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Die
Erfindung besteht aus einer Vorrichtung zur Abdichtung eines Gegenstandes,
bevorzugt zum Abdichten einer Kolbenstange in einem Kolbenkompressor.
Die Vorrichtung ist bevorzugt als Labyrinthdichtung ausgeführt
und die besondere konstruktive Ausführung des Dichtringes
in Kombination mit der Auswahl der Materialien von Kolbenstange
und Dichtring stellt die hier erläuterte Erfindung dar.
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Die
Abdichtung von Kolbenstangen in Kolbenkompressoren mit Hilfe von
Labyrinthdichtungen ist Stand der Technik. So wird in
GB852618A eine Labyrinthdichtung
zum Abdichten eines Kolbens verwendet und in
US4889039A1 finden Labyrinthdichtungen
Anwendung zum Abdichten des Kolbens und der Kolbenstange.
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Es
ist hinlänglich bekannt, dass die Effizienz einer Labyrinthdichtung
maßgeblich von dem Abstand bzw. Spalt zwischen der Dichtfläche
des Dichtringes und der Gegenlauffläche abhängig
ist. So werden Labyrinthdichtungen häufig einteilig ausgeführt,
so dass im Falle der Abdichtung einer Kolbenstange der Innendurchmesser
der Labyrinthdichtung exakt an den Außendurchmesser der
Kolbenstange angepasst werden muss. Ein flexibles Labyrinth-System
mit automatischer Spalteinstellung, welches nach der Einlaufphase
in einer Einbaukammer radial fixiert ist, wurde von Dr.
Klaus Hoff und Gerhard Knop im Sonderdruck aus „Industriepumpen
+ Kompressoren" (12. Jahrgang, Heft 2 · 2006, Seiten 83–86) veröffentlicht.
Da hier die Einlaufphase vom Verschleiß der beteiligten
Materialien abhängig ist, ist diese zeitlich undefiniert
und bei weiterem Verschleiß aufgrund von Temperaturschwankungen
kann es wiederum zu Schwankungen im Spaltabstand zwischen Labyrinthdichtung
und Gegenlauffläche kommen.
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In
zahlreichen Anwendungen werden dauerhafte und konstante Dichtverhältnisse
verlangt, welche sich nach einer kurzen und kalkulierbaren Einlaufphase
einstellen sollen. Dies ist mit dem heutigen Stand der Technik nicht
zu realisieren.
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Die
Aufgabenstellung bezüglich der vorliegenden Anmeldung bestand
somit darin, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der eine Kolbenstange
abgedichtet werden kann, und bei der sich ein definierter und konstanter
Abstand zwischen Dichtring und Gegenlauffläche bereits
nach einer kurzen, kalkulierbaren Einlaufphase einstellt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Dichtvorrichtung
(1) gelöst, welche mindestens einen radialen Trennschnitt
(2) in Umfangsrichtung besitzt und welche sich durch ihre
thermische Ausdehnung dem abzudichtenden Gegenstand (17)
anpasst.
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Bevorzugt
hebt sich das Stossspiel (16) der Dichtvorrichtung (1)
bei der Anwendungstemperatur gerade auf und es entsteht so ein definierter
Spalt (19) zwischen der Dichtvorrichtung (1) und
dem abzudichtenden Gegenstand (17). Mit dem Stoßspiel (16)
wird hier der Abstand der einzelnen Segmente (3) der Dichtvorrichtung
(1) in Umfangsrichtung und bei Einbautemperatur bezeichnet,
bezogen auf den Durchmesser des abzudichtenden Gegenstandes (17).
Besitzt die Dichtvorrichtung (1) mehrere Trennschnitte
(2), so wird als Gesamtstoßspiel die Summe der
einzelnen Stoßspiele (16) der Trennschnitte (2) bezeichnet.
Bei nur einem Trennschnitt (2) sind Stoßspiel
(16) und Gesamtstoßspiel identisch. Das Aufheben
des Stoßspiels (16) geschieht durch die thermische
Ausdehnung des Materials, aus dem die Dichtvorrichtung (1)
gefertigt ist, in Kombination mit der thermischen Ausdehnung des
abzudichtenden Gegenstandes (17), insofern sich dieser
bei Einbau der Dichtvorrichtung (1) noch nicht auf Betriebstemperatur
befindet.
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In
der vorliegenden Erfindung muss also das Gesamtstoßspiel
der Dichtvorrichtung (1) derart gefertigt sein, dass sich
dieses unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung
der Dichtvorrichtung (1) und der thermischen Ausdehnung
des abzudichtenden Gegenstandes (17) bei der zu erwartenden Anwendungstemperatur
bzw. Betriebstemperatur aufhebt, so dass sich die durch den Trennschnitt
(2) bzw. durch die Trennschnitte (2) entstandenen
Flächen (4) in Kontakt treten. Durch den Kontakt
der Trennflächen (4) hebt sich die Dichtfläche
(5) der Dichtvorrichtung (1) von der Gegenlauffläche
bzw. Außenfläche (18) des abzudichtenden
Gegenstandes (17) ab, und es entsteht ein definierter und
zeitlich konstanter Spalt (19) zwischen der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17).
