Hochdruckwasserpumpe für Reinwasser

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochdruckwasserpumpe, die zumindest einen Zylinder, eine Zylinderbuchse, einen Zylinderkopf, einen in der Zylinderbuchse geführten metallischen Kolben und einen Kolbenführungsschuh aufweist, sowie ein Exzenterwellengehäuse, eine angetriebene und im Exzenterwellengehäuse gelagerte Exzenterwelle, sowie druckgesteuerte Ansaug- und Förderventile mit Ventilverschlußstücken besitzt, wobei zwischen der Exzenterwelle und dem Kolbenführungsschuh sowie zwischen dem Kolbenführungsschuh und dem Kolben Funktionskontakte bestehen, wobei von dem Kolben, der Zylinderbuchse und dem Zylinderkopf ein Zylinderraum gebildet wird, wobei von dem Exzenterwellengehäuse ein Exzenterwellenraum umschlossen wird, wobei mit dem Kolben Wasser in einem Ansaughub aus dem Exzenterwellenraum unter Niederdruck in den Zylinderraum angesaugt und in einem Förderhub aus dem Zylinderraum unter Hochdruck gefördert wird, und wobei zwischen dem Kolben und der Zylinderbuchse ein Spaltraum eingerichtet ist.

[0002] Das zu fördernde Wasser wird einem Niederdruck-Wasserreservoir entnommen und dem Exzenterwellenraum über einen geeigneten Flansch zugeführt. Niederdruck meint einen Wasserdruck von ca. 10 Bar oder weniger. Das Wasser wird aus dem Exzenterwellengehäuse über zumindest ein Ansaugventil beim Ansaughub in den Zylinderraum angesaugt. Das Ansaugventil öffnet, wenn der Wasserdruck im Zylinderraum um einen bestimmten Niederdruckschwellenwert niedriger als der Wasserdruck im Exzenterwellenraum ist. Ist die Druckdifferenz kleiner als der Niederdruckschwellenwert oder von umgekehrtem Vorzeichen, so ist das Ansaugventil geschlossen. Wahrend des Förderhubs wird das Wasser im Zylinderraum auf Hochdruck komprimiert. Hochdruck meint einen Wasserdruck von mindestens 200 Bar bis zu 400 Bar. Das Auslaßventil öffnet bei einem in der Regel wählbaren Hochdruckschwellenwert des Wasserdrucks, welcher dem gewünschten Mindesthochdruckniveau entspricht. Unterhalb dieses Hochdruckschwellenwertes ist das Auslaßventil geschlossen. Beim Überschreiten des Hochdruckschwellenwertes während des Förderhubs läßt das Auslaßventil das zu fördernde Wasser unter Hochdruck entströmen. Die Kinematik der Kolbenbewegung weist einen sogenannten oberen Totpunkt und einen sogenannten unteren Totpunkt auf. Die Wegstrecke zwischen diesen Punkten ist der Hub. Durch Federdruck wird der Kolben in Richtung des unteren Totpunktes gedrückt. Die Hubbewegungen werden durch die angetriebene Exzenterwelle über die Funktionskontakte bewirkt, wobei der Kolben über den Kolbenführungsschuh in Richtung des oberen Totpunktes gedrückt wird bzw. eine Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes aufgrund des Federdrucks zugelassen wird. Der Kolben kann im unteren Totpunkt über seine ganze Länge in der Zylinderbuchse geführt sein. Es kann aber auch ein der Exzenterwelle zugewandter Teil des Kolbens im unteren Totpunkt aus der Zylinderbuchse herausragen. Sind Kolben und Zylinderbuchse gleich lang, so wird der Kolben im unteren Totpunkt in der Zylinderbuchse auf einer Länge geführt, welche sich in etwa aus der Differenz der Länge der Zylinderbuchse und des Hubs ergibt. Kolben und Zylinderbuchse sind hinsichtlich ihrer Längen und unter Berücksichtigung des Hubs so dimensioniert, daß störende Kippbewegungen des Kolbens im Betrieb vermieden werden.

