DE10056102A1 - Gleitringdichtung - Google Patents
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Abstract
Gleitringdichtung mit einem Gleitring, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitring (5), der über einen O-Ring (6) auf einer Welle (1) eines Verdichters befestigt ist und mit der Welle (1) rotiert, und dass ein drehfester Gegenring (4) vorgesehen ist, der gasdicht über einen O-Ring (3) an einem Gehäuse (2) des Verdichters befestigt ist, wobei Gleitring (5) und Gegenring (4) durch eine Feder (8) abdichtend gegeneinander gedrückt werden und aufeinander gleiten, wobei einer der Ringe (4, 5) aus einem Kohlenstoff-Siliziumkarbind-Kompositmaterial und der andere aus einem Siliziumkarbidmaterial hergestellt ist.
Description
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Fluidhochdruckdichtung,
insbesondere mit einer Gleitringdichtung, die als Wellendichtvorrichtung an
Kompressoren für Klimaanlagen, insbesondere Fahrzeugklimaanlagen, welche
Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel verwenden, benutzt wird.
Fahrzeugklimaanlagen haben traditionell Fluorokarbon als Kühlmittel benutzt.
Jedoch negative Effekte des Fluorokarbons (Flon R 134 a) auf die globale
Erwärmung haben Studien mit einer Vielzahl von anderen Kühlmitteln angeregt,
um Fluorokarbon zu ersetzen. Eines der aussichtreichsten Kühlmittel hierfür ist
Kohlenstoffdioxid (CO2).
Während die Verwendung von Fluorkohlenstoff als Kühlmittel einen Saugdruck
für den Kompressor unter normalen Bedingungen von etwa 0,2 MPa und einen
Förderdruck von etwa 2 MPa erfordert, tritt bei der Benutzung von
Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel eine Erhöhung des erforderlichen
Kompressordrucks bis zu einem Saugdruck von etwa 3 MPa und einem
Förderdruck von etwa 7 MPa ein.
In der US-Patentschrift 4,623,153 ist ein Kompressor beschrieben, der
Fluorkohlenstoff als Kühlmittel benutzt und eine Öl-Wellendichtung verwendet,
welche aus einer Kombination eines Gummirings und eines Kunstharzringes
besteht. Die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Kühlmittel bewirkt jedoch
einen Arbeitsdruck des Kompressors, welcher höher ist, als oben angegeben,
ungeachtet der Verwendung der Öldichtung.
Unter den möglichen Ersatzdichtungen ist die herkömmliche Gleitringdichtung,
die bei einem höheren Druck als Tandem ausgebildet sein können und in Reihe
von zwei jeweils angebracht die Belastung an jeder Dichtung auf die Hälfte
reduzieren. Diese Vorgehensweise ist jedoch insofern mangelhaft, weil der
erforderliche Raum für die Dichtungen zu groß ist.
Im allgemeinen wird der Gleitring aus einem Kohlenstoffgleitmaterial und der
Gegenring aus einem Gleitmaterial mit einer höheren Härte als das
Kohlenstoffgleitmaterial beispielsweise aus Siliziumkarbid oder Wolframkarbid
hergestellt.
Bei Gleitringdichtungen wird das Kohlenstoffgleitmaterial, das einen geringen
Elastizitätsmodul hat, unter Druck deformiert, wenn es einem hohen Druck
durch Kohlenstoffdioxiddruck unterworfen wird, wodurch eine Zerstörung der
dichtenden Oberflächen eintritt. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es
denkbar, eine Kombination aus einem harten Material mit hohem
Elastizitätsmodul, wie beispielsweise Siliziumkarbid oder Wolframkarbid, für
beide Teile zu verwenden, um eine Deformation und Zerstörung der
Dichtflächen zu vermeiden.