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Bei
Temperaturschwankungen kann es zu einem Kontakt zwischen der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17) kommen.
Dieser Kontakt führt zur Reibung zwischen der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17). Die
hierdurch entstehende Reibungsenergie wird von der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17) aufgenommen
und führt bei der Dichtvorrichtung (1) und beim
abzudichtenden Gegenstand (17) zu einer Temperaturerhöhung.
In der vorliegenden Erfindung sind die Materialien und/oder Geometrien
von Dichtvorrichtung (1) und abzudichtendem Gegenstand
(17) so zu wählen, dass durch die Temperaturänderung
eine Änderung der Dimensionen der beteiligten Elemente
derart verursacht wird, dass der definierte Spalt (19)
zwischen Dichtvorrichtung (1) und abzudichtendem Gegenstand
(17) wieder hergestellt wird.
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Man
kann in der vorliegenden Erfindung also davon sprechen, dass Materialien
und konstruktive Ausführung von Dichtvorrichtung (1)
und abzudichtendem Gegenstand in einer Art und Weise gewählt werden,
dass eine selbsttätige Regulierung des Spaltes (19)
zwischen Dichtvorrichtung (1) und abzudichtendem Gegenstand
(17) ermöglicht wird. Im Gegensatz zum Stand der
Technik handelt es sich hier um ein selbstregulierendes System mit
einem Gleichgewichtszustand, bei dem sich die Dimensionen der beteiligten
Elemente durch ihre thermische Ausdehnung und/oder thermische Kontraktion
selbsttätig angleichen.
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In
der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
handelt es sich bei der Dichtvorrichtung (1) um einen Labyrinthring
und bei dem abzudichtenden Gegenstand (17) um die oszillierende, runde
Kolbenstange eines Kolbenkompressors. Der Labyrinthring kann einfach
getrennt oder mehrfach getrennt sein und wird mit einem definierten
Gesamtstoßspiel versehen. Dieses Gesamtstoßspiel
setzt sich aus den Stoßspielen (16) der einzelnen
Trennschnitte (2) zusammen, bzw. ist bei einfacher Trennung
des Ringes das Stoßspiel (16) der Trennung mit dem
Gesamtstoßspiel identisch. Das Stoßspiel (16) wird
bei Einbautemperatur definiert und wird gemessen, indem die Dichtvorrichtung
(1) bzw. die Segmente (3) der Dichtvorrichtung
(1) um die auf Einbautemperatur befindliche, abzudichtende
Kolbenstange oder um ein auf Einbautemperatur befindliches Kaliber
mit identischem Durchmesser herum angeordnet wird bzw. werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht der abzudichtende Gegenstand (17) bzw. die Kolbenstange
aus einer Eisenlegierung und die Dichtvorrichtung (1) bzw.
der Labyrinthring aus einer Bronze-Legierung. Bei Inbetriebnahme
des Kompressors und somit beim Übergang von Einbautemperatur
auf die zu erwartende Anwendungstemperatur dehnt sich der Ring aufgrund
des höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Bronze-Legierung
im Umfang stärker aus als die Kolbenstange und das Stoßspiel
(16) nimmt ab. Bei Anwendungstemperatur verschwindet das
Stossspiel (16), so dass sich die durch den Trennschnitt
(2) bzw. die Trennschnitte (2) des Ringes entstandenen Trennflächen
(4) berühren. Der Ring liegt nicht mehr auf der
Stange auf und ein definierter Spalt (19) zwischen der
Oberfläche der Kolbenstange (18) und der Dichtfläche
des Labyrinthringes (5) ist erreicht.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
besitzt die Dichtvorrichtung (1) bzw. der Labyrinthring
mindestens eine Ausfräsung (6) an der Dichtfläche
(5) in Umfangsrichtung. Diese Ausfräsung (6)
wird gebräuchlicher Weise auch als innere Nut (6)
bezeichnet. Betrachtet man diese Ausfräsungen (6)
im Querschnitt, also in einer Ebene, welche aus einem radialen Vektor
(15) und einem axialen Vektor (14) gebildet wird,
so können die Querschnitte der Nuten (6) mit Rundungen
versehen, rechtwinklig ausgeformt, V-förmig ausgebildet,
oder derart ausgebildet sein, dass die Nutbreite mit zunehmender
Nuttiefe ebenfalls zunimmt, oder anders ausgeformt sein. Es sind
auch Kombinationen der verschiedenen Ausformungen in einer Nut (6)
denkbar, oder die Kombination von verschieden ausgeformten Nuten
(6) innerhalb eines Labyrinthringes.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Dichtvorrichtung (1) bzw. die Labyrinthring in
Umfangsrichtung – also parallel zu der Ebene, welche senkrecht
zum axialen Vektor (14) steht – von einer oder
mehreren Spannfedern (10) umspannt. Die Spannfedern (10)
können als Montagehilfe für den Zusammenhalt von
Elementen der Dichtvorrichtung (1) bzw. des Labyrinthringes
sorgen und die Spannfedern (10) können als Schlauchfedern
ausgebildet sein.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die in Umfangsrichtung verlaufende Spannfeder (10)
so ausgeführt, dass sie für eine axiale Verspannung
der Dichtvorrichtung (1) in der Kammer sorgt, in der die
Dichtvorrichtung (1) montiert ist. In einer besonderen
Ausführungsform deckt ein und dieselbe Spannfeder (10)
sowohl die Funktion der axialen Verspannung als auch die Funktion
des Zusammenhaltes der Dichtvorrichtung (1) bzw. des Labyrinthringes
ab.