[0003] Aus der Praxis bekannte Hochdruckwasserpumpen der eingangs beschriebenen Art weisen Kolben und Zylinderbuchsen aus metallischen Werkstoffen auf. Zwischen Kolben und Zylinderbuchse ist ein Spaltraum mit einer solchen Spaltdicke eingerichtet, daß sich im zulässigen Betriebstemperaturbereich der Pumpe ein Gleitsitz des Kolbens in der Zylinderbuchse ergibt. Durch die Länge, auf der der Kolben in der Zylinderbuchse geführt ist, ist eine Spaltlänge definiert. Bei den insoweit bekannten Hochdruckwasserpumpen hat das zu fördernde Wasser auch funktionelle Bedeutung für den Betrieb der Pumpe. Einerseits wird die Hochdruckwasserpumpe kontinuierlich gekühlt durch den Wasserdurchfluß. Andererseits trägt das zu fördernde Wasser auch eine Schmierfunktion, da es mit einem Schmiermittel beladen ist. Freiliegende Gleitflächen werden im Betrieb mit diesem Schmiermittel kontinuierlich benetzt. Der Schmiermittelgehalt des zu fördernden Wassers beträgt 5 % oder weniger. Die Praxis hat gezeigt, daß bei Kolben und Zylinderbuchsen aus metallischen Werkstoffen ein Mindestschmiermittelgehalt erforderlich ist. Mit reduziertem Schmiermittelgehalt steigt die Temperatur der Zylinderbuchse und des Kolbens aufgrund erhöhter Reibung und trotz des oben genannten Kühleffektes. Mit erhöhter Reibung findet ein verstärkter Abtrag von Material an Kolben und/oder Buchse statt, der die Funktion der Hochdruckwasserpumpe zunehmend beeinträchtigt. Die Praxis hat gezeigt, daß bekannte Hochdruckwasserpumpen ohne Zusatz von Schmiermittel zum Wasser nach relativ kurzer Zeit aus genannten Gründen funktionsunfähig werden. Die verwendeten Schmiermittelzusätze sind jedoch schädlich für die Umwelt, wenn das zu fördernde Wasser nicht in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Bei den meisten Anwendungen von Hochdruckwasserpumpen ist die Führung des Wassers in einem geschlossenen Kreislauf unmöglich, zumindest aber sehr aufwendig und teuer. Schmiermittelzusätze sind daher aus Umweltschutzgründen nicht erwünscht, obwohl technologisch bislang erforderlich.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckwasserpumpe der eingangs beschriebenen Art so weiter auszubilden, daß ein zuverlässiger und lang dauernder Betrieb auch ohne Schmiermittelzusätze zum zu fördernden Wasser gewährleistet wird.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß zum Zwecke des Einsatzes der Hochdruckwasserpumpe zum Fördern von praktisch schmiermittelfreiem Wasser für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist, und zwar mit der Maßgabe, daß der Spaltraum zwischen Kolben und Zylinderbuchse aus Kühlspaltraum ausgebildet ist, durch den beim Förderhub ein Teilmengenstrom des zu fördernden Wassers als Kühlmedium strömt, und mit der weiteren Maßgabe, daß der Kühlspaltraum umlaufend eine Spaltdicke aufweist, die unter Berücksichtigung der Druckdifferenz zwischen Zylinderraum und Exzenterwellenraum beim Förderhub einen Mindestteilmengenstrom des Kühlmediums gewährleistet, welcher sicherstellt, daß im Dauerbetrieb der Hochdruckwasserpumpe eine Temperatur der Zylinderbuchse von 100° C nicht überschritten wird. Vorzugsweise wird so gearbeitet, daß eine Temperatur von 50° C nicht überschritten wird. - Praktisch schmiermittelfreies Wasser bedeutet, daß dem zu fördernden Wasser keine Schmiermittel zum Zwecke der Schmierung der Hochdruckwasserpumpe zugefügt werden. Geringfügige Verschmutzungen des Wassers, beispielsweise durch der Hochdruckwasserpumpe vorgeschaltete Anlagen, sind jedoch oft nicht zu vermeiden. Je nach Anwendung lassen sich aber sehr hohe Reinheitsgrade des geförderten Wassers erreichen, wenn das zu fördernde Wasser beispielsweise einer Reinheitsüberwachung unterworfen ist.

