Abdichtung zwischen einem inneren und einem diesen umgebenden äusseren Teil
Die Erfindung betrifft eine Abdichtung zwischen einem inneren und einem diesen umgebenden äusseren Teil, wobei ein Teil relativ zum anderen bewegbar ist, mit einem in einer Nut angeordneten Dichtring, zu dessen radialer Entlastung mindestens ein Druckausgleichskanal zwischen der Gleitfläche und dem Zwischenraum zwischen Nutengrund und Dichtring und ein den druckniederen Raum mit diesem Zwischenraum oder einem daran angeschlossenen Raum, in welchem der Druck des Zwischenraumes herrscht, verbindender Drosselweg vorgesehen ist.
Räume mit verschiedenen Drücken werden an Spalten bewegter Teile meist durch besondere Elemente gegeneinander abgedichtet. Hierzu dienen beispielsweise Kolbenringe, Stopfbuchsringe, Dichtleisten. Diese Dichtelemente können einteilig oder auch mehrteilig sein. Bei den Dichtelementen üblicher Bauart entstehen hohe Anpressdrücke.
Ein Vorschlag zur Entlastung eines Dichtelementes ist für Stopfbuchsen aus der deutschen Patentschrift 1 260 249 bekannt geworden. Diese Patentschrift geht von der Aufgabenstellung aus, eine gleichmässigere Druckverteilung bzw.
einen gleichmässigeren Abrieb bei mehreren, in axialer Richtung hintereinander angeordneten Dichtelementen zu erzielen. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass die zur druckniederen Seite führenden Drosselungen mit fortschreitendem Druckabbau grössere Querschnitte aufweisen. Der Verschleiss der in der deutschen Patentschrift beschriebenen Dichtelemente ist immer noch erheblich, da der hohe Druck im Raum zwischen Nutengrund und Dichtelement einen relativ hohen Anpressdruck an der Gleitfläche bewirkt.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Abdichtung der eingangs genannten Art, welche einen möglichst geringen Anpressdruck bei ausreichender Dichtheit gewährleistet und eine lange Lebensdauer besitzt.
Die erfindungsgemässe Abdichtung zwischen einem inneren und einem diesen umgebenden äusseren Teil der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring mit seiner hochdruckseitigen Stirnfläche dichtend gegen die ihr zugekehrte Nutenflanke oder gegen ein in dieser angeordnetes Dichtungselement gedrückt ist.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Druckausgleichskanäle über den Umfang des Ringes verteilt angeordnet sind, die im gleichen Abstand von der Druckseite des Dichtringes liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Dichtungselement zwischen der hochdruckseitigen Stirnseite des Dichtringes und der ihm zugewandten Nutflanke angeordnet ist.
Bevorzugt wird ein Dichtungselement aus gummielastischem Material verwendet. Dabei müssen die herrschenden Temperaturen berücksichtigt werden. Für höhere Temperaturen eignet sich insbesondere ein temperaturbeständiger elastischer Kunststoff, der unter dem Namen Viton bekannt ist; (eingetragenes Warenzeichen von Du Pont).
Als Werkstoff für das Dichtungselement ist ferner, z. B.
für Trockenlaufstopfbuchsen, Kohlegraphit verstärktes Polytetrafluoräthylen (PTFE) zweckmässig.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Abdichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Abdichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Druckverhältnisse bei einer Abdichtung herkömmlicher Art; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Druckverhältnisse der erfindungsgemässen Abdichtung.
Fig. 1 zeigt einen Kolbenring 1, der in einer Nut 3 eines Kolbens 13 geführt ist. Zwischen dem Nutengrund 3a und dem Kolbenring 1 befindet sich ein Zwischenraum 2, der an seiner dem druckhöheren Raum 5 zugewandten Stirnfläche la des Kolbenringes 1 mittels eines Dichtungselementes 9 aus Kunststoff abgedichtet ist. Ferner ist der Zwischenraum 2 über einen Drosselkanal 8 mit dem druckniederen Raum 4 verbunden. Der Kolbenring 1 weist mehrere Druckausgleichkanäle 6 auf, die den Zwischenraum 2 mit der Zylinderfläche 7 verbinden. Die Druckausgleichskanäle 6 sind an der Aussenfläche 12des Kolbenringes 1 über die Ringnut 10 miteinander verbunden.
Nachfolgend soll die Wirkungsweise eines herkömmlichen Kolbenringes mit derjenigen des neuartigen Kolbenringes 1 verglichen werden. In Fig. 2 und 3 ist schematisch der Druckverlauf des Mediums durch Pfeile angegeben. Die Länge der Pfeile soll die Höhe der herrschenden Kraft dar stellen. Bei Vernachlässigung der Federkraft des Kolbenringes list bei linearem Druckabfall an der Gleitfläche die mittlere Flächenpressung auf der Lauffläche
P = 0,5 (p1-p2).