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Ferner
ist die Kombination von umlaufenden Spannfedern (10) denkbar,
welche einzeln die Funktion der axialen Verspannung, die Funktion
der Montagehilfe oder beide Funktionen erfüllen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Dichtvorrichtung (1) aus einzelnen in axialer Richtung
angeordneten Elementen aufgebaut. Hierbei muss mindestens eines
dieser Elemente in umlaufender Richtung einfach oder mehrfach radial
getrennt sein, um bei Einbautemperatur ein bestimmtes Stoßspiel
(16) vorzugeben, welches bei Anwendungstemperatur aufgebraucht
wird und so erfindungsgemäß die Einstellung eines
definierten Spaltes (19) zwischen den durch den radialen Trennschnitt
(2) bzw. die radialen Trennschnitte (2) entstandenen
Segmenten (3) des axial angeordneten Elementes und dem
abzudichtenden Gegenstand zu ermöglichen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bestehen die einzelnen axial angeordneten
Elemente der Dichtvorrichtung (1) aus mindestens einem
einfach oder mehrfach radial getrennten Stützring (11),
sowie aus einem ungetrennten Distanzring (12) oder mehreren
ungetrennten Distanzringen (12). Hierdurch wird eine modulare
Bauweise ermöglicht und durch die Wahl der Innen- und/oder
Außendurchmesser der Stützringe (11)
und der Distanzringe (12), sowie der Form der Stützringe
(11) und der Distanzringe (12) kann beim Zusammenbau
der Segmente mindestens ein Hohlraum zwischen den Segmenten (11 und 12) entstehen,
welcher der inneren Nut (6) eines Labyrinthsystems entspricht.
Somit sind auch in dieser Ausführungsform Nuten (6)
realisierbar, welche im Querschnitt – also in einer Ebene,
welche aus einem radialen Vektor (15) und einem axialen
Vektor (14) gebildet wird – mit Rundungen versehen,
rechtwinklig ausgeformt, V-förmig ausgebildet, oder derart
ausgebildet sein können, dass die Nutbreite mit zunehmender
Nuttiefe ebenfalls zunimmt, oder anders ausgeformt sein können.
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In
einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
besitzt die Dichtvorrichtung (1) an der dem abzudichtenden
Gegenstand (17) zugewandten Fläche (5)
mindestens eine innere Nuten (6), welche an der dem höheren
Druck zugewandten Seite einen rechten Winkel zwischen Nutwand und Innenfläche
(5) aufweist, wo hingegen die Breite der Nut (6)
an der dem niedrigeren Druck zugewandten Seite mit zunehmender Nuttiefe
ebenfalls zunimmt.
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Dieses
unsymmetrische Profil ist eine besonders bevorzugte Nutgeometrie,
das das abzudichtende Medium sich in der Verbreiterung der dem hohen Druck
gegenüberliegenden Nutseite besonders effizient entspannen
kann und trotzdem das Volumen der Nut möglichst klein gehalten
wird.
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Ein
weiterer Vorteil des Aufbaus der Dichtvorrichtung (1) aus
axial angeordneten Elementen und der Ausführung der Elemente
aus mindestens einem einfach oder mehrfach radial getrennten Stützring
(11), sowie aus einem ungetrennten Distanzring (12)
oder mehreren ungetrennten Distanzringen (12) besteht in
der teilweisen Abdeckung des Trennschnittes (2) bzw. Trennschnitte
(2) des Stützringes (11) bzw. der Stützringe
(11) durch den Distanzring (12) bzw. durch die
Distanzringe (12). Durch die Abdeckung des Trennschnittes
(2) mit definiertem Stoßspiel (16) bzw.
der Trennschnitte (2) mit definiertem Gesamtstoßspiel,
wird eine zusätzliche Dichtwirkung der Dichtvorrichtung
(1) erzielt. Obwohl das Gesamtstoßspiel bei Anwendungstemperatur
durch die thermische Ausdehnung des radial getrennten Segmentes
(3) bzw. der radial getrennten Segmente (3) verschwindet,
und sich die Trennflächen (4) des Segmentes (3)
bzw. der Segmente (3) berühren, sorgt die Abdeckung
des Trennschnittes (2) bzw. der Trennschnitte (2)
des Dichtelementes bzw. der Dichtelemente für eine Verbesserung
der Dichtwirkung.
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Der
Aufbau der Dichtvorrichtung (1) aus axial angeordneten
Elementen besitzt neben dem oben beschriebenen Abdecken von Stoßspielen
durch benachbarte Elemente ohne radiale Teilung noch weitere Vorteile.
