermetallpackungsdrücker 260 bietet eine relativ geringe Gleitreibung und widersteht Toleranzveränderungen und einer Fehlausrichtung des Stößels 122 und des Zylinders 134. Dies macht es unwahrscheinlicher, dass der Packungsdrücker 260 den teuren Keramikstößel 122 zerkratzt oder anderweitig beschädigt. Dieser Vorteil geht allerdings mit dem Preis eines schnelleren Verschleißes der Bohrung 288 (d. h. der Auflageflächen 292) des Packungsdrückers 260 und somit einer schnelleren Dichtungsverdrängung und eines schnelleren Ausfalls einher.
Nun ist mit Bezug auf 5 bis 7 das Dichtungssystem 220 der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Dichtungssystem 228 aus dem Stand der Technik verbessert, um eine länger haltende Dichtung bereitzustellen. Wie in 5 und 6 gezeigt ist, umfasst das Dichtungssystem 220 einen ersten oder vorderen Dichtungsring 304 mit einer Bohrung 308, durch die sich der Stößel 122 erstrecken und sich vor und zurück bewegen kann. Der vordere Dichtungsring 304 umfasst auch ein vorderes axiales Ende 312 und ein hinteres axiales Ende 316 (siehe 7). Ein O-Ring 320 ist in einer Nut mit J-Profil angeordnet, die an der Außenfläche des vorderen Dichtungsrings 304 zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende 312, 316 ausgebildet ist. Der Dichtungsring 304 besteht aus einem Polyethylenmaterial (z. B. UHMW).
Nun definiert mit Bezug auf 7 das hintere axiale Ende 316 des vorderen Dichtungsrings 304 einen Unterschnitt 324, der auf einer Rückseite 328 des vorderen Dichtungsrings 304 ausgebildet ist. Der Unterschnitt 324 ist durch einen ersten Abschnitt 332 der Rückseite 328, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Bohrung 308 erstreckt, einen zweiten Abschnitt 336 der Rückseite 328, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Bohrung 308 erstreckt und axial vom ersten Abschnitt 332 versetzt ist, und einen dritten Abschnitt 340 der Rückseite 328 definiert, der sich schräg zum ersten Abschnitt 332, zum zweiten Abschnitt 336 und zur Bohrung 308 erstreckt. Der Zweck des Unterschnitts 324 wird nachstehend im Detail beschrieben.
Nun umfasst mit Bezug auf 5 und 6 das Dichtungssystem 220 darüber hinaus einen zweiten oder hinteren Dichtungsring 344 mit einer Bohrung 348, durch die sich der Stößel 122 erstrecken und sich vor und zurück bewegen kann. Der hintere Dichtungsring 344 umfasst auch ein vorderes axiales Ende 352 und ein hinteres axiales Ende 356 (siehe 7). Ein Abschnitt des vorderen axialen Endes 352 erstreckt sich in den durch die Rückseite 328 des ersten Dichtungsrings 304 definierten Unterschnitt 324, so dass ein axialer Druck, der auf den ersten Dichtungsring 304 in einer Richtung zum zweiten Dichtungsring 344 hin ausgeübt wird, das vordere axiale Ende 352 des zweiten Dichtungsrings 344 radial nach innen ablenkt, um einen abdichtenden Eingriff mit dem Stößel 122 zu ermöglichen (siehe 6a). In der dargestellten Ausführungsform füllt der sich in den Unterschnitt 324 erstreckende Abschnitt des vorderen axialen Endes 352 im Wesentlichen den gesamten Unterschnitt 324 aus. Ein O-Ring 360 ist in einer Nut mit J-Profil angeordnet, die an der Außenfläche des hinteren Dichtungsrings 344 zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende 352, 356 ausgebildet ist. Der Dichtungsring 344 besteht auch aus einem Polyethylenmaterial (z. B. UHMW).