Im Zwischenraum 2 zwischen Kolbenring 1 und Nutengrund 3a herrscht nämlich der Druck p,.
Wie die Fig. 3 zeigt, ergeben sich bei dem neuartig entlasteten Kolbenring 1 viel bessere Druckverhältnisse. Durch das Dichtungselement 9 wird verhindert, dass sich im Zwischenraum 2 der höhere Druck p1 aufbauen kann. Bei Betrieb strömt das Medium aus dem druckhöheren Raum 5 entlang der Gleitfläche 7 in die Ringnut 10. Dabei wirkt der Spalt 11 zwischen dem Kolbenring 1 und der Zylinderfläche 7 als Drosselweg, so dass der Druck von p1 auf Px abfällt.
Von der Ringnut 10 aus gelangt das Medium durch die Kanäle 6 zum Zwischenraum 2, so dass sich auch hier der Druck in der Höhe Px aufbauen kann. Vom Zwischenraum 2 kann ein Teil des Druckmediums durch den Drosselkanal 8 zum druckniederen Raum 4 gelangen. Dadurch werden die am Kolbenring wirkenden Kräfte ständig ausgeglichen. Der Kolbenring 1 befindet sich in einem stabilen Schwebezustand. Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt automatisch, wobei sich an der Gleitfläche 7 zwischen dem Kolbenring 1 und der Zylinderfläche ein ganz enger Spalt 11 bildet.
In Abänderung der Fig. list die Wirkungsweise auch bei einem Kolbenring 1 gegeben, der nur an seiner dem druckhöheren Raum 5 zugekehrten Stirnfläche la geführt ist. In diesem Fall drückt eine nicht gezeigte Tellerfeder die Stirnfläche la des Kolbenringes 1 gegen die Nutflanke 3b. Die aneinanderliegenden Flächen la, 3b des Kolbenringes bzw.
der Nut übernehmen hierbei die Funktion des Dichtungselementes 9. Im Zwischenraum 2, der in diesem Fall bis zu der durch die Tellerfeder verwirklichten Abdichtung reicht, herrscht der Druck Px. Aus diesem Zwischenraum 2 strömt über den Drosselkanal 8 fortwährend ein geringer Teil des abzudichtenden Mediums zum druckniederen Raum 4. Der Drosselkanal 8 zwischen dem Zwischenraum 2 und dem druckniederen Raum 4 (Fig. 1) kann in der Wirkungsweise gleich auch durch einen von der Stirnfläche la ausgehenden Drosselweg gegeben sein, wenn der Anfang dieses Drosselweges im Bereich (Druck ca. p,) des Zwischenraums 2 liegt.
Besitzt der Kolbenring 1, wenn keine Differenzdrücke vorhanden sind, eine Federkraft po die ihn gegen die Zylinderfläche 7 presst, so stellt sich der Druck p, gemäss Fig.
3 in folgender Höhe ein: = p2 + p1 - p2 -2
1 + b21b1 wobei b1 und b2, wie in Fig. 3 gezeigt, die Länge der Gleitfläche bezeichnen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, dass bei hinreichender Dichtigkeit und zwar sogar bei schwankenden Drücken sich ein Kräftegleichge wicht zwischen dem Kolbenring und der Zylinderfläche, fast ohne Berührungskräfte, automatisch einstellt. Dadurch wird der Verschleiss des Kolbenrings und der Zylinderfläche er wiesenermassen um mehr als das Zehnfache verringert.
Sealing between an inner and an outer part surrounding it
The invention relates to a seal between an inner and an outer part surrounding it, one part being movable relative to the other, with a sealing ring arranged in a groove, for its radial relief at least one pressure equalization channel between the sliding surface and the space between the groove base and the sealing ring and a throttle path is provided connecting the lower-pressure space with this intermediate space or a space connected to it in which the pressure of the intermediate space prevails.
Rooms with different pressures are usually sealed against each other by special elements at gaps in moving parts. Piston rings, stuffing box rings, sealing strips, for example, are used for this purpose. These sealing elements can be in one piece or in several pieces. The sealing elements of the usual design produce high contact pressures.
A proposal for relieving the load on a sealing element has become known for stuffing boxes from German patent specification 1,260,249. This patent specification is based on the task of achieving a more even pressure distribution or
to achieve more even wear with several sealing elements arranged one behind the other in the axial direction. As a solution, it is proposed that the throttles leading to the lower pressure side have larger cross-sections as the pressure decrease progresses. The wear of the sealing elements described in the German patent specification is still considerable, since the high pressure in the space between the groove base and the sealing element causes a relatively high contact pressure on the sliding surface.