Für den Fall, dass der axiale Vektor des abzudichtenden
Gegenstandes (17) in horizontaler Richtung verläuft,
liegt das Gewicht der gesamten Dichtvorrichtung auf dem abzudichtenden
Gegenstand (17), wodurch Reibungswärme und der
Verschleiß der Dichtvorrichtung (1) unnötig
erhöht werden. Verwendet man nun die erfindungsgemäße Ausführungsform
mit axial aneinander angeordneten Elementen, wobei mindestens eines
dieser Elemente als Distanzring (12) ausgeführt
ist, welcher keinen Kontakt zum abzudichtenden Gegenstand besitzt,
so belastet nicht das gesamte Gewicht der Dichtvorrichtung (1)
den abzudichtenden Gegenstand. Führt man diesen Vorteil
konsequent aus, so ist eine Dichtvorrichtung (1) denkbar,
welche einen Aufbau aus axial angeordneten Elementen besitzt und
bei der nur die als Stützringe ausgeführten und
mit mindestens einem radialen Trennschnitt versehenen Elementen durch
ihr Eigengewicht den abzudichtenden Gegenstand belasten, welcher
in horizontaler Richtung mit seiner Hauptachse angeordnet ist.
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Somit
besitzt in einer besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform die Dichtvorrichtung (1) einen
Aufbau aus axial angeordneten Elementen, wobei mindestens ein Element
als Ring ohne radialen Trennschnitt ausgeführt ist und
die Differenz zwischen dem Außendurchmesser dieses Elementes
und dem Innendurchmesser der Kammer, in dem das Element bzw. die
Dichtvorrichtung (1) eingebaut ist, geringer ist, als die
Differenz zwischen dem Innendurchmesser dieses Elementes und dem Außendurchmesser
des abzudichtenden Gegenstandes (17).
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Hierdurch
wird gewährleistet, dass das Element den abzudichtenden
Gegenstand (17) nicht berühren kann, und dass
das Element im Falle, dass es nicht an den anderen Elementen befestigt
ist, den abzudichtenden Gegenstand (17) nicht mit seinem
Eigengewicht belastet. Dieser Vorteil entsteht nicht bei einem abzudichtenden
Gegenstand (17), dessen axialer Vektor (14) in
vertikaler Richtung verläuft. Die Anwendung der Dichtvorrichtung
(1) bezieht sich aber in der vorliegenden Patentschrift
generell auf abzudichtende Gegenstände bei denen der axiale Vektor
(14) in beliebiger Richtung verlaufen kann.
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Wie
bereits beschrieben können bei einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform einer Dichtvorrichtung (1) aus
axial angeordneten Elementen Aussparungen bzw. Hohlräume
zwischen den Elementen auf der dem abzudichtenden Gegenstand zugewandten
Fläche (5) entstehen, welche ebenfalls als Nuten (6)
bezeichnet werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform
ist die flexible Gestaltung dieser Nuten (6), indem nicht
die gesamte Dichtvorrichtung (1) getauscht oder neu gefertigt
werden muss, sondern indem nur einzelne Elemente der Dichtvorrichtung
ausgetauscht werden.
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Demzufolge
ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eine Dichtvorrichtung (1) aus axial angeordneten Elementen,
bei der mindestens eine Nut (6) in ihrer Gestaltungsform
geändert wird, indem mindestens ein Element dieser Dichtvorrichtung
(1) ausgetauscht wird.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1) aus axial angeordneten Elementen
ist, dass bei Verschleiß an vereinzelten Stellen der Dichtvorrichtung
(1) nur die betroffenen Elemente ausgetauscht werden müssen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Dichtvorrichtung (1) bzw. der Labyrinthring von
einem zusätzlichen Ring (7) oder mehreren zusätzlichen
Ringen (7) umgeben, welcher bzw. welche einen Trennschnitt
(8) oder mehrere Trennschnitte (8) in radialer
Richtung besitzt bzw. besitzen. Dieser zusätzliche Ring
(7) wird als Spannring (7) bzw. diese zusätzlichen
Ringe (7) werden als Spannringe (7) bezeichnet.
Der Spannring (7) bzw. die Spannringe befindet (7)
bzw. befinden sich also umlaufend auf der Fläche des Dichtringes
bzw. auf der Fläche der axial angeordneten Elemente des Dichtringes
(11 und 12), welche der Fläche (5)
gegenüber liegt, welche Kontakt zum abzudichtenden Gegenstand
bzw. zur Kolbenstange hat. Wird die Dichtvorrichtung (1)
bzw. der Labyrinthring aus axialen angeordneten Elementen (11 und 12)
aufgebaut, so kann der Spannring (7) bzw. können
die Spannringe (7) den Vorteil besitzen, dass er bzw. sie
die Spalte zwischen den axial angeordneten Elementen (11 und 12)
abdeckt bzw. abdecken und/oder den Vorteil besitzen, dass er bzw.