Wieder mit Bezug auf 7 ist der Abschnitt des vorderen axialen Endes 352 des zweiten Dichtungsrings 344, der sich in den Unterschnitt 324 erstreckt, durch eine Fläche mit einem ersten Abschnitt 364, der an den ersten Abschnitt 332 der Rückseiten 328 des vorderen Dichtungsrings 304 anstößt und diesem längenmäßig entspricht, und einem zweiten Abschnitt 368 definiert, der an den dritten Abschnitt 340 der Rückseite 328 des vorderen Dichtungsrings 304 anstößt und diesem längenmäßig entspricht. Der zweite Abschnitt 368 des hinteren Dichtungsrings 344 teilt denselben schrägen Winkel wie der dritte Abschnitt 340 des vorderen Dichtungsrings 304, welcher Stoßwinkel die Ablenkung des vorderen axialen Endes 352 des zweiten Dichtungsrings 344 radial nach innen ermöglicht, um den abdichtenden Eingriff mit dem Stößel 122 zu ermöglichen (siehe 6a). In der dargestellten Ausführungsform sind der dritte Abschnitt 340 und der zweite Abschnitt 368 um ca. fünfundvierzig Grad in Bezug auf die Bohrungen 308, 348 der Dichungsringe 304, 344 gewinkelt. In anderen Ausführungsformen können die Winkel wunschgemäß optimiert sein.
Mit Bezug auf 5 und 6 umfasst das Dichtungssystem 220 darüber hinaus einen Packungsring 372, der aus einem Polymermaterial besteht. Zusammen bilden die Dichtungsringe 304, 344 und der Packungsring 372 die Weichdichtungselemente des Dichtungssystems. Die sind axial kompressibel und werden dadurch als „Energie verleihende Komponenten” des Dichtungssystems erachtet. Der Packungsring 372 umfasst eine Bohrung 376, durch die sich der Stößel 122 erstrecken und sich vor und zurück bewegen kann, ein vorderes axiales Ende 380, das am hinteren axialen Ende 356 des hinteren Dichtungsrings 344 anstößt, und ein hinteres axiales Ende 384. Eine Außenfläche des Packungsrings 372 weist eine abgeschrägte Fläche 388 und eine vertiefte Fläche 392 auf, deren Zweck nachstehend beschrieben wird.
Das Dichtungssystem 220 umfasst darüber hinaus einen Packungsdrücker 396 mit einer Bohrung 400, durch welche der Stößel 122 ausfährt und sich vor und zurück bewegt. Ein vorderes axiales Ende 404 stößt am hinteren axialen Ende 384 des Packungsrings 372 an. Der Packungsdrücker 396 weist darüber hinaus ein hinteres axiales Ende 408 auf, das am Halter 224 anstößt. Der dargestellte Packungsdrücker 396 weist eine abgeschrägte Fläche 412 angrenzend an das vordere axiale Ende 404 auf und verjüngt sich radial nach außen angrenzend an das hintere axiale Ende 408, um eine Schulter oder einen Flansch 416 zu bilden, die bzw. der an einer entsprechenden abgeschrägten Fläche 420 (siehe 5) des Zylinders 134 anstößt, um eine axiale Bewegung des Packungsdrückers 396 vom Halter 224 weg einzuschränken.
Die Bohrung 400 des Packungsdrückers 396 weist eine erste Fläche oder Auflagefläche 424 (d. h. einen Steg), die einen einzelnen, radial am weitesten innen liegenden Durchmesser der Bohrung 400 bildet, der für einen möglichen Gleiteingriff mit dem Stößel 122 ausgelegt ist, und eine zweite Fläche 428 mit einem Durchmesser auf, der größer ist als die Auflagefläche 424, um eine gestufte Bohrung 400 zu bilden. In der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Fläche 428 parallel zur ersten Fläche 424 und ist von der Auflagefläche 424 durch eine abgeschrägte Übergangsfläche 432 getrennt. Die Auflagefläche 424 ist so hergestellt, dass sie nahezu einen Gleitsitz Linie an Linie mit dem Stößel 122 hat. Das maximal hergestellte durchmesserbezogene Spiel zwischen der Auflagefläche 424 und dem Stößel 122 kann in manchen Fällen bis zu 0,0015 Zoll (0,0381 mm) betragen, ist aber in den meisten Fällen kleiner oder gleich 0,0002 Zoll (0,005 mm). Die zweite Fläche 428 berührt den Stößel 122 nicht, und es ist keine andere Auflagefläche zum Angriff am Stößel 122 vorgesehen.