[0006] Die Erfindung nutzt verschiedene Erkenntnisse. Aus der Tribologie ist bekannt, daß zwei metallische Werkstücke, die gegeneinander gleiten, in der Regel zum Kaltverschweißen neigen, wenn ihre Oberflächen frei von Schmiermittel sind. Ein Kaltverschweißen wird vermieden, wenn eines der beiden Werkstücke aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht. Meist erfüllen nichtmetallische Werkstoffe aber aufgrund ihrer Materialeigenschaften, wie z. B. Härte, Elastizität und insbesondere Wärmeleitfähigkeit, nicht die im Maschinenbau gestellten Anforderungen. Überraschenderweise wird mit der Kombination des Materialpaars Metall/hochfester thermoplastischer Kunststoff auf Polyetheretherketon-Basis für Kolben und Zylinderbuchse ein zuverlässiger schmiermittelfreier Dauerbetrieb einer Hochdruckwasserpumpe ermöglicht, und zwar wenn ein Kühlspaltraum zwischen Kolben und Zylinderbuchse ausgebildet ist, durch den ein Teilmengenstrom des zu fördernden Wassers als Kühlmedium strömt. Hierbei werden einerseits die Vorteile des Materialpaars in tribologischer Hinsicht genutzt, andererseits wird die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit des nichtmetallischen Werkstoffes, welche die notwendige Ableitung der Reibungswärme erschwert, durch den den Kühlspaltraum durchströmenden Teilmengenstrom Wasser ausgeglichen. Ferner erfüllen Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis die Anforderungen hinsichtlich mechanischer Materialeigenschaften. Die Kühlleistung, welche durch die Größe des den Kühlspaltraum durchströmenden Teilmengenstroms Wasser gegeben ist, richtet sich im wesentlichen nach der Druckdifferenz des Wasserdrucks im Zylinderraum und Exzenterwellenraum beim Förderhub, sowie nach der Spaltdicke und der Spaltlänge des Kühlspaltraums. Die Spaltlänge ist konstruktiv vorgegeben. Es versteht sich, daß der Kühlspaltraum so eingerichtet ist, daß die Kühlleistung den für Dauerbetrieb des Materialpaars erforderlichen Mindestwert überschreitet. Dieser wird bestimmt durch die maximal zulässige Temperatur von 100° C der Zylinderbuchse und über die Spaltdicke eingestellt. Bei der erfindungsgemäßen Hochdruckwasserpumpe ist der hierfür erforderliche Teilmengenstrom Wasser jedoch so gering, daß die Funktion der Pumpe als Hochdruckpumpe nicht beeinträchtigt wird.

[0007] Für die Zylinderbuchse kann ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis ohne Füllstoffe verwendet sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Kohlenstoffasern als Füllstoff verwendet sein. Kohlenstoffasern verstärken den Werkstoff in struktureller Hinsicht und verbessern die mechanischen Eigenschaften. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes wird durch Kohlenstoffasern erhöht, so daß der Teilmengenstrom Wasser durch den Kühlspaltraum reduziert sein kann. Kohlenstoffasern weisen im Mikrobereich eine graphitische Struktur auf. Graphit hat, obwohl es ein Feststoff ist, gleichsam schmierende Eigenschaften, worin ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform zu sehen ist. In einer weiteren Ausführungsform ist für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetherehterketon-Basis verwendet, welcher PTFE als Füllstoff enthält. PTFE ist bekanntlich ebenfalls ein Feststoff mit gleichsam schmierenden Eigenschaften. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Kohlenstoffasern und PTFE als Füllstoff verwendet ist. In zwei anderen Ausführungsformen ist für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet, der Glasfasern oder Mineralien als Füllstoff aufweist. Es ist zu betonen, daß bei allen Ausführungsformen die Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis hinsichtlich ihrer makroskopischen Eigenschaften ein isotropisches Erscheinungsbild haben.

