Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidverbindung. Stand der Technik

In Diesel-Einspritzsystemen werden in einer Vielzahl von Anwendungen Fluid- Hochdruckverbindungen verwendet, z. B. in Diesel-Testvorrichtungen, die benutzt werden, um Dieselpumpen, Injektoren usw. zu testen. Solche Testvorrich- tungen haben mehrere Hochdruckleitungen bzw. -Schläuche und -Verbindungen, die, um die Sicherheit des Bedieners auch bei den im Betrieb auftretenden hohen Drücken zu gewährleisten, sorgfältig konstruiert und gefertigt sein müssen.

Während des Herstellens von Verbindungen zwischen den Leitungen bzw.

Schläuchen wird häufig eine Kraft oder ein Drehmoment auf die Verbindungselemente ausgeübt, wodurch in den Verbindungselementen mechanische Spannungen erzeugt werden, die zu erhöhtem Verschleiß führen und die Lebensdauer der Verbindungselemente und/oder Komponenten verringern. Als Folge des Verschleißes können im Betrieb unter hohem Druck gefährliche Lecks auftreten.

Die derzeit bekannten Lösungen zum Herstellen fluiddichter Verbindungen beruhen auf dem Einsatz von Dichtungselementen, die gegen die Kräfte des Fluids wirken. Zum Beispiel wirken O-Ringe als Abdichtelemente gegen die auf sie einwirkenden Fluidkräfte.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Kupplungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Hochdruck-Fluidverbindungen be- reitzustellen, um die zuvor beschriebenen Probleme zu vermeiden. Eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung zum Herstellen einer Fluidverbindung hat ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes Auslasselement, in dem ein Fluidauslasskanal ausgebildet ist, und ein in dem Gehäuse beweglich angeordnetes Einlasselement, das beispielsweise als Kolben ausgebildet ist. In dem Einlasselement ist ein Fluideinlasskanal ausgebildet. Das Auslasselement und das Einlasselement sind dabei derart angeordnet, dass Fluid, das durch den Fluideinlasskanal in die Kupplungsvorrichtung eintritt, eine an dem Einlasselement ausgebildete Dichtungsfläche gegen eine an dem Gehäuse ausgebildete Gehäuse-Dichtungsfläche drückt, so dass eine Kontaktzone, in der sich das Ein- lasselement und das Gehäuse berühren, fluiddicht abgedichtet wird.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Fluidverbindung umfasst die Schritte:

-) Einbringen eines Einlasselements, in dem ein Fluideinlasskanal ausgebildet ist, in ein Gehäuse, wobei das Einlasselement beweglich in dem Gehäuse gelagert ist,

-) Fixieren eines Auslasselements, in dem ein Fluidauslasskanal ausgebildet ist, in dem Gehäuse, wobei das Auslasselement so ausgebildet und angeordnet ist, dass sich Fluid, das durch den Fluideinlasskanal eintritt, an dem Auslasselement staut, bevor es durch den Fluidauslasskanal austritt,

-) Einbringen von Fluid durch den Fluideinlasskanal in das Gehäuse, so dass sich das Fluid an dem Auslasselement staut und das Einlasselement gegen eine an dem Gehäuse ausgebildete Gehäuse-Dichtungsfläche drückt, um eine Kontaktfläche zwischen dem Einlasselement und dem Gehäuse fluiddicht abzudichten.

Eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung weist wenige Einzelteile auf und ist daher einfach und kostengünstig herstellbar. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kupplungsvorrichtungen wird erfindungsgemäß der Druck des Fluids genutzt, um die Dichtwirkung herzustellen und aufrecht zu erhalten.

Da das Einlasselement beweglich und insbesondere rotierbar in dem Gehäuse gelagert ist, wenn kein Fluiddruck anliegt, können Kräfte und Drehmomente, die beim Herstellen der Fluidverbindung auftreten, durch Bewegen des Einlasselements abgebaut werden. Dadurch wird verhindert, dass beim Herstellen der Fluidverbindung mechanische Spannungen in den Bauteilen auftreten, welche die Lebensdauer der Kupplungsvorrichtung beeinträchtigen und/oder Lecks verursachen können.

Die Erfindung stellt daher eine verbesserte Kupplungsvorrichtung zur Verfügung, die zuverlässig abdichtet und eine hohe Lebensdauer aufweist.

In einer Ausführungsform ist in dem Gehäuse ein Fluidraum ausgebildet und das Einlasselement ist beweglich in dem Fluidraum angeordnet. Insbesondere ist das Einlasselement durch Erhöhen des Fluiddrucks im Fluidraum bewegbar.