Die einzige Auflagefläche 424 grenzt unmittelbar an das vordere axiale Ende 404 des Packungsdrückers 396 an und erstreckt sich vorzugsweise um einen Abstand von ca. 0,010 Zoll (0,254 mm) bis ca. 0,30 Zoll (7,62 mm) axial zum hinteren axialen Ende 408, um Reibung zu minimieren, Wahrscheinlichkeit einer Stößelbeschädigung zu minimieren, und die Dichtungsnutzdauer zu verlängern. In einigen Ausführungsformen kann die axiale Länge der Auflagefläche 424 bis auf 0,5 Zoll (12,7 mm) verlängert werden, dies geht aber mit dem Risiko erhöhter Reibung und erhöhter Stößelbeschädigung einher. In noch anderen Ausführungsformen kann die axiale Länge der Auflagefläche 424 so kurz wie eine scharfe „Messerschneide” sein, allerdings vermag eine solche kurze Auflagefläche nicht soviel Führung für den Stößel 122 bereitzustellen. Über nur die einzige Auflagefläche 424 angrenzend an das vordere axiale Ende 404 zu verfügen, minimiert das Risiko, dass sich kleine verdrängte Dichtungsstückchen in einer Entlastungsnut oder einem Sammelbereich verfangen, die bzw. der zwischen zwei Auflageflächen gebildet ist. Stattdessen können sich jegliche Abriebteile angrenzend an die zweite Fläche 428 frei ansammeln und werden nicht (über Druck) in einen Zwischenraum zwischen einer anschließenden Auflagefläche und dem Stößel 122 gedrängt.
Der Packungsdrücker 396 ist nichtmetallisch und vorzugsweise keramisch (z. B. Oxide, Nichtoxide, Keramikverbundstoffe wie etwa Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Carbid, Siliciumnitrid, Wolframcarbid u. dgl.) und ist nicht wie der Metallpackungsdrücker 260 aus dem Stand der Technik als ein Opferelement konzipiert. Stattdessen ist der Packungsdrücker 396 vorzugsweise keramisch und viel härter, stärker und verschleißfester hergestellt als Weichmetallpackungsdrücker aus dem Stand der Technik. Obwohl die herkömmliche Praxis und Auffassung darin bestand, dass ein kleinstmöglicher Verdrängungsspalt (von möglichst Null) zu einer länger Dichtungsnutzdauer führt, hat die Verwendung des harten, vorzugsweise keramischen Packungsdrückers 396 überraschenderweise das Gegenteil bewiesen. Speziell haben, selbst bei dem Packungsdrücker 396 mit einem durchmesserbezogenen Spiel von bis zu 0,0015 Zoll (0,0381 mm), und bei der reduzierten radial nach innen gerichteten Ablenkung aufgrund des harten Keramikmaterials, Dichtungssysteme, die sich des keramischen Packungsdrückers 396 bedienen, im Test eine längere Dichtungsnutzdauer als Dichtungen aus dem Stand der Technik mit Metallpackungsdrückern mit kleinerem durchmesserbezogenen Spiel (z. B. 0,0002 Zoll (0,005 mm)) ergeben. Mit anderen Worten wurde, auch wenn keramische Packungsdrücker 396 über sehr geringe oder keine radial nach innen gerichtete Ablenkung verfügen, so dass der Verdrängungsspalt nicht geschlossen ist und die Bohrung des Packungsdrückers 396 den Stößel 122 während des Betriebs der Pumpe 100 umfänglich nicht vollständig berührt, eine längere Dichtungsnutzdauer erzielt. Und zwar deswegen, weil der Mangel an radial nach innen gerichteter Ablenkung des Packungsdrückers 396 das zyklische Abklemmen oder „Anknabbern” des Packungsrings 372 minimiert oder abschafft, das bei Metallpackungsdrückern aus dem Stand der Technik auftritt.
Wenn Metallpackungsdrücker aus dem Stand der Technik mit engem durchmesserbezogenem Spiel während des Betriebs der Pumpe zyklisch radial nach innen und dann nach außen ablenken, klemmen und brechen (d. h. „knabbern”) die Packungsdrücker langsam den Packungsring ab, der in den Verdrängungsspalt austritt. Der Packungsring wird wiederholt zwischen dem Packungsdrücker und dem Stößel eingeklemmt. Kleine Stücke des Packungsrings brechen während des Betriebs ab, bis der Packungsring schließlich versagt und nicht mehr in der Lage ist, den vor ihm liegenden weicheren Dichtungsring zu stützen, was auch zu einem Ausfall des Dichtungsrings führt. Weil die Bohrung des Metallpackungsdrückers verschleißt, wird das durchmesserbezogene Spiel größer, wodurch eine Verdrängung des Packungsrings mehr und mehr zugelassen wird und das Anknabbern aufgrund der wiederholten radialen Einwärtsablenkung weitergeht. Der keramische Packungsdrücker 396 der vorliegenden Erfindung lenkt viel weniger radial nach innen ab (z. B. ca. 3 bis 5 Mal weniger) als herkömmliche Metallpackungsdrücker. Diese kleinere Ablenkung reduziert oder eliminiert in Kombination mit einem größeren durchmesserbezogenen Spiel ein Einklemmen des Packungsrings zwischen dem Packungsdrücker 396 und dem Stößel 122, wodurch ein „Anknabbern” des Packungsrings reduziert wird. Dies führt zu einer längeren Dichtungsnutzdauer.