sie die axial angeordneten Elemente (11 und 12)
durch eine geeignete Ausformung zusammenhält bzw. zusammenhalten.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Dichtvorrichtung (1) von einer Spannfeder (10)
oder von mehreren Spannfedern (10) umspannt, wobei sich
die Spannfeder (10) in einer äußeren
Nut (9) befindet bzw. sich die Spannfedern (10)
in mehreren äußeren Nuten (9) befinden Diese äußere
Nut (9) bzw. diese äußeren Nuten (9) befindet
bzw. befinden sich auf der Dichtvorrichtung (1), einem
Element der Dichtvorrichtung (1) oder auf dem Spannring
(7) bzw. den Spannringen (7). Dabei kann die Spannfeder
(10) bzw. können die Spannfedern (10)
zum Zusammenhalt der Dichtvorrichtung (1) bzw. des Labyrinthringes
beitragen, und so für eine bessere Montagefreundlichkeit
sorgen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
sorgt die Spannfeder (10) bzw. sorgen die Spannfedern (10)
für eine axiale Verspannung der Dichtvorrichtung (1)
bzw. des Labyrinthringes in der Dichtkammer. In einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsform ist die Spannfeder (10) bzw. sind
die Spannfedern (10) als Schlauchfeder bzw. Schlauchfedern
ausgeführt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
besitzt die Dichtvorrichtung (1) mindestens einen Strömungskanal
(13) auf einer Außenfläche, welche senkrecht
zum axialen Vektor (14) steht und der Seite des höheren
Druckes des abzudichtenden Mediums zugewandt ist. Dieser Strömungskanal (13)
verläuft in radialer Richtung und wird gebräuchlicher
weise auch als Belastungs-Nut oder Entlastungs-Nut bezeichnet. Der
Strömungskanal (13) hat die Funktion, dass das
abzudichtende Medium von der Innenfläche (5) der
Dichtvorrichtung (1) durch den Strömungskanal
(13) zur Außenfläche der Dichtvorrichtung
(1) gelangen kann, und somit die Dichtvorrichtung (1)
ein Anpressdruck gegen den abzudichtenden Gegenstand (17)
und gegen die Kammerwand erfährt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Dichtvorrichtung (1) bzw. der Labyrinthring oder
Teile der Dichtvorrichtung (1) bzw. des Labyrinthringes
aus einer auf Eisen basierenden Legierung und/oder aus einer Nickel-Legierung und/oder
aus einer Kupfer-Legierung und/oder aus Bronze und/oder aus Sinterbronze
und/oder aus einer anderen Legierung und/oder aus einem anderen Metall
und/oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder aus Polyetheretherketon
(PEEK) und/oder aus einem anderen Kunststoff gebildet. Ferner sind
in einer erfindungsgemäßen Ausführung
Kombinationen aus diesen Werkstoffen möglich.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht der abzudichtende Gegenstand (17) bzw. die Kolbenstange
aus einer auf Eisen basierenden Legierung und/oder aus einer Nickel-Legierung
und/oder aus einer Kupfer-Legierung und/oder aus einer anderen Legierung
und/oder aus einem anderen Metall.
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Die
Oberfläche des abzudichtenden Gegenstandes (17)
bzw. der Kolbenstange kann eine Beschichtung aufweisen. Hierbei
können die Beschichtungen in der Oberflächenrauheit
variieren. Gebräuchliche Beschichtungen sind Wolframcarbid, Colmonoy
6E, sowie keramische Beschichtungen insbesondere eine sogenannte
Repcoat-Beschichtung. Alternativ zur Beschichtung kann der abzudichtende
Gegenstand (17) eine Oberflächenvergütung besitzen.
Gebräuchliche Vergütungen sind flammengehärtete,
induktiv gehärtete und plasmanitrierte Oberflächen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die erfindungsgemäße Auslegung des Gesamtstoßspiels
der Dichtvorrichtung (1) in Bezug auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
Materialien von Dichtvorrichtung (1) und abzudichtendem
Gegenstand (17) bzw. von Dichtring und Kolbenstange und
in Bezug auf die zu erwartende Anwendungstemperatur mit anderen
oben aufgeführten Merkmalen, wie beispielsweise einer Spannfeder (10)
oder mehrerer Spannfedern (10) zur Montagehilfe und/oder
zur axialen Verspannung, mit umlaufenden Nuten (6) unterschiedlicher
Querschnittsprofile, mit einem Aufbau aus axial angeordneten Elementen oder
mit anderen Merkmalen oder Kombinationen aus aufgeführten
Merkmalen kombiniert, so dass eine besonders wirksame Ausführungsform
in Bezug auf Dichtwirkung, Lebensdauer und Montagefreundlichkeit
erhalten wird.
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Auch
wenn die meisten der oben genannten Ausführungen der Dichtvorrichtung
(1) und des abzudichtenden Gegenstandes (17) auf
einen einfach oder mehrfach getrennten Labyrinthring in axial nicht geteilter
oder axial geteilter Ausführung in Kombination mit einer
Kolbenstange beziehen, so ist es durchaus vorstellbar, dass das
Dichtprinzip der thermischen Anpassung zwischen Dichtvorrichtung
(1) und abzudichtendem Gegenstand (17) durch die
Wahl eines geeigneten Gesamtstoßspiels in Kombination mit
der Auswahl geeigneter Materialien von Dichtvorrichtung (1)
und abzudichtendem Gegenstand (17) unter Berücksichtigung
der zu erwartenden Anwendungstemperatur sich auch auf andere Anwendungsfälle übertragen
lässt. Hier wäre beispielsweise die Abdichtung
einer rotierenden Welle durch einen geeigneten Dichtring zu nennen,
oder die Abdichtung einer oszillierenden Stange aus einer anderen
Anwendung als der des Kolbenkompressors.
