Derartige Druckzylinder zum statischen Druckaufbau werden in der Mess- technik 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 anzu- schließen. 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 Druck- zylinders 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 halbkugel- förmigen Endkappen werden vielfach bei Unterwasseranwendungen bis über 0, 6108 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 hydro- statischen 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 Flüssig- keitskompressibilität schnell und einfach erzeugbar. Mit diesen Abmessungen ist der Druckzylinder gut handhabbar. M10-Schrauben können zur drucker- zeugenden 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 Hoch- drucktechnik nach der Erfindung, der insbesondere für Mess-und Versuchs- zwecke 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, 0108 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 Druck- zylinders 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 Runddicht- ringe 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 Mano- meter 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 Tc/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 a von Wasser im Bereich zwischen 0, 4 108 Pa und 0, 6. 10' Pa bei 20°C = 0,000044 1/1. 105 Pa Volumenänderung AV des Volumens V bei einer Druckerhöhung auf p = 0, 6108Pa=AV=Vxaxp =2, 83cm3 Daraus ergibt sich eine Kolbenverstellweg = AV/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

1 Druckzylinder 2 Wasser 3 Deckel-Kolben-Kombination 4 Probenröhrchen 5 Probe 6 Durchgangsbohrung 7 Manometer 8 Entlüftungsventil 9 Deckel 10 Kolben 11 Dichtungssystem 12 Schraube 13 Gewindebohrungen 14 Stirnseite 15 Schelle 16 Bohrung 17 Runddichtring 18 Runddichtring