Der Packungsdrücker 396 kann aus Keramik (z. B. Zirkoniumoxid, Carbid, Siliciumnitrid, Wolframcarbid u. dgl.) oder ähnlichen harten, verschleißfesten Materialien bestehen. Der Packungsdrücker 396 hat eine größere Härte als herkömmliche Metallpackungsdrücker. Beispielsweise hat ein herkömmlicher Metallpackungsdrücker typischerweise eine Härte im Bereich von ca. 57 bis 65 HRA, während der Packungsdrücker 396 eine Härte von mindestens 74 HRA hat, wobei die dargestellte Ausführungsform je nach Klasse und Typ der verwendeten Keramik eine Härte von ca. 75 HRA bis ca. 93 HRA hat. Der Packungsdrücker 396 hat auch einen größeren Elastizitätsmodul als herkömmliche Metallpackungsdrücker. Beispielsweise hat ein herkömmlicher Metallpackungsdrücker typischerweise einen Elastizitätsmodul zwischen 16 × 10⁶ psi und 21 × 10⁶ psi, während der Packungsdrücker 396 einen Elastizitätsmodul von mindestens 29 × 10⁶ psi hat, wobei die dargestellte Ausführungsform je nach Klasse und Typ der verwendeten Keramik einen Elastizitätsmodul zwischen ca. 60 × 10⁶ psi und ca. 95 × 10⁶ psi hat. Der Packungsdrücker 396 hat darüber hinaus einen Abriebfestigkeitsfaktor (1/Volumenverlust (mm³)) von mehr als 35, wobei die dargestellte Ausführungsform je nach Klasse und Typ der verwendeten Keramik bei ca. 65 bis ca. 165 liegt.
Ein Keilring 436 ist an einer äußeren (z. B. radial äußeren) Fläche jeweils des Packungsrings 372 und Packungsdrückers 396 gelagert. Der Keilring 436 ist im Querschnitt trapezförmig, wobei jeweils in entgegengesetzte Richtungen gewandte, geneigte Flächen 440 an abgeschrägten Flächen 388, 412 anstoßen, die am Packungsring 372 bzw. Packungsdrücker 396 ausgebildet sind. Der Keilring 436 besteht aus Weichmetall (z. B. Kupfer, Messing, Bronze). Zusammen handelt es sich bei dem Keilring 436 und dem Packungsdrücker 396 um die Zwischenraumsteuerungselemente höherer Festigkeit, die dazu konzipiert sind, die Zwischenräume zu verkleinern oder abzuschaffen, um ein Verdrängen der Weichdichtungskomponenten durch diese hindurch zu reduzieren oder zu verhindern. Sie unterstützen die Weichdichtungskomponenten, indem sie Veränderungen beim Durchmesser der Zylinderbohrung 130 auffangen, die beim Pumpen auftreten. Selbst wenn der Verdrängungsspalt nicht vollständig reduziert wird, schützt die Fähigkeit des Packungsdrückers 396, die radiale Einwärtsablenkung zu minimieren und von daher ein Anknabbern des Dichtungsrings 372 zu minimieren oder abzuschaffen, den weicheren Dichtungsring 372 und erhöht die Nutzdauer der Dichtung.