[0008] Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß der Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis eine Härte von mindestens 110 auf der Rockwell Skala "M" aufweist. Eine hohe Härte bedingt in der Regel eine niedrige Abtragrate und gewährleistet eine gute Maßhaltigkeit der Zylinderbuchse auch bei langandauerndem Betrieb. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,80 W/mK aufweist. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Zylinderbuchse erlaubt einen geringeren Teilmengenstrom des Kühlmediums durch den Kühlspaltraum ohne daß die Maximaltemperatur von 100° C im Dauerbetrieb überschritten wird. Es ist von Vorteil, wenn die Zylinderbuchse eine Rauhtiefe von R_z < 2,5 »m und R_z > 1.5 »m aufweist. Die Rauhtiefe R_z ist definiert als der Mittelwert der Einzelrauhtiefe fünf aufeinanderfolgender Einzelmeßstrecken. Eine geringe Rauhtiefe hat eine geringe Reibung und demzufolge eine geringe Entwicklung von Reibungswärme zur Folge. Ein Mindestwert für die Rauhtiefe sollte jedoch nicht unterschritten werden. Die diesbezüglich zugrundeliegende Erkenntnis ist, daß selbst reines Wasser, wenn auch schlechte, Schmiereigenschaften besitzt. Wird eine Mindestrauhtiefe gewährleistet, sind gleichsam Taschen an der Oberfläche gebildet, in welchen sich Wasser mehr oder weniger stationär gleichsam Kissen befindet, wodurch ein gewisser Schmiereffekt durch das Wasser gefördert wird.

[0009] Eine besonders einfache und kostengünstig herzustellende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochdruckwasserpumpe ist dadurch charakterisiert, daß die Zylinderbuchse in dem Zylinder eingeklebt ist.

[0010] Optimale Betriebsverhältnisse und eine besonders lange Lebensdauer der erfindungsgemäßen Hochdruckwasserpumpe werden gewährleistet, wenn der Kühlspaltraum bei Raumtemperatur ein Verhältnis von Spaltdicke zu Spaltlänge im Bereich von 0,0005 bis 0,0007 aufweist. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der den Kühlspaltraum beim Förderhub als Kühlmedium durchströmende Teilmengenstrom des zu fördernden Wassers im Bereich von 0,0002 Vol.% bis 0.0003 Vol.% des angesaugten Gesamtmengenstromes liegt. Eine erfindungsgemäße Hochdruckwasserpumpe kann einen Kolbenführungsschuh aus dem Werkstoff der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis aufweisen. Auch für die Ventilverschlußstücke kann ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet sein. Aufgrund der hohen Druckbelastungen und der hohen Umdrehungszahlen der Exzenterwelle ist die Exzenterwelle vorteilhaft in Gleitlagern mit Gleitlagerschalen gelagert. Die Gleitlagerschalen können einteilig als Buchsen ausgeführt sein, jedoch liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung wenn mehrteilige Gleitlagerschalen eingesetzt sind. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckwasserpumpe zeichnet sich dadurch aus, daß für die Gleitlagerschalen ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist. Es versteht sich, daß der Werkstoff, der gemäß vorstehender Ausführungsformen für den Kolbenführungsschuh und/oder die Ventilverschlußstücke und/oder die Gleitlagerschalen verwendet ist, Füllstoffe der genannten Art aufweisen kann.

[0011] Eine erfindungsgemäße Hochdruckwasserpumpe kann mehrere Zylinder in Reihe angeordnet aufweisen. Die Zylinder können aber auch in einer Ebene radial oder axial angeordnet sein. Andere Anordnungen sowie die Ausführung mit einem einzelnen Zylinder liegen selbstverständlich ebenso im Rahmen der Erfindung.

[0012] Die erfindungsgemäße Hochdruckwasserpumpe kann für verschiedene Verwendungszwecke vorteilhaft eingesetzt werden. Bei Verwendung im Untertagekohlebergbau kann praktisch reines Wasser zum Einsatz kommen, ohne daß die Hochdruckwasserpumpe im Dauerbetrieb geschädigt wird. Die Gefahr, daß umweltfeindliche Substanzen, wie z. B. bislang erforderliche Schmiermittelzusätze zum Wasser, untertage versickern und mehr oder weniger direkt in das Grundwasser gelangen wird erheblich verringert. Bei der Verwendung als Druckpumpe in Hochdruckwasserstrahlreinigern ist es von Vorteil, daß die zumeist vorgeschriebenen Schmutzabscheider für das Abwasser geringer belastet werden. An den Schmutzabscheidern fällt nur der von dem zu reinigenden Gegenstand abgetragene Schmutz an und nicht, wie bisher, eine erhebliche Menge des Schmiermittelzusatzes im Wasser. Die erfindungsgemäße Hochdruckwasserpumpe kann auch im wissenschaftlichen Bereich, beispielsweise als Druck- und Förderpumpe einer High-Pressure-Liquid-Chromatography (HPLC)-Anlage verwendet werden. Bei solchen Anwendungen sind selbst geringste unerwünschte Fremdstoffe im Wasser außerordentlich schädlich. Eine Hochdruckwasserpumpe, welche schmiermittelfreies Wasser fördern kann, ist hier unabdingbar. Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl weiterer Verwendungsmöglichkeiten, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen.