Die Gleiteigenschaften zwischen einer Kombination aus diesen harten
Materialien ist jedoch insofern nachteilig, als unter schlecht geschmierten
Verhältnissen ein Festfressen oder ein Aufrauhen der Oberfläche oder
dergleichen eintritt, wodurch die Dichtleistung reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen und bildet
eine Gleitringdichtung als Wellendichtung für einen Kompressor, der unter
insbesondere hohen Temperaturen arbeitet und der eine Zerstörung der
Dichtflächen verhindert mit weitgehendem Ausschalten von Festfressen oder
Aufrauhen der Oberfläche oder ähnlichem, wodurch eine Leckage des
Kühlmittels und des Schmiermittels verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung ist im Wesentlichen eine Gleitringdichtung, mit einem
Gegenring, der über einen O-Ring auf einer Welle eines Kompressors befestigt
ist und mit der Welle rotiert, und mit einem feststehenden Gegenring, der
gasdicht über einen O-Ring an dem Gehäuse des Kompressors befestigt ist.
Beide werden durch eine Feder aneinander gedrückt und sind abgedichtet und
gegeneinander gleitend, wobei einer der Ringe aus einem Kohlenstoff-
Siliziumkarbid-Kompositmaterial und der andere aus einem
Siliziumkarbidmaterial besteht.
Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial hat eine Struktur, welche
durch eine teilweise Umwandlung der Oberflächenschicht des
Kohlenstoffsubstrats in ein Siliziumkarbidmaterial entsteht. Das
Siliziumkarbidmaterial ist vorzugsweise durch reaktives oder atmosphärisches
Sintern gebildet. Das Siliziumkarbidmaterial hat vorzugsweise ein
Siliziumkarbidverhältnis von wenigstens 85% oder höher. Hierdurch wird eine
ausreichende Oberflächenhärte und Elastizitätsmodul sichergestellt.
Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial wird durch eine teilweise
Umwandlung der Oberflächenschicht des Kohlenstoffsubstrats in ein
Siliziumkarbidmaterial erhalten und hat einen höheren Elastizitätsmodul als
übliche Kohlenstoffgleitmaterialien, so dass es einer minimalen Deformation,
selbst unter hohem Druck, unterliegt und trotzdem einen selbstschmierenden,
kohlenstoffhaltigen Teil hat, wodurch Probleme, wie Anfressen,
Oberflächenrauheit oder ähnliches selbst unter schlechten
Schmierbedingungen minimiert werden. Eine Kombination mit einem
Siliziumkarbidgleitmaterial gestattet damit eine dauerhafte Abdichtung
aufrechtzuerhalten. Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial sollte im
Hinblick auf seinen Druckwiderstand und seine Gleitcharakteristiken
vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von 40% bis 85% und einen
Siliziumkarbidgehalt von 60% bis 15% für die Oberflächenschicht haben.
Als Gleitmaterial sollte das Siliziumkarbidmaterial vorzugsweise unabhängige
einzelne Poren haben. Als Siliziumkarbidmaterial wird vorzugsweise ein
Siliziumkarbidmaterial verwendet, welches durch ein atmosphärisches oder
reaktives Sintern erhalten worden ist. Die Verwendung von
Siliziumkarbidmaterial mit einzelnen Poren gestattet die Beibehaltung eines
Flüssigkeitsfilms auf der Dichtoberfläche selbst unter schlechten
Schmierverhältnissen, wodurch eine stabile Abdichtung unter den geforderten
Betriebskonditionen erhalten wird. Eine ungünstigere Dichtwirkung tritt jedoch
ein, wenn die einzelnen Poren von einem mittleren, spezifischen
Porendurchmesser und Porosität abweichen, so dass, um die Dichtwirkung der
Dichtung sicherzustellen, das Siliziumkarbidmaterial, vorzugsweise einzelne
Poren, mit einem mittleren Porendurchmesser von nicht größer als 60 µm bei
einer Porosität von 2% bis 15% hat.
Die Rauheit der Dichtoberfläche beeinflusst die Dichtwirkung der Dichtung. Das
Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial hat vorzugsweise eine Endrauheit
von 0,005 bis 0,07 µm und das Siliziumkarbidmaterial vorzugsweise eine
Dichtoberflächenrauheit im Bereich von 0,002 bis 0,03 µm, ausgedrückt als
arithmetisches Rauheitsmittel (Ra) (ausgenommen die einzelnen Poren), so
dass sie eine Leckage verhindern.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 im Querschnitt die Gleitringdichtung und
Fig. 2 in graphischer Darstellung die Wirkung der Dichtoberflächenrauheit auf
die Leckage der Gleitringdichtung.