Mit Bezug auf 5 bis 6a erfährt das Dichtungssystem 220 während des Betriebs der Pumpe 100 einen hohen Druck, der axial in der durch den Pfeil 444 gezeigten Richtung ausgeübt wird. Diese Druckbelastung wird axial durch den O-Ring 320 und den vorderen Dichtungsring 304 auf den hinteren Dichtungsrings 344 übertragen Wie vorstehend beschrieben wurde und in 6a gezeigt ist, bewirkt die axiale Belastung kombiniert mit dem Abschnitt des axialen vorderen Endes 352 des hinteren Dichtungsrings 344, der in dem Unterschnitt 324 des vorderen Dichtungsrings 304 aufgenommen ist, dass das axiale vordere Ende 352 radial nach innen in abdichtenden Eingriff mit dem Stößel 122 ablenkt. Dies ist zum Teil auf die keilartige Grenzfläche zwischen dem geneigten dritten Abschnitt 340 und dem geneigten zweiten Abschnitt 368 der jeweiligen Dichtungsringe 304, 344 zurückzuführen. Der vordere Dichtungsring 304 und der Packungsring 372 werden auch radial nach innen in abdichtenden Eingriff mit dem Stößel 122 ablenken. Der wie vorstehend beschriebene Packungsdrücker 396 kann in Eingriff mit dem Stößel 122 ablenken oder auch nicht. Versuche haben gezeigt, dass diese duale Dichtungsringanordnung eine längere Dichtungsnutzdauer ergibt als eine einzelne Dichtungsringanordnung wie sie im Dichtungssystem 228 aus dem Stand der Technik verwendet wird.
Die axiale Belastung des hinteren Dichtungsrings 344 wird auf den Packungsring 372 übertragen, wodurch eine Kompression des Packungsrings 372 in der Richtung des Pfeils 444 bewirkt wird. Diese Kompression des Packungsrings 372 und die Grenzfläche an der anstoßenden geneigten Fläche 440 und der abgeschrägten Fläche 388 bewirken, dass der Keilring 436 radial nach außen zur Zylinderbohrung 130 (siehe 67a) hin ablenkt oder expandiert, wodurch jeder Verdrängungsspalt zwischen dem Dichtungssystem 220 und der Zylinderbohrung 130, der durch die während einer Druckbeaufschlagung auftretende radiale Expansion des Zylinders 134 verursacht ist, geschlossen oder verkleinert wird.
Die Expansion des Keilrings 436 bewirkt auch, und zwar über die die Grenzfläche an der anstoßenden geneigten Fläche 440 und der abgeschrägten Fläche 412, dass sich der Packungsdrücker 396 radial nach innen zum Stößel 122 hin kontrahiert oder einsinkt (wenn auch weniger als der weichere Packungsdrücker 260 aus dem Stand der Technik), um jeden Verdrängungsspalt zwischen dem Dichtungssystem 220 und dem Stößel 122 zu schließen oder zu verkleinern. Allerdings hindert die hohe Festigkeit des Packungsdrückers 396 ihn substantiell daran, sich eng an den Stößel 122 festzuklemmen, wodurch ein erheblicher Schaden am Stößel 122 selbst bei ultrahohen Drücken verhindert wird. Mit dem Packungsdrücker 396, der die Verdrängungsspalte auf diese gesteuerte und konsistente Weise schließt oder verkleinert, ohne den Packungsring 372 wie vorstehend erörtert anzuknabbern, werden der Polymerpackungsring 372 und die Dichtungsringe 304, 344 besser daran gehindert, auszutreten, zu zerfallen und zu versagen. Die Hochfestigkeitseigenschaften des Packungsdrückers 396 und der sich ergebende Widerstand gegen Einwärtsablenkung ermöglichen es, den gewünschten Passsitz am Stößel 122 zu erzielen, und zwar sowohl wenn die Pumpe 100 unbelastet als auch wenn die Pumpe 100 unter ultrahohen Drücken belastet ist. Zusammen wirken der Keilring 436 und der Packungsdrücker 396 als Unterstützungselemente, die eine Verdrängung oder einen Zerfall der Weichdichtungselemente sowohl an den Innen- als auch Außendurchmessern des Dichtungssystems 220 verhindern oder einschränken.