The purpose of the invention is to create a seal of the type mentioned at the outset which ensures the lowest possible contact pressure with sufficient tightness and has a long service life.
The seal according to the invention between an inner and an outer part of the type mentioned above is characterized in that the sealing ring is pressed sealingly with its high-pressure end face against the groove flank facing it or against a sealing element arranged therein.
In one embodiment it is provided that several pressure compensation channels are arranged distributed over the circumference of the ring, which are at the same distance from the pressure side of the sealing ring.
In a preferred embodiment it is provided that the sealing element is arranged between the high-pressure end face of the sealing ring and the groove flank facing it.
A sealing element made of rubber-elastic material is preferably used. The prevailing temperatures must be taken into account. A temperature-resistant, elastic plastic known under the name Viton is particularly suitable for higher temperatures; (registered trademark of Du Pont).
As a material for the sealing element is also, for. B.
for dry-running stuffing boxes, carbon graphite reinforced polytetrafluoroethylene (PTFE) appropriate.
An exemplary embodiment of the seal according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
1 shows a section through a seal according to the invention;
2 shows a schematic illustration of the pressure conditions in a seal of the conventional type; and
3 shows a schematic representation of the pressure conditions of the seal according to the invention.
1 shows a piston ring 1 which is guided in a groove 3 of a piston 13. Between the groove base 3 a and the piston ring 1 there is an intermediate space 2 which is sealed on its end face 1 a of the piston ring 1 facing the higher pressure space 5 by means of a sealing element 9 made of plastic. Furthermore, the intermediate space 2 is connected to the lower-pressure space 4 via a throttle duct 8. The piston ring 1 has several pressure equalization channels 6 which connect the intermediate space 2 to the cylinder surface 7. The pressure equalization channels 6 are connected to one another on the outer surface 12 of the piston ring 1 via the annular groove 10.
The mode of operation of a conventional piston ring will be compared with that of the novel piston ring 1 below. In Fig. 2 and 3, the pressure curve of the medium is indicated schematically by arrows. The length of the arrows should represent the level of the ruling force. If the spring force of the piston ring is neglected, with a linear pressure drop on the sliding surface, the mean surface pressure on the running surface is
P = 0.5 (p1-p2).
In the space 2 between the piston ring 1 and the groove base 3a there is namely the pressure p 1.
As FIG. 3 shows, the piston ring 1 with a new type of relief results in much better pressure conditions. The sealing element 9 prevents the higher pressure p1 from building up in the space 2. During operation, the medium flows from the higher-pressure space 5 along the sliding surface 7 into the annular groove 10. The gap 11 between the piston ring 1 and the cylinder surface 7 acts as a throttle path, so that the pressure drops from p1 to Px.
From the annular groove 10, the medium passes through the channels 6 to the intermediate space 2, so that the pressure can build up at the level Px here too. A part of the pressure medium can pass from the intermediate space 2 through the throttle channel 8 to the lower-pressure space 4. As a result, the forces acting on the piston ring are constantly balanced. The piston ring 1 is in a stable state of suspension. This state is set automatically, a very narrow gap 11 being formed on the sliding surface 7 between the piston ring 1 and the cylinder surface.
In a modification of FIG. 1, the mode of operation is also given in the case of a piston ring 1 which is only guided on its end face 1 a facing the higher pressure space 5. In this case, a disc spring, not shown, presses the end face la of the piston ring 1 against the groove flank 3b. The adjacent surfaces la, 3b of the piston ring or
the groove take on the function of the sealing element 9. The pressure Px prevails in the space 2, which in this case extends to the seal realized by the plate spring. From this intermediate space 2, a small part of the medium to be sealed flows continuously via the throttle channel 8 to the lower-pressure space 4. The throttle channel 8 between the intermediate space 2 and the lower-pressure space 4 (Fig. 1) can also function through one of the end face la outgoing throttle travel be given when the beginning of this throttle travel in the area (pressure approx. p 1) of the space 2 is.
If the piston ring 1, when there are no differential pressures, has a spring force po which presses it against the cylinder surface 7, the pressure p is established according to FIG.
3 in the following amount: = p2 + p1 - p2 -2
1 + b21b1 where b1 and b2, as shown in FIG. 3, denote the length of the sliding surface.
The advantages achieved with the invention are in particular that with sufficient tightness and even with fluctuating pressures, an equilibrium of forces is automatically set between the piston ring and the cylinder surface, almost without contact forces. This has proven to reduce the wear on the piston ring and the cylinder surface by more than ten times.