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Es
ist ferner denkbar, dass dieses Dichtprinzip sowohl bei der Abdichtung
von rotierenden Wellen und oszillierenden Stangen gegenüber
Gasen als auch bei der Abdichtung von rotierenden Wellen und oszillierenden
Stangen gegenüber Flüssigkeiten Verwendung finden
kann.
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- 1
- Dichtvorrichtung
- 2
- radialer
Trennschnitt
- 3
- durch
radialen Trennschnitt entstandenes Segment
- 4
- Trennfläche
der radial getrennten Segmente
- 5
- Innenfläche
der Dichtvorrichtung
- 6
- Ausfräsung
(innere Nut) in Umfangsdichtung auf der dem abzudichtenden Gegenstand
zugewandten Fläche (Dichtfläche)
- 7
- Spannring
- 8
- Trennschnitt
eines Spannringes
- 9
- Ausfräsung
(äußere Nut) in Umlaufrichtung auf einer Fläche,
welche dem abzudichtenden Gegenstand nicht zugewandt ist
- 10
- Spannfeder
- 11
- axial
angeordnetes Element der Dichtvorrichtung mit mindestens einem Trennschnitt (Stützring)
- 12
- axial
angeordnetes Element der Dichtvorrichtung ohne Trennschnitte (Distanzring)
- 13
- Strömungskanal
- 14
- axialer
Vektor (in Längsrichtung des abzudichtenden Gegenstands)
- 15
- radialer
Vektor (senkrecht zur Längsrichtung des abzudichtenden
Gegenstands)
- 16
- Stossspiel
eines Trennschnittes
- 17
- abzudichtender
Gegenstand
- 18
- Außenfläche
des abzudichtenden Gegenstandes
- 19
- Spalt
zwischen Dichtvorrichtung und abzudichtendem Gegenstand
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Zum
verbesserten Verständnis der beantragten Erfindung und
zur Erläuterung von möglichen Ausführungsformen
sind der Beschreibung die folgenden 3 Figuren hinzugefügt:
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1: 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
der beantragten Dichtvorrichtung (1) im zusammengebauten
Zustand, sowie deren Bestandteile in einer Explosionszeichnung.
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2: 2 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der beantragten Dichtvorrichtung (1) in einem Schnittbild
bei einem Winkel von 210°(links) sowie in der Draufsicht
(rechts).
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3: 3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der beantragten Dichtvorrichtung (1) in einem Schnittbild
bei einem Winkel von 180° (links) sowie in der Draufsicht
(rechts).
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3: 4 zeigt
den abzudichtenden Gegenstand (17) und eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der beantragten Dichtvorrichtung (1) in der Draufsicht
im Einbauzustand bei Einbautemperatur (a – linke Seite)
sowie bei Betriebstemperatur (b – rechte Seite).
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1 zeigt
auf der linken Seite eine erfindungsgemäße Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1) in zusammengebautem Zustand. Rechts
von der zusammengebauten Dichtvorrichtung (1) sind deren
Bestandteile in einer Explosionszeichnung dargestellt.
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Die
Dichtvorrichtung (1) besteht aus
- – einem
Dichtring, welcher durch radiale Trennschnitte (2) in einzelne
Ringsegmente (3) zerteilt ist,
- – einem Spannring (7), welcher den Dichtring
umgibt und
- – zwei Spannfedern (10), welche als Schlauchfedern
ausgeführt sind.
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Der
Dichtring wurde durch drei Trennschnitte (2) radial getrennt,
wodurch die einzelnen Ringsegmente (3) entstanden sind.
Zwischen den Ringsegmenten (3) befinden sich deren Trennflächen
(4), welche durch die Trennschnitte (2) entstanden
sind. Neben den Trennflächen (4) ist ebenfalls
die Fläche (5) gekennzeichnet, welche dem abzudichtenden Gegenstand
(17) (rotierende Weile oder oszillierende Stange) zugewandt
ist. Dabei wird die Längsrichtung des abzudichtenden Gegenstandes
(17) als die axiale Richtung (14) bezeichnet,
welche durch das Vektordiagramm wiedergegeben wird. Ebenfalls durch das
Vektordiagramm wiedergegeben wird eine der radialen Richtungen (15),
welche senkrecht zur axialen Richtung (14) stehen. Der
abzudichtende Gegenstand (17) ist nicht Bestandteil von 1.
Da dieser Gegenstand in der Anwendung entlang der axialen Richtung
(14) und damit entlang der Strichpunktlinie verläuft,
sind die Ringsegmente (3) um den abzudichtenden Gegenstand
(17) herum angeordnet. Auf der Fläche (5)
der Segmente (3), welche dem abzudichtenden Gegenstand
(17) zugewandt ist sind Ausfräsungen (6)
bzw. Nuten (6) angebracht. Die Ringsegmente (3)
werden von einem Spannring (7) umgeben, welcher ebenfalls
einen Trennschnitt (8) aufweist. Dieser Spannring (7)
hat im vorliegenden Beispiel in Kombination mit den Spannfedern
(10) die Funktion, dass die Segmente (3) zusammengehalten werden,
sowie die Funktion, dass die Trennschnitte (2) teilweise
abgedeckt werden. Die Spannfedern (10) befinden sich in
den äußeren Nuten (9), welche sich auf
der Außenfläche des Spannringes befinden. Dies
ist eine Fläche, welche dem abzudichtenden Gegenstand nicht
zugewandt ist.