In der Fig. 1 ist die Grundstruktur der Gleitringdichtung der vorliegenden
Erfindung wiedergegeben. Ein Gleitring 5 ist über den O-Ring 6 auf der Welle 1
eines Kompressors befestigt. Der Gleitring 5 ist unverdrehbar mit dem
Mitnehmergehäuse 9 verbunden. Das Gehäuse 9 ist seinerseits unverdrehbar
auf die Welle 1 aufgesetzt, so dass sie mit der Welle 1 rotiert. Der Gleitring 5
wird über den Druckring 7 durch die Feder 8 gegen die stirnseitige Oberfläche
des Gegenrings 4 gedrückt. Der Gleitring 5 ist in dem Mitnehmergehäuse 9
gehalten. Gleitring 5 und Gegenring 4 sind gegeneinander gedrückt und bilden
eine Dichtfläche. Der Gegenring 4 ist gasdicht über den O-Ring 3 in ein
Gehäuse 2 eingesetzt und drehfest mittels eines Stiftes oder dergleichen
befestigt. Die Dichtoberfläche, die durch den Gleitring 5 und den Gegenring 4
gebildet ist, verhindert jegliche Leckage des Kohlenstoffdioxid-Kühlmittels und
Schmiermittelöls, welche auf der Flüssigkeitsseite im Raum B der Dichtung zur
atmosphärischen Seite A vorhanden ist.
Der Gleitring 5 oder der Gegenring 4 sind aus einem Kohlenstoff-
Siliziumkarbid-Kompositmaterial hergestellt und der andere besteht aus einem
Siliziumkarbidmaterial. Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial ist
durch eine Behandlung eines Kohlenstoffsubstrats mit Silizium hergestellt,
wobei eine teilweise Umwandlung des Kohlenstoffs in Siliziumkarbid stattfindet.
Dabei besteht keine besondere Einschränkung für das Verfahren für die
Umwandlung des Kohlenstoffs in Siliziumkarbid, welches beispielsweise ein
Gasbehandlungsverfahren mit einem Gas, welches Silizium, beispielsweise
Siliziummonoxid, enthält, oder auch ein Flüssigkeitsverfahren, bei dem Silizium
in das Kohlenstoffmaterial eindringt und dort reagiert. Damit das Silizium
eindringt, kann ein Kohlenstoffsubstrat verwendet werden, welches feine,
unabhängige einzelne Poren hat. In diesem Fall durchdringt und infiltriert das
Silizium die auf der Oberfläche des Kohlenstoffsubstrats vorhandene Poren
und generiert Siliziumkarbid in diesem Bereich.
Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial wird durch Umwandlung der
Oberflächenschicht des Kohlenstoffsubstrats zu Siliziumkarbid erhalten. Wenn
das Kohlenstoffsubstrat auf diese Weise zu Siliziumkarbid umgewandelt wird,
nimmt es eine Struktur an, in der die äußerste Schicht aus einer Siliziumkarbid-
Schicht mit einem erhöhten Kohlenstoffinhalt besteht und bei einem tieferen
Eindringen in das Innere, übergeht von einer Schicht mit Kohlenstoff und
Siliziumkarbid zu einer Schicht mit nur Kohlenstoff. Die Gleitfläche wird durch
Entfernung der äußersten Schicht hergestellt, so dass endbearbeitete
Schichten aus Kohlenstoff und Siliziumkarbid hergestellt sind. Im Hinblick auf
den Druckwiderstand und auf Gleitcharakteristiken wird die äußerste Schicht
der Gleitfläche mit einem Kohlenstoffgehalt von 40% zu 85% und einem
Siliziumkarbidgehalt von 60% bis 15% versehen. Die Tiefe der Schicht,
welche Siliziumkarbid enthält, ist etwa 1 bis 5 mm dick. Das Verhältnis von
Siliziumkarbid zu Kohlenstoff auf der Oberflächenschicht kann vom
Flächenverhältnis einer jeden Komponente der Oberfläche erhalten werden.