8 stellt ein anderes Dichtungssystem 520 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Dichtungssystem 520 ist dem Dichtungssystem 220 ähnlich, und es wurden gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile vergeben. Nur die Unterschiede werden nachstehend beschrieben. Das Dichtungssystem 520 umfasst einen modifizierten Packungsdrücker 396', bei dem die Bohrung 400' eine erste Fläche oder Auflagefläche 424' aufweist, bei der es sich um dieselbe wie die vorstehend im Hinblick auf den Packungsdrücker 396 beschriebene handelt, die aber eine andere Anordnung für die zweite Fläche 428' hat. Anstatt gestuft und parallel zu sein, ist die zweite Fläche 428' eine mit der Auflagefläche 424' konzentrische, kegelstumpfförmige Fläche und hat einen Durchmesser, der ab dem Durchmesser der Auflagefläche 424' in einer axialen Richtung zum axialen hinteren Ende 408' des Packungsdrückers 396' hin zunimmt. Diese Verjüngung der zweiten Fläche 428' bietet einen Entlastungsbereich, in dem sich Dichtungsabfall sammeln kann, so dass Abfall keine Bindung und Wärmeentwicklung am Stößel 122 verursacht. Außerdem ist der Packungsdrücker 396' ohne den Flansch 416 aufgebaut, der am Packungsdrücker 396 vorhanden ist.
9 stellt noch ein anderes Dichtungssystem 620 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Dichtungssystem 620 hat Ähnlichkeiten mit den beiden Dichtungssystemen 220 und 520, und es wurden gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile vergeben. Nur die Unterschiede werden nachstehend beschrieben. Speziell fehlt dem Dichtungssystem 620 der vordere Dichtungsring 304 und der O-Ring 320. Obwohl die Verwendung von zwei Dichtungsringen als exzellente Ergebnisse bereitstellend befunden wurde, braucht in manchen Ausführungsformen nur ein Dichtungsring 344 verwendet zu werden.
10a und 10b stellen alternative Keilringauslegungen dar, die mit jedem der vorstehend beschriebenen Dichtungssystemen 220, 520 und 620 verwendet werden können. Da die Packungsdrücker 396, 396' wie vorstehend beschrieben aus hochfesten, verschleißfesten Materialien bestehen und wie vorstehend beschrieben mit dem engen durchmesserbezogenen Spiel zum Stößel 122 hergestellt werden können, ist es möglicherweise nicht notwendig, sich auf den Keilring zu verlassen, dass er die Packungsdrücker 396, 396' wie vorstehend beschrieben radial nach innen einsinken lässt oder komprimiert. Die in 10a bzw. 10b gezeigten alternativen Keilringe 436', 436'' tragen dem Rechnung.
Obwohl der in 10a dargestellte Keilring 436' immer noch einen trapezförmigen Querschnitt hat, besitzt er nur eine geneigte Fläche 440', die an der abgeschrägten Fläche 388 des Packungsrings 372 anstößt. Die der geneigten Fläche 440' entgegengesetzte Fläche 442' des Keilrings 436' ist allgemein vertikal und stößt an einem axialen vorderen Ende 404'' eines modifizierten Packungsdrückers 396'' an, der keine abgeschrägte Fläche angrenzend an sein axiales vorderes Ende 404'' besitzt. Diese Anordnung ermöglicht es immer noch, dass die Druckbelastung, die vom Packungsring 372 auf den Keilring 436' übertragen wird, den Keilring 436' radial nach außen ablenkt oder expandieren lässt, führt aber nicht dazu, dass der Packungsdrücker 396'' radial nach innen einsinkt.
Der in 10b dargestellte Keilring 436'' hat einen dreieckigen Querschnitt und im Spezielleren einen Querschnitt eines rechtwinkligen Dreiecks. Er kann kleiner sein als der Keilring 436'. Er besitzt nur eine geneigte Fläche 440'', die an der abgeschrägten Fläche 388' des Packungsrings 372' anstößt, der nur insofern modifiziert ist, als er den Keilring 436'' an seiner Außenfläche aufnimmt (d. h. die Fläche 392 ist entfallen). Die der geneigten Fläche 440'' entgegengesetzte Fläche 442'' des Keilrings 436'' ist allgemein vertikal und stößt am axialen vorderen Ende 404'' des modifizierten Packungsdrückers 396'' an, der keine abgeschrägte Fläche angrenzend an sein axiales vorderes Ende 404'' besitzt. Diese Anordnung ermöglicht es immer noch, dass die Druckbelastung, die vom Packungsring 372' auf den Keilring 436'' übertragen wird, den Keilring 436'' radial nach außen ablenkt oder expandieren lässt, führt aber nicht dazu, dass der Packungsdrücker 396'' radial nach innen einsinkt.