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2 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1). Auf der linken Seite von 2 ist
diese Ausführungsform als Schnittbild mit einem Schnittwinkel
von 210° abgebildet. Auf der rechten Seite von 2 ist
diese Ausführungsform in der Draufsicht abgebildet.
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Die
in 2 dargestellte Dichtvorrichtung (1) besteht
aus einem einzigen Dichtring, welcher durch drei radiale Trennschnitte
(2) in drei den abzudichtenden Gegenstand (17)
umgebenen Segmente (3) getrennt ist. Der abzudichtende
Gegenstand (17) ist nicht Bestandteil von 2,
jedoch verläuft die Längsrichtung des abzudichtenden
Gegenstandes (17) in Bezug auf die Schnittbildzeichnung
(links) in Richtung des axialen Vektors (14) des angegebenen Vektordiagramms.
In Bezug auf die Draufsicht (rechts) verläuft die Längsrichtung
des abzudichtenden Gegenstandes (17) senkrecht zur Papierebene. In
Bezug auf die Draufsicht (rechts) befindet sich der abzudichtende,
nicht abgebildete Gegenstand (17) im Zentrum der Dichtvorrichtung
(1). Durch die Trennschnitte (2) entstehen die
Trennflächen (4) der Ringsegmente (3).
Es befinden sich Ausfräsungen (6), welche auch
als Nuten (6) bezeichnet werden, auf der Fläche
(5), welche dem abzudichtenden Gegenstand (17)
zugewandt ist. Diese Fläche (5) wird auch als
Dichtfläche (5) bezeichnet. Die Nuten (6)
besitzen – wie in der Schnittzeichnung zu erkennen – ein
Rechteckprofil in der Ebene, welche aus dem radialen Vektor (15)
und dem axialen Vektor (14) gebildet wird. Auf der Stirnfläche
der Dichtvorrichtung (1), welche senkrecht zur axialen
Richtung (14) liegt, befinden sich drei Strömungskanäle
(13). Diese Strömungskanäle (13)
ermöglichen ein Durch- bzw. Überströmen
des abzudichtenden Mediums, so dass dieses Medium auf die radiale
Außenfläche der Dichtvorrichtung (1)
gelangt. Hierdurch wird bewirkt, dass die Segmente (3)
des Dichtringes einen Druck in Richtung des Zentrums der Dichtvorrichtung
(1) erfahren. Die Dichtvorrichtung (1) besitzt
auf der radialen Außenfläche drei äußere
Nuten (9), welche zur Aufnahme von Spannringen (10)
in Form von Schlauchfedern angebracht sind. Die zwei Nuten (9) mit
rundem Profil dienen zur Aufnahme von Spannfedern (10)
welche zum Zusammenhalt der Ringsegmente (3) beitragen.
Die Nut (6) mit V-förmigem Profil dient zur Aufnahme
einer Spannfeder (10) welche zum Zusammenhalt der Ringsegmente
(3) und zur axialen Verspannung der Ringsegmente (3)
in der für die Montage der Dichtvorrichtung (1)
vorgesehenen Kammer beiträgt.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1). Auf der linken Seite von 3 ist
diese Ausführungsform als Schnittbild mit einem Schnittwinkel
von 180° abgebildet. Auf der rechten Seite von 3 ist
diese Ausführungsform in der Draufsicht abgebildet. Der
abzudichtende Gegenstand (17) ist nicht Bestandteil von 3,
jedoch verläuft die Längsrichtung des abzudichtenden
Gegenstandes (17) in Bezug auf die Schnittbildzeichnung
(links) in Richtung des axialen Vektors (14) des angegebenen
Vektordiagramms. In Bezug auf die Draufsicht (rechts) verläuft
die Längsrichtung des abzudichtenden Gegenstandes (17) senkrecht
zur Papierebene. In Bezug auf die Draufsicht (rechts) befindet sich
der abzudichtende, nicht abgebildete Gegenstand (17) im
Zentrum der Dichtvorrichtung (1). Die Dichtvorrichtung
(1) besteht aus sieben axial angeordneten Elementen (11 und 12).
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Vier
dieser Elemente (11) besitzen je drei radiale Trennschnitte
(2) wodurch jedes dieser vier Elmente (11) in
drei Segmente (3) zertrennt wird, und jedes Segment (3)
dieser Elemente (11) je zwei Trennflächen (4)
aufweist. Diese Elemente (11) können auch als
Stützringe (11) bezeichnet werden.
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Drei
andere axial angeordnete Elemente (12) besitzen keine radialen
Trennschnitte (2). Diese Elemente (12) können
auch als Distanzringe (12) bezeichnet werden.