[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1

einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochdruckwasserpumpe,

Fig. 2

einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 1.

[0014] Bei der dargestellten Hochdruckwasserpumpe handelt es sich um eine Radialkolbenhochdruckwasserpumpe, wobei weitere Kolben radial um die Exzenterwelle angeordnet sind und zwar in derselben Ebene wie der abgebildete Zylinder. Die weiteren Kolben ragen aus der Querschnittsebene heraus und sind der Übersichtlichkeit halber nicht angedeutet.

[0015] In der Fig. 1 erkennt man den Zylinder 1, in den die Zylinderbuchse 2 aus einem Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis eingeklebt ist. Auf den Zylinder 1 ist der Zylinderkopf 3 aufgesetzt. In der Zylinderbuchse 2 ist der Kolben 4 aus einem metallischen Werkstoff geführt. Der Kolben 4 wird durch die Druckfeder 19 in Richtung des unteren Totpunktes gedrückt. Der Kolben 4 steht in Funktionskontakt mit dem Kolbenführungsschuh 5, welcher aus einem Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis besteht. Der Kolbenführungsschuh 5 wiederum steht in Funktionskontakt mit dem Exzenter 20 der Exzenterwelle 6. Die Exzenterwelle 6 ist auf beiden Seiten des Exzenters 20 in einteiligen Gleitlagerschalen 7, welche aus einem Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis bestehen, gelagert. Die Exzenterwelle 6 befindet sich in dem Exzenterwellengehäuse 8, welches den Exzenterwellenraum 14 umschließt. Der Zylinderraum 13 wird von dem Kolben 4, der Zylinderbuchse 2 und dem Zylinderkopf 3 umschlossen. Zwischen dem Kolben 4 und der Zylinderbuchse 2 ist ein Kühlspaltraum 15 eingerichtet, welcher die Spaltdicke d und die Spaltlänge 1 aufweist. Im Bereich des Zylinderkopfes 3 sind ein Ansaugventil 9 und ein Förderventil 10, welches druckgesteuert arbeiten, angeordnet. Das Ansaugventil 9 weist ein ringförmiges Verschlußstück 11 aus einem Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis auf. Das Förderventil 10 weist ein Verschlußstück 12 auf, welche gleichfalls aus einem Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis besteht. Der Antrieb der Hochdruckwasserpumpe erfolgt durch drehenden Antrieb der Exzenterwelle 6 an dem Anschluß 18. Beim Ansaughub des Kolbens 4 bewegt sich der Kolben 4 in Richtung des unteren Totpunktes, wobei das zu fördernde Wasser durch die Einströmöffnung 16, den Exzenterwellenraum 14 und das Ansaugventil 9 in den Zylinderraum 13 einströmt. Das Förderventil 10 ist dabei geschlossen. Beim Förderhub des Kolbens 4 bewegt sich der Kolben 4 in Richtung seines oberen Totpunktes, wobei das Wasser in dem Zylinderraum 13 komprimiert wird. Hierbei sind zunächst das Ansaugventil 9 und das Förderventil 10 geschlossen. Sobald der Wasserdruck in dem Zylinderraum 13 einen Hochdruckschwellenwert überschreitet, öffnet das Förderventil 10 und das zu fördernde Wasser kann unter Hochdruck aus dem Hochdruckauslaß 17 der Hochdruckwasserpumpe entströmen. Der Kolben 4 sowie die Exzenterwelle 6 weisen Kühlbohrungen 21 auf, wodurch Wasser zu den Gleitflächen des Kolbenführungsschuhs 5 und der Gleitlagerschalen 7 gelangen kann und eine Kühlung bewirkt.