Das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial hat einen hohen
Elastizitätsmodul. Im allgemeinen hat das in Gleitringdichtungen verwendete
Kohlenstoffmaterial einen Elastizitätsmodul von etwa 10 bis 13 GPa. Im
Gegensatz hierzu hat das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial bei
einer Siliziumkarbidumwandlung in einem Verhältnis von 44%, einen höheren
Elastizitätsmodul von etwa 25 GPa. Der Elastizitätsmodul des Kohlenstoff-
Siliziumkarbid-Kompositmaterial ist relativ klein im Vergleich zum
Elastizitätsmodul von Siliziumkarbid selbst von etwa 360 GPa. Jedoch bewirkt
es eine Reduktion der Deformation unter Druck bei hohen Drücken. Da der
Kohlenstoff selbstschmierend ist, verhindert dieses das Anfressen oder
Oberflächenaufrauhen, so dass es eine stabile Dichtung als Gleitmaterial
sicherstellt. Wenn der Umwandlungsanteil von Siliziumkarbidumwandlung 60%
übersteigt, steigt die Härte an, so dass die Dichtoberfläche zum Anfressen oder
Aufrauhen der Oberfläche in schlecht geschmierter Umgebung tendiert. Eine
Siliziumkarbidumwandlung von geringer als 15% bewirkt einen Abfall des
Elastizitätsmoduls, wodurch das Material leichter an der Dichtfläche unter
Druck deformiert wird, was zu einem Ausfall der Dichtung durch ein
beschleunigtes Abnutzen der Dichtfläche führen kann. Der Kohlenstoffanteil
sollte bei 40% bis 85% und der Siliziumkarbidanteil bei 60% bis 15% liegen.
Das Siliziumkarbidmaterial, welches den anderen Ring bildet, ist vorzugsweise
durch ein reaktives Sinter-Verfahren erhalten, in dem ein geformter
Gegenstand aus Kohlenstoff und Siliziumkarbid einer Penetration mit Silizium
bei hohen Temperaturen unterworfen wird und einem atmosphärischen Sinter-
Verfahren, dass mit einen Siliziumkarbid-Pulver oder ähnlichem arbeitet. Das
Siliziumkarbidmaterial enthält vorzugsweise mindestens 85% an
Siliziumkarbid. Hierdurch wird die Oberflächenhärte und der Elastizitätsmodul
sichergestellt.
Das Siliziumkarbidmaterial ist ein Material, das unabhängige einzelne Poren
hat und das als Dichtflächenmaterial für die Gleitringdichtung verwendet wird.
Dieses Siliziumkarbidmaterial mit den einzelnen Poren ermöglicht die
Beibehaltung eines Flüssigkeitsfilms auf der Oberfläche der Dichtung selbst in
schlecht geschmierter Umgebung, wodurch selbst unter Betriebsbedingungen
mit hoher Anforderung eine sichere Abdichtung gegeben ist. Wenn jedoch
diese einzelnen Poren vom vorgegebenen mittleren Porendurchmesser und
Porosität abweichen, so wird die Dichtwirkung negativ beeinflusst.
Wenn der Durchmesser einer einzelnen Pore zu groß ist, so wird die
Materialstärke reduziert, was zufolge hat, dass Kühlmittel und Schmiermittel in
größeren Mengen zur atmosphärischen Seite austreten und die Dichtwirkung
negativ beeinflusst wird. Im Hinblick hierauf ist der Durchmesser der einzelnen
Poren vorzugsweise nicht größer als 60 µm. Eine Porosität größer als 15%
bewirkt, dass die Festigkeit des Rings selbst reduziert wird und nicht länger
fähig ist, die Festigkeit der Gleitringdichtung selbst beizubehalten. Auf der
anderen Seite ist eine Porosität von 2% oder weniger nicht fähig, die
notwendige Menge an Flüssigkeitsschmierung sicherzustellen, wodurch die
Schmierung der Dichtflächen herabgesetzt wird. Diese Gesichtspunkte geben
eine Porosität von 2% bis 15% vor.