Ein beweglich in einem Fluidraum angeordnetes Einlasselement kann besonders effizient durch den Druck von Fluid, das durch die Kupplungsvorrichtung strömt, in eine Position gedrückt werden, in der es eine fluiddichte Verbindung mit dem Gehäuse eingeht.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Einlasselement im Wesentlichen rotationssymmetrisch um den Fluideinlasskanal ausgebildet und um den Fluideinlasska- nal rotierbar in dem Gehäuse gelagert. Dadurch können Drehmomente, die auf das Einlasselement einwirken, wenn das Einlasselement mit einer Fluidzufuhr, z.B. einem Rohr oder einen Schlauch verbunden wird, durch Rotation des Einlasselements abgebaut werden, so dass keine unerwünschten mechanischen Spannungen in dem Einlasselement und/oder der Fluidzufuhr auftreten.

In einer Ausführungsform sind die Dichtungsflächen an dem Einlasselement und dem Gehäuse kegelförmig bzw. konisch ausgebildet. Kegelförmig bzw. konisch ausgebildete Dichtungsflächen stellen auch bei hohen Fluiddrücken eine besonders zuverlässig abdichtende Dichtung zur Verfügung.

Die Dichtungsfläche können parallel zueinander oder in einem leichten Winkel zueinander ausgebildet sein. In einer Ausführungsform weist der an dem Einlasselement ausgebildete Dichtkegel einen Öffnungswinkel auf, der 0,5° bis 5°, bevorzugt 1 ° bis 3°, beispielsweise 2° kleiner als der Öffnungswinkel des an dem Gehäuse ausgebildeten Dichtsitzes ist. Beispielsweise kann die Dichtungsfläche am Einlasselement als Dichtkegel mit einem 58°-Konus in bezug auf die Achse des Einlasselements und die Dichtungsfläche im Gehäuse als 60°-Trichter in bezug auf die Achse des Einlasselements ausgebildet sein. Alternativ sind auch andere Wnkelkombinationen, wie beispielsweise 43° / 45°, denkbar. Anstelle einer Konusform können der Dichtkegel und der Trichter auch eine abgerundete (ballige bzw. parabolische) Form haben. Diese bietet den Vorteil, dass der Dichtkegel mit gleichmäßigerer Spannung am Gegenstück anliegt, und ermöglicht den Ausgleich von größeren Toleranzen, als ein konischer Dichtkegel.

In einer Ausführungsform ist zwischen dem Gehäuse und dem Einlasselement zusätzlich wenigstens ein Dichtungsring vorgesehen. Der Dichtungsring stellt eine zusätzliche Dichtung zur Verfügung, welche die Verbindung zwischen dem Einlasselement und dem Gehäuse auch bei niedrigen Fluiddrücken, die nicht ausreichen, um die Dichtungsfläche des Einlasselements vollständig abdichtend gegen die Dichtungsfläche des Gehäuses zu drücken, zuverlässig abdichtet.

In einer Ausführungsform ist an dem Einlasselement eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung einer Fluidzufuhr ausgebildet. Mit Hilfe einer derartigen Be- festigungsvorrichtung kann die Fluidzufuhr, die beispielsweise als Hochdruckleitung oder Hochdruckschlauch ausgebildet ist, besonders zuverlässig an dem Einlasselement befestigt werden.

In einer Ausführungsform ist an dem Einlasselement ein Gewinde zur Befesti- gung der Fluidzufuhr ausgebildet. Mittels eines Gewindes kann die Fluidzufuhr besonders einfach und dauerhaft fluiddicht mit dem Einlasselement verbunden werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläu- tert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung in einem ersten Zustand bevor Fluid zugeführt wird; und Figur 2 eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung in einem zweiten Zustand, in dem Fluid durch die Kupplungsvorrichtung strömt.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung in einem ersten Zustand, bevor der Kupplungsvorrichtung Fluid zugeführt wird.

Eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein um eine Achse A rotationssymmetrisch ausgebildeter Fluidraum 6 ausgebildet ist. Der Fluidraum 6 hat auf der in den Figuren links dargestellten Seite einen ersten Bereich 61 mit einem ersten Durchmesser d1 und auf seiner in den Figuren rechts dargestellten Seite einen zweiten Bereich 62 mit einem zweiten Durchmesser d2. Der zweiten Durchmesser d2 ist kleiner als der erste Durchmesser dl Zwischen dem ersten Bereich 62 und dem zweiten Bereich 62 ist ein Verbindungsbereich 63 ausgebildet, dessen Durchmesser sich von links nach rechts von dem ersten Durchmesser d1 auf den zweiten Durchmesser d2 verengt, so dass der Umfang des Verbindungsbereichs 63 kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

In den Fluidraum 6 ist ein als Kolben 2 ausgebildetes Einlasselement 2 eingefügt. Der Kolben 2 ist ebenfalls rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet und weist einen ersten Abschnitt 21 , der in den ersten Bereich 61 des Fluidraums 6 eingepasst ist, und einen zweiten Abschnitt 22, der in den zweiten Bereich 62 des Fluidraums 6 eingepasst ist, auf.

Der erste Abschnitt 21 und der zweite Abschnitt 22 des Kolbens 2 sind durch einen kegelstumpfförmig um die Achse A ausgebildeten Verbindungsabschnitt 23 miteinander verbunden. Der im Verbindungsabschnitt 23 kegelstumpfförmig ausgebildete Umfang des Kolbens 2 hat in Bezug auf die Achse A im Wesentlichen den gleichen Wnkel wie der kegelstumpfförmig ausgebildete Verbindungsbereich 63 des Fluidraums 6.

Durch den Kolben 2 ist ein entlang der Achse A verlaufender zentraler Fluidein- lasskanal 4 ausgebildet, der es ermöglicht, Fluid durch den Kolben 2 in den ers- ten Bereich 61 des Fluidraums 6 einzubrigen.

Der Kolben 2 ist beweglich in dem Gehäuse 1 angeordnet. Der Kolben 2 ist insbesondere entlang der Achse A verschiebbar und um die Achse A rotierbar. Der Öffnung des Fluideinlasskanals 4 in den Fluidraum 6 gegenüberliegend ist im ersten Bereich 61 des Fluidraums 6 ein ebenfalls rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildetes Auslasselement 8 angeordnet. Das Auslasselement 8 hat einen entlang der Achse A verlaufenden Auslasskanal 10 und ist durch ein Fixierelement 12 unbeweglich und den Fluidraum 6 fluiddicht abdichtend in dem Gehäuse 1 fixiert. Die Dichtwirkung zwischen dem Gehäuse 1 und dem Auslasselement 8 kann beispielsweise durch konisch ausgebildete Bereiche des Auslasselements 8 und/oder eine an dem Auslasselement 8 ausgebildete (in der Figur nicht gezeigte) Beisskante verwirklicht sein. Im Betrieb wird eine am äußeren, in den Figuren rechts dargestellten, Ende des Kolbens 2 ausgebildete Befestigungsvorrichtung 24 mit einer in den Figuren nicht gezeigten Fluidzufuhr, die beispielsweise als Rohr oder Schlauch ausgebildet ist, verbunden.

Während dieses Verbindungsvorgangs auf den Kolben 2 wirkende Kräfte und Drehmomente können dabei durch Bewegen des Kolbens 2, d.h. insbesondere durch Verschieben des Kolbens 2 entlang der Achse A und/oder Drehen des Kolbens 2 um die Achse A, abgebaut werden, so dass keine schädlichen mechanischen Spannungen auftreten, welche die Lebensdauer der Komponenten negativ beeinträchtigen würden.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung in einem zweiten Zustand, in dem der Kupplungsvorrichtung Fluid zugeführt wird.

Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nur erneut erwähnt, soweit dies für die Beschreibung der Funktion der Kupplungsvorrichtung im Betriebszustand erforderlich ist.

Nachdem der Kolben 2, wie zuvor beschrieben, mit einer Fluidzufuhr verbunden worden ist, wird durch die Fluidzufuhr Fluid in den Fluideinlasskanal 4 eingebracht. Das Fluid strömt durch den Fluideinlasskanal 4 in den ersten Bereich 61 des Fluidraums 6 und trifft dort auf das Auslasselement 8. Durch das einströ- mende Fluid erhöht sich der Druck im ersten Bereich 61 des Fluidraums 6. Der erhöhte Druck im ersten Bereich 61 des Fluidraums 6 drückt der Kolben 2 entlang der Achse A in Richtung des zweiten Bereichs 62 des Fluidraums 6.

Durch diese Bewegung des Kolbens 2 entlang der Achse A in dem Gehäuse 1 kommt eine um den kegelstumpfförmig ausgebildeten Umfang des Verbindungsabschnitts 23 des Kolbens 2 ausgebildete Kolben-Dichtungsfläche 16 in Kontakt mit einer korrespondierend ausgebildeten Gehäuse-Dichtungsfläche 14, die im kegelstumpfförmig ausgebildeten Verbindungsbereich 63 des Fluidraums 6 ausgebildet ist.