[0016] Fig. 2 ist aus den obigen Darlegungen und den eingetragenen Bezugszeichen ohne weiteres verständlich und verdeutlicht die Verhältnisse im Bereich von Zylinder 1, Zylinderbuchse 2 und Zylinderkopf 3.

Ansprüche

1. Hochdruckwasserpumpe, die zumindest einen Zylinder (1), eine Zylinderbuchse (2), einen Zylinderkopf (3), einen in der Zylinderbuchse (2) geführten metallischen Kolben (4) und einen Kolbenführungsschuh (5) aufweist, sowie ein Exzenterwellengehäuse (8), eine angetriebene und im Exzenterwellengehäuse (8) gelagerte Exzenterwelle (6) sowie druckgesteuerte Ansaug- und Förderventile (9, 10) mit Ventilverschlußstücken (11, 12) besitzt,
wobei zwischen der Exzenterwelle (6) und dem Kolbenführungsschuh (5) sowie zwischen dem Kolbenführungsschuh (5) und dem Kolben (4) Funktionskontakte bestehen,
wobei von dem Kolben (4), der Zylinderbuchse (2) und dem Zylinderkopf (3) ein Zylinderraum (13) gebildet wird,
wobei von dem Exzenterwellengehäuse (8) ein Exzenterwellenraum (14) umschlossen wird,
wobei mit dem Kolben (4) Wasser in einem Ansaughub aus dem Exzenterwellenraum (14) unter Niederdruck in den Zylinderraum (13) angesaugt und in einem Förderhub aus dem Zylinderraum (13) unter Hochdruck gefördert wird, und
wobei zwischen dem Kolben (4) und der Zylinderbuchse (2) ein Spaltraum eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Zwecke des Einsatzes der Hochdruckwasserpumpe zum Fördern von praktisch schmiermittelfreiem Wasser für die Zylinderbuchse (2) ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist, und zwar mit der Maßgabe,
   daß der Spaltraum zwischen Kolben (4) und Zylinderbuchse (2) als Kühlspaltraum (15) ausgebildet ist, durch den beim Förderhub ein Teilmengenstrom des zu fördernden Wassers als Kühlmedium strömt,
und mit der weiteren Maßgabe, daß der Kühlspaltraum (15) umlaufend eine Spaltdicke (d) aufweist, die unter Berücksichtigung der Druckdifferenz zwischen Zylinderraum (13) und Exzenterwellenraum (14) beim Förderhub einen Mindestteilmengenstrom des Kühlmediums gewährleistet, welcher sicherstellt, daß im Dauerbetrieb der Hochdruckwasserpumpe eine Temperatur der Zylinderbuchse (2) von 100° C nicht überschritten wird.

2. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis ohne Füllstoffe verwendet ist.

3. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Kohlenstoffasern als Füllstoff verwendet ist.

4. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit PTFE als Füllstoff verwendet ist.

5. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Kohlenstoffasern und PTFE als Füllstoffe verwendet ist.

6. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Glasfasern als Füllstoff verwendet ist.

7. Hochdruckwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylinderbuchse ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis mit Mineralien als Füllstoff verwendet ist.

8. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis eine Härte von mindestens 110 auf der Rockwell Skala "M" aufweist.

9. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,80 W/mK aufweist.

10. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbuchse eine Rauhtiefe von R_z < 2,5 »m und R_z > 1,5 »m aufweist.

11. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbuchse in den Zylinder eingeklebt ist.

12. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlspaltraum bei Raumtemperatur ein Verhältnis von Spaltdicke zu Spaltlänge im Bereich von 0,0005 bis 0,0007 aufweist.

13. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kühlspaltraum beim Förderhub als Kühlmedium durchströmende Teilmengenstrom im Bereich von 0,0002 Vol.% bis 0,0003 Vol.% des angesaugten Gesamtmengenstromes liegt.

14. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kolbenführungsschuh ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist.

15. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ventilverschlußstücke ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist.

16. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterwelle in Gleitlagern mit Gleitlagerschalen gelagert ist.

17. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gleitlagerschalen ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf Polyetheretherketon-Basis verwendet ist.

18. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder in Reihe angeordnet sind.

19. Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder in einer Ebene radial oder axial angeordnet sind.

20. Verwendung einer Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 19 im Untertagekohlebergbau.

21. Verwendung einer Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 19 als Druckpumpe in Hochdruckwasserstrahlreinigern.

22. Verwendung einer Hochdruckwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 19 als Druck- und Förderpumpe in einer High-Pressure-Liquid-Chromatography (HPLC)-Anlage.

Claims

1. A high-pressure water pump, which comprises at least one cylinder (1), a cylinder liner (2), a cylinder head (3), a metal piston (4) guided in the cylinder liner (2) and a piston guide shoe (5), as well as an eccentric shaft housing (8), a driven eccentric shaft (6) mounted in the eccentric shaft housing (8), and pressure-controlled suction and delivery valves (9, 10) with valve seal pieces (11, 12),
   wherein functional contacts exist between the eccentric shaft (6) and the piston guide shoe (5) and between the piston guide shoe (5) and the piston (4),
   wherein a cylinder space (13) is formed by the piston (4), the cylinder liner (2) and the cylinder head (3),
   wherein an eccentric shaft space (14) is surrounded by the eccentric shaft housing (8),
   wherein water is sucked in a suction stroke by means of the piston (4) from the eccentric shaft space (14) under reduced pressure into the cylinder space (13) and is delivered in a delivery stroke from the cylinder space (13) under high pressure, and
   wherein a gap space is disposed between the piston (4) and the cylinder liner (2),
   characterised in that
   for the purpose of using the high-pressure water pump for delivering water which is practically free from lubricant a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone is used for the cylinder liner (2), with the proviso that
   the gap space between the piston (4) and the cylinder liner (2) is constructed as a cooling gap space (15) through which a partial mass flow of the water to be delivered flows as a cooling medium during the delivery stroke,
   and with the further proviso that the cooling gap space (15) has a surrounding gap thickness (d) which, taking into account the pressure difference between the cylinder space (13) and the eccentric shaft space (14), ensures a minimum partial mass flow of the cooling medium during the delivery stroke which guarantees that in continuous operation of the high-pressure water pump a temperature of the cylinder liner (2) of 100°C is not exceeded.

2. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone is used without a filler for the cylinder liner.

3. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone, with carbon fibres as a filler, is used for the cylinder liner.

4. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone, with PTFE as a filler, is used for the cylinder liner.

5. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone, with carbon fibres and PTFE as fillers, is used for the cylinder liner.

6. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone, with glass fibres as a filler, is used for the cylinder liner.

7. A high-pressure water pump according to claim 1, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone, with minerals as a filler, is used for the cylinder liner.

8. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone has a hardness of at least 110 on Rockwell Scale "M".

9. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone has a thermal conductivity of at least 0.80 W/mK.

10. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 9, characterised in that the cylinder liner has a surface roughness of R_z < 2.5 »m and R_z > 1.5 »m.

11. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 10, characterised in that the cylinder liner is adhesively bonded into the cylinder.

12. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 11, characterised in that the cooling gap space has a ratio of gap thickness to gap length in the range from 0.0005 to 0.0007 at room temperature.

13. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 12, characterised in that the partial mass flow which flows through the cooling gap space as the cooling medium during the delivery stroke is in the range from 0.0002 volume % to 0.0003 volume % of the total mass flow introduced by suction.

14. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 13, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone is used for the piston guide shoe.

15. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 14, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone is used for the valve seal pieces.

16. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 15, characterised in that the eccentric shaft is mounted in plain bearings with plain bearing shells.

17. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 16, characterised in that a material from the group of high-strength synthetic thermoplastic materials based on polyether ether ketone is used for the plain bearing shells.

18. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 17, characterised in that a plurality of cylinders is disposed in series.

19. A high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 18, characterised in that a plurality of cylinders is disposed radially or axially in one plane.

20. The use of a high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 19 in underground coal-mining.

21. The use of a high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 19 as a pressure pump in high-pressure water jet cleaners.

22. The use of a high-pressure water pump according to any one of claims 1 to 19 as a pressure and delivery pump in a high-pressure liquid chromatography (HPLC) installation.