Die Fahrzeugklimaanlagen-Kompressoren sind die meiste Zeit über nicht in
Betrieb und ausgeschaltet. Bei stillstehendem Kompressor ist das Kühlmittel
gesättigt, so dass der Druck im Kompressor sich in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur verändert. Für den Fall eines Kohlenstoffdioxid-
Kühlmittels erreicht der Druck im Kompressor bei einer Raumtemperatur von
20°C etwa 5 MPa. Wenn bei diesen Bedingungen ein hoher Druck an der
Dichtfläche wirkt, können das Kohlenstoffdioxid-Kühlmittel und das Schmieröl
auf die atmosphärische Seite A austreten, wenn der Spat an der Dichtfläche
groß ist, zum Beispiel bei hoher Oberflächenrauhigkeit. Dieses hat eine Studie
veranlasst, um die Leckage durch die Rauheit an der Dichtfläche zu prüfen. Die
Ergebnisse dieser Studie sind in der Fig. 2 zusammengefasst, welche die
Abhängigkeit der Leckage von der Rauheit der Gleitflächen zeigt. Die Fig. 2
zeigt, dass die Leckage minimal ist, wenn die Oberflächenrauheit des
Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterials 0,005 bis 0,07 µm und des
Siliziumkarbidmaterials 0,002 bis 0,03 µm ist, gemessen als arithmetrische
mittlere Rauheit (Ra). Dieser Wert schließt jedoch die Poren in den
porenenthaltenen Ringen aus.
Auf der X-Koordinate ist die Rauheit Ra (µm) der Gleitringoberfläche und auf
der Y-Koordinate die Rauheit Ra (µm) der Gegenringoberfläche dargestellt. Die
Dreiecke zeigen die Messpunkte an. Dabei geben die geschlossenen Dreiecke
10 aufgetretene Leckagen und die offenen Dreiecke 11 Messpunkte ohne
Leckagen an. Die punktierte Linie 12 stellt eine Grenzlinie zwischen den
Bereichen mit Leckage und ohne Leckage dar.
Die arithmetrische mittlere Rauheit (Ra) wird durch Entnahme einer
Standardlänge von einer Rauhigkeitskurve in Richtung einer mittleren Linie
erhalten und drückt die Rauheitskurve mit der X-Achse in Richtung auf die
mittlere Linie dieses ausgewählten Teils und die Y-Achse in Richtung eines
Längenverhältnisses aus:
y = f(x)
wobei der erhaltene Wert durch die folgende Gleichung in Mikrometer
ausgedrückt ist:
wobei L eine Standardlänge repräsentiert.
Die vorliegende Erfindung ist eine Gleitringdichtung, bei der eine der
Dichtoberflächen aus einem Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial und
die andere aus einem Siliziumkarbidmaterial besteht. Diese Kombination eines
Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial und eines Siliziumkarbidmaterials
an der Dichtoberfläche unterdrückt die Deformation der Dichtoberfläche unter
Drücken und verhindert dadurch deren Zerstörung und stellt insbesondere eine
dauerhafte Dichtung dar.
Claims (5)
1. Gleitringdichtung mit einem Gleitring, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gleitring (5) der über einen O-Ring (6) auf einer Welle (1) eines
Verdichters befestigt ist und mit der Welle (1) rotiert, und, dass ein
drehfester Gegenring (4) vorgesehen ist, der gasdicht über einen O-Ring
(3) an einem Gehäuse (2) des Verdichters befestigt ist, wobei Gleitring (5)
und Gegenring (4) durch eine Feder (8) abdichtend gegeneinander
gedrückt werden und aufeinander gleiten, wobei einer der Ringe (4, 5) aus
einem Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial und der andere aus
einem Siliziumkarbidmaterial hergestellt ist.
2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial eine Struktur hat, die durch
eine teilweise Umwandlung der Oberflächenschicht des
Kohlenstoffsubstrats in ein Siliziumkarbidmaterial erhalten wurde.
3. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt 40% bis 85% und das
Siliziumumwandlungsverhältnis 60% bis 15% für die Oberfläche aus dem
Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial ist, beträgt.
4. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass Siliziumkarbidmaterial unabhängige einzelne Poren
mit einer mittleren Porengröße von nicht größer als 60 µm bei einer
Porosität von 2% bis 15% hat.
5. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Kompositmaterial eine
Dichtoberflächenbeschaffenheit mit Rauheitswerten von 0,005 bis 0,07 µm
und das Siliziumkarbidmaterial eine Dichtoberflächenbeschaffenheit
mit Rauheitswerten von 0,002 bis 0,03 µm hat, ausgedrückt als
arithmetrische mittlere Rauheit (Ra), die Poren ausgenommen.
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