11 stellt einen alternativen Packungsdrücker 796 dar, der mit jeder beliebigen der Dichtungsanordnungen 220, 520 und 620 verwendet werden könnte. Der Packungsdrücker 796 ist in dem Sinne dem Packungsdrücker 260 aus dem Stand der Technik ähnlich, als er erste und zweite voneinander beabstandete Stege oder Auflageflächen 800 aufweist, die zwei radial am weitesten innen liegende Durchmesser der Bohrung bilden, die dazu ausgelegt sind, den Stößel 122 in Eingriff zu nehmen, und die durch eine dazwischenliegende, dritte Entlastungsfläche 804 größeren Durchmesser getrennt sind. Die zwei Auflageflächen 800 können denselben Durchmesser haben, oder eine der zwei Auflageflächen 800 kann einen etwas größeren (z. B. um ca. 0,004 Zoll (0,102 mm) größeren) Durchmesser haben. Jedoch unterscheidet er sich vom Stand der Technik insofern, als er nicht aus Weichmetall besteht oder ein Opferelement sein soll. Stattdessen ist der Packungsdrücker 796 aus einem hochfesten, hoch verschleißfesten nichtmetallischen Material hergestellt, wie vorstehend im Hinblick auf den Packungsdrücker 396 beschrieben wurde. Beispielsweise kann der Packungsdrücker 796 aus Keramik (z. B. Zirkoniumoxid, Carbid, Siliciumnitrid, Wolframcarbid u. dgl.) bestehen. Zusätzlich sind die Auflageflächen 800, wie in 11 dargestellt, sowohl einzeln als auch in der kombinierten Länge kürzer als die Auflageflächen 292 des Packungsdrückers 260 aus dem Stand der Technik.
In manchen Fällen kann der Packungsdrücker 796 den vorstehend beschriebenen Einzelstegdrückern vorgezogen werden, weil er für den Stößel 122 eine bessere Führung bereitstellen kann. Obwohl der Packungsdrücker 796 mit einer Schräge wie der Schräge 268 gezeigt ist, kann die Schräge in anderen Ausführungsformen wie beim Drücker 396'' entfallen.
Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Dichtungssystem zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen einem Pumpenstößel und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe, wobei das Dichtungssystem umfasst: einen ersten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende, wobei das hintere axiale Ende eine Rückseite aufweist, die einen Unterschnitt definiert; einen O-Ring, der auf dem ersten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende des ersten Dichtungsrings angeordnet ist; einen zweiten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende, wobei ein Abschnitt des vorderen axialen Endes sich in den durch die Rückseite des ersten Dichtungsrings definierten Unterschnitt erstreckt, so dass axialer Druck, der auf den ersten Dichtungsring in einer Richtung zum zweiten Dichtungsring ausgeübt wird, das vordere axiale Ende des zweiten Dichtungsrings radial nach innen ablenkt, um einen abdichtenden Eingriff mit dem Stößel zu ermöglichen; und einen O-Ring, der am zweiten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axiale Ende des zweiten Dichtungsrings angeordnet ist.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt des vorderen axialen Endes des zweiten Dichtungsrings, der sich in den Unterschnitt des zweiten Dichtungsrings erstreckt, im Wesentlichen den gesamten Unterschnitt ausfüllt.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Unterschnitt des ersten Dichtungsrings durch einen ersten Abschnitt der Rückseite, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Bohrung erstreckt, einen zweiten Abschnitt der Rückseite, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Bohrung erstreckt und axial vom ersten Abschnitt versetzt ist, und einen dritten Abschnitt der Rückseite definiert ist, der sich schräg zu dem ersten Abschnitt, dem zweiten Abschnitt und zu der Bohrung erstreckt; wobei der Abschnitt des vorderen axialen Endes des zweiten Dichtungsrings, der sich in den Unterschnitt erstreckt, durch eine Fläche mit einem ersten Abschnitt, der an den ersten Abschnitt der Rückseite des ersten Dichtungsrings anstößt und diesem längenmäßig entspricht, und einem zweiten Abschnitt definiert ist, der an den dritten Abschnitt der Rückseite des ersten Dichtungsrings anstößt und diesem längenmäßig entspricht.
Dichtungssystem nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend: einen Packungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des zweiten Dichtungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende; und einen Packungsdrücker mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des Packungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende.