Revendications

1. Pompe à eau à haute pression, comprenant au moins un cylindre (1), une chemise de cylindre (2), une tête de cylindre (3), un piston métallique (4) guidé dans la chemise de cylindre (2) et un coussinet de guidage de piston (5), ainsi qu'un carter d'arbre d'excentrique (8), un arbre d'excentrique (6) monté dans le carter d'arbre d'excentrique (8) et des soupapes d'aspiration et de refoulement (9, 10) avec des obturateurs de soupapes (11, 12), des contacts fonctionnels se produisant entre l'arbre d'excentrique (6) et le coussinet de guidage de piston (5) ainsi qu'entre le coussinet de guidage de piston (5) et le piston (4), un espace cylindrique (13) étant formé par le piston (4), la chemise de cylindre (2) et la tête de cylindre (3), un espace d'arbre d'excentrique (14) étant délimité par le carter d'arbre d'excentrique (8), de l'eau étant aspirée sous basse pression par le piston (4), en une course d'aspiration, de l'espace d'arbre d'excentrique (14) dans l'espace cylindrique (13) et refoulée sous haute pression dudit espace cylindrique (13), en une course de refoulement, et un espace étant ménagé entre le piston (4) et la chemise de cylindre (2), caractérisée en ce que, pour l'utilisation de la pompe à eau à haute pression pour le refoulement d'eau pratiquement exempte de lubrifiant, la chemise de cylindre (2) est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance, à savoir de telle façon que l'espace entre le piston (4) et la chemise de cylindre (2) est conformé en espace de refroidissement (15) qui, lors de la course de refoulement, est parcouru par un flux massique partiel de l'eau à refouler utilisé comme fluide de refroidissement, et également de telle façon que l'espace de refroidissement (15) présente sur tout son pourtour une épaisseur (d) qui, compte tenu de la différence de pression entre l'espace cylindrique (13) et l'espace d'arbre d'excentrique (14), assure lors de la course de refoulement un flux massique partiel minimum du fluide de refroidissement qui a pour effet qu'en service continu de la pompe à eau à haute pression, la chemise de cylindre (2) ne dépasse pas une température de 100°C.

2. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone sans charges.

3. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone avec des fibres de carbone comme charge.

4. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone avec du PTFE comme charge.

5. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone avec des fibres de carbone et du PTFE comme charges.

6. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à base de polyétheréther-cétone avec des fibres de verre comme charge.

7. Pompe à eau à haute pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est réalisée à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à base de polyétheréther-cétone avec des minéraux comme charge.

8. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone présente une dureté d'au moins 110 sur l'échelle "M" de Rockwell.

9. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à base de polyétheréther-cétone présente une conductibilité thermique d'au moins 0,80 W/mK.

10. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la chemise de cylindre présente une profondeur de rugosité R_z < 2,5 »m et R_z > 1,5 »m.

11. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la chemise de cylindre est collée dans le cylindre.

12. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'espace de refroidissement présente, à la température ambiante, un rapport épaisseur/longueur compris entre 0,0005 et 0,0007.

13. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le flux massique partiel qui parcourt l'espace de refroidissement pendant la course de refoulement comme fluide de refroidissement, se situe dans la plage de 0,0002 % en volume à 0,0003 % en volume du flux massique total aspiré.

14. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que le coussinet de guidage de piston est réalisé à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à base de polyétheréther-cétone.

15. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que les obturateurs de soupapes sont réalisés à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone.

16. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que l'arbre d'excentrique est monté dans des paliers lisses avec des coquilles de coussinets lisses.

17. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que les coquilles de coussinets lisses sont réalisées à partir d'un matériau appartenant au groupe des matières thermoplastiques à haute résistance à base de polyétheréther-cétone.

18. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que plusieurs cylindres sont montés en série.

19. Pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que plusieurs cylindres sont disposés radialement ou axialement dans un même plan.

20. Utilisation d'une pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 19 dans l'exploitation des mines de charbon au fond.

21. Utilisation d'une pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 19 comme pompe refoulante dans des épurateurs à jet d'eau à haute pression.

22. Utilisation d'une pompe à eau à haute pression selon l'une des revendications 1 à 19 comme pompe refoulante et comme pompe de circulation dans une installation de chromatographie liquide à haute pression (HPLC).

Zeichnung