Die Dichtungsflächen 14, 16 sind in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zueinander ausgebildet. Alternativ können sie in einem kleinen Winkel von beispielsweise 0,5° bis 5°, bevorzugt 1 ° bis 3°, zueinander ausgebil- det sein. Beispielsweise kann die Kolben-Dichtungsfläche 16 als Dichtkegel mit einem 58°-Konus in bezug auf die Achse A und die Gehäuse-Dichtungsfläche 14 als 60°-Trichter in bezug auf die Achse A ausgebildet sein. Es sind auch andere Winkelkombinationen, wie beispielsweise 43° / 45°, denkbar.

Anstelle einer Konusform können die Kolben-Dichtungsfläche 16 und die Gehäuse-Dichtungsfläche 14 auch eine abgerundete (ballige bzw. parabolische) konvexe bzw. konkave Form haben. Bei einem ausreichend hohen Fluiddruck im ersten Bereich 61 des Fluidraums 6 wird die Kolben-Dichtungsfläche 16 mit einer Kraft gegen die Gehäuse- Dichtungsfläche 14 gedrückt, die ausreichend ist, um die Kontaktfläche zwischen dem Kolben 2 und dem Gehäuse 1 fluiddicht abzudichten.

Die Dichtungsflächen 14, 16 sind ebenso wir das Gehäuse 1 und der Kolben 2 vorzugsweise aus Metall ausgebildet. Sie können daher im Gegensatz zu Gummidichtungen, wie sie in herkömmlichen Kupplungselementen verwendet werden, sehr hohen Drücken, insbesondere Drücken von mehr als 3000 bar, standhalten. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird die Dichtungswirkung mit zunehmendem Fluiddruck noch verstärkt, da bei zunehmendem Fluiddruck die Dichtungsfläche 16 des Kolbens 2 mit immer größerer Kraft gegen die Dichtungsfläche 14 des Gehäuses 1 gedrückt wird.

Das in den Fluidraum 6 eingeströmte Fluid verlässt den Fluidraum 6 durch den in dem Auslasselement 8 ausgebildeten Auslasskanal 10 und wird zu in den Figuren nicht gezeigten Verbrauchern weitergeleitet, die im Betrieb hydraulisch mit dem Auslasskanal 10 verbunden sind.

Um den zweiten Abschnitt 22 des Kolbens 2 ist in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ein Dichtungsring 3, der beispielsweise als O-Ring ausgebildet ist, angeordnet, um die Kontaktfläche zwischen dem Kolben 2 und dem Gehäuse 1 im zweiten Abschnitt 22 des Kolbens 2 und im zweiten Bereich 62 des Fluidraums 6 auch bei niedrigen Fluiddrücken, bei denen die beschriebene Dichtungswirkung, die durch den Kontakt der Kolben-Dichtungsfläche 16 mit der Gehäuse-Dichtungsfläche 14 verursacht wird, noch nicht vollständig wirksam ist, fluiddicht abzudichten. Der Dichtungsring 3 ist optional und stellt eine zusätzliche Dichtung zur Verfügung, die insbesondere bei niedrigen Fluiddrücken wirksam ist. Da der Dichtungsring 3 in der Strömungsrichtung des Fluids„hinter" der Dichtungsflächen 14, 16 angeordnet ist, wird er keinen hohen Fluiddrücken ausgesetzt. Bei hohen Flu- iddrücken ist die von den gegeneinander gepressten Dichtungsflächen 14, 16 geschaffene Dichtung wirksam und schirmt den Dichtungsring 3 von hohen Fluiddrücken ab. Es ist daher nicht notwendig, den Dichtungsring 3 für hohe Flu- iddrücke auszulegen und als Dichtungsring 3 kann insbesondere ein kostengünstiger Niederdruck-Dichtungsring eingesetzt werden.

In einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung werden mit Ausnahme des optionalen Dichtungsringes 3 keine elastischen Elemente eingesetzt, die einem Verschleiß unterliegen. Der Verbindungsabschnitt 24 des Kolbens 2, der mit der nicht gezeigten Fluidzufuhr verbunden wird, kann je nach Anforderungen mit einem Gewinde, einer Kämmverbindung, eine Steckverbindung oder jeder anderen gewünschten Verbindungseinrichtung, die zur Kopplung mit der Fluidzufuhr geeignet ist, versehen sein.