Dichtungssystem nach Anspruch 4, darüber hinaus einen Keilring umfassend, der an einer Außenfläche des Packungsrings oder Packungsdrückers gelagert ist, wobei der Keilring funktionsfähig ist, um sich beim Ausüben eines axialen Drucks auf den Packungsring in einer Richtung zum Packungsdrücker hin radial nach außen auszudehnen.
Dichtungssystem nach Anspruch 5, wobei die radiale Ausdehnung des Keilrings bewirkt, dass der Packungsdrücker radial nach innen einsinkt.
Dichtungssystem nach Anspruch 4, wobei die Bohrung des Packungsdrückers eine erste Fläche, die einen einzelnen, radial am weitesten innen liegenden Durchmesser der Bohrung bildet, die für einen Eingriff mit dem Stößel ausgelegt ist, und eine zweite Fläche mit einem Durchmesser aufweist, der gleich oder größer als die erste Fläche ist.
Dichtungssystem nach Anspruch 7, wobei die erste Fläche eine axiale Länge von ca. 0,010 bis ca. 0,4 Zoll hat.
Dichtungssystem nach Anspruch 7, wobei die erste Fläche unmittelbar an das vordere axiale Ende des Packungsdrückers angrenzt.
Dichtungssystem nach Anspruch 4, wobei die Bohrung des Packungsdrückers eine erste und zweite Auflagefläche und eine dritte Fläche zwischen der ersten und zweiten Auflagefläche mit einem größeren Durchmesser als die erste und zweite Auflagefläche aufweist.
Dichtungssystem nach Anspruch 4, wobei der Packungsdrücker nicht aus Metall besteht.
Dichtungssystem nach Anspruch 11, wobei der Packungsdrücker aus Keramik besteht.
Dichtungssystem zum Abdichten eines Zwischenraums zwischen einem Pumpenstößel und einem Hochdruckzylinder einer Pumpe, wobei das Dichtungssystem umfasst: einen Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende; einen O-Ring, der auf dem Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende angeordnet ist; einen Packungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des Dichtungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende; und einen nicht aus Metall bestehenden Packungsdrücker mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende, das am hinteren axialen Ende des Packungsrings anstößt, und einem hinteren axialen Ende.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei der Packungsdrücker aus einem Material besteht, das Keramik umfasst.
Dichtungssystem nach Anspruch 14, wobei die Keramik Zirkoniumoxid, Carbid, Borid, Nitrid und Keramikverbundwerkstoff umfasst.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei der Packungsdrücker eine Härte von mindesten 74 HRA hat.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei der Packungsdrücker einen Elastizitätsmodul von mindestens 29 × 10⁶ psi hat.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei die Bohrung des Packungsdrückers eine erste Fläche, die einen einzelnen, radial am weitesten innen liegenden Durchmesser der Bohrung bildet, und eine zweite Fläche mit einem Durchmesser aufweist, der größer ist als die erste Fläche.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei die Bohrung des Packungsdrückers eine erste und zweite Auflagefläche der Bohrung und eine dritte Fläche zwischen der ersten und zweiten Auflagefläche mit einem größeren Durchmesser als die erste und zweite Auflagefläche aufweist.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei es sich bei dem Dichtungsring um einen zweiten Dichtungsring handelt, und wobei das Dichtungssystem darüber hinaus umfasst: einen ersten Dichtungsring mit einer Bohrung, durch die sich der Stößel erstrecken kann, einem vorderen axialen Ende und einem hinteren axialen Ende, wobei das hintere axiale Ende eine Rückseite aufweist, die einen Unterschnitt definiert; einen O-Ring, der auf dem ersten Dichtungsring zwischen dem vorderen und hinteren axialen Ende des ersten Dichtungsrings angeordnet ist; und wobei ein Abschnitt des vorderen axialen Endes des zweiten Dichtungsrings sich in den durch die Rückseite des ersten Dichtungsrings definierten Unterschnitt erstreckt, so dass axialer Druck, der auf den ersten Dichtungsring in einer Richtung zum zweiten Dichtungsring hin ausgeübt wird, das vordere axiale Ende des zweiten Dichtungsrings radial nach innen ablenkt, um einen abdichtenden Eingriff mit dem Stößel zu ermöglichen.
Dichtungssystem nach Anspruch 13, wobei die Bohrung des Packungsrings den Stößel während des Betriebs der Pumpe berührt.