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In
der abgebildeten Ausführungsform grenzt jeder Distanzring
(12) axial an zwei Stützringe (11). Die
Stützringe (11) bilden mit ihrer radialen Innenfläche
die Fläche (5), welche dem abzudichtenden Gegenstand
(17) zugewandt ist, und welche als Dichtfläche
(5) bezeichnet wird. Durch die unterschiedlichen Innendurchmesser
der Stützringe (11) und der Distanzringe (12)
entstehen auf der Dichtfläche (5) Nuten (6),
welche ein Rechteckprofil in der Ebene, welche aus dem radialen
Vektor (15) und dem axialen Vektor (14) gebildet
wird, besitzen. Auf der Stirnfläche des in positiver axialer
Richtung am äußeren axialen Ende befindlichen
Stützringes befinden sich drei Strömungskanäle
(13). Die Stirnfläche liegt dabei senkrecht zur
axialen Richtung (14). Diese Strömungskanäle
(13) ermöglichen ein Durch- bzw. Überströmen
des abzudichtenden Mediums, so dass dieses Medium auf die radiale
Außenfläche der Dichtvorrichtung (1)
gelangt. Hierdurch wird bewirkt, dass die Segmente (3)
der radial getrennten Elemente (11) einen Druck in Richtung
des Zentrums der Dichtvorrichtung (1) erfahren. Die Stützringe
(11) und die Distanzringe (12) werden von einem
Spannring (7) umgeben, welcher einen radialen Trennschnitt
(8) und zwei äußere Nuten (9)
aufweist. Die äußeren Nuten (9) dienen
zur Aufnahme von zwei Spannfedern (10) in Form von Schlauchfedern.
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In
der in 3 dargestellten erfindungsgemäßen
Ausführungsform tragen sowohl der Spannring (7)
als auch die Spannfedern (10) zum Zusammenhalt der axial
angeordneten Elemente (11 und 12) bei.
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4 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1). Die linke Seite von 4 (4a) zeigt die Dichtvorrichtung im eingebauten
Zustand bei Einbautemperatur und die rechte Seite von 4 (4b) zeigt die Dichtvorrichtung im eingebauten
Zustand bei Betriebstemperatur. Sowohl in 4a als
auch in 4b ist diese Ausführungsform
in einer Draufsicht abgebildet und um den abzudichtenden Gegenstand
(17) herum angeordnet. Die Längsrichtung des abzudichtenden Gegenstandes
verläuft senkrecht zur Papierebene wird als axiale Richtung
bezeichnet und mit einem axialen Vektor (14) beschrieben.
Die radialen Richtungen verlaufen senkrecht zur axialen Richtung
und damit befinden sich die radialen Vektoren (15) in der Papierebene
mit Ursprung im Zentrum des abzudichtenden Gegenstandes (17).
Die Dichtvorrichtung (1) besteht aus einem Dichtring, welcher
durch drei Trennschnitte (2) radial getrennt wurde, wodurch
drei Segmente (3) entstanden sind, welche den abzudichtenden
Gegenstand (17) umgeben. Die Dichtvorrichtung besitzt ferner
in der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform
eine innere Nut (6) sowie eine äußere
Nut (9). Die äußere Nut (9)
kann zur Aufnahme einer Spannfeder (10), z. B. zur Aufnahme
einer Schlauchfeder dienen.
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Durch
die Trennschnitte (2) besitzt jedes Segment (3)
zwei Trennflächen (4). Im eingebauten Zustand
bei Einbautemperatur (4a) existiert
ein Spalt zwischen zwei benachbarten, den abzudichtenden Gegenstand
umschließenden Segmenten (3). Dieser Spalt wird
als Stoßspiel (16) bezeichnet. Ferner steht in 4a die Innenfläche der Dichtvorrichtung
(5) bzw. stehen die Innenflächen (5)
der Segmente (3) in direktem Kontakt mit der Außenfläche (18)
des abzudichtenden Gegenstandes.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Dichtvorrichtung (1) in 4 bestehen
der abzudichtende Gegenstand (17) und die Segmente (3)
der Dichtvorrichtung (1) aus verschiedenen Materialien
mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Beim Wechsel von
Einbautemperatur zu Betriebstemperatur dehnen sich die Segmente
(3) der Dichtvorrichtung (1) stärker
aus als der abzudichtende Gegenstand (17).
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Wie
schon beschrieben zeigt 4b die Dichtvorrichtung
(1) und den abzudichtenden Gegenstand (17) im
eingebauten Zustand bei Betriebstemperatur. Hier ist das Stoßspiel
(16) geschlossen bzw. das Stoßspiel ist hier verschwunden
bzw. das Stoßspiel (16) besitzt hier den Wert
0. Durch das Schließen des Stoßspiels berühren
sich die durch die Trennschnitte (2) entstandenen Trennflächen
(4) der benachbarten Segmente (3) der Dichtvorrichtung
(1). Durch eine weitere thermische Ausdehnung der Segmente
(3) entsteht dann ein minimaler Spalt (19) zwischen
den Segmenten (3) der Dichtvorrichtung (1) und
dem abzudichtenden Gegenstand (17). In 4 sind
die Zeichnungen nicht Maßstabsgetreu um die Veranschaulichung
des Wirkprinzips der Dichtvorrichtung (1) zu gewährleisten.
Der entstehende Spalt (19) zwischen Dichtvorrichtung und
abzudichtendem Gegenstand ist minimal und trägt zur Dichtwirkung der
Dichtvorrichtung (1) maßgeblich bei. Der Spalt (19)
zwischen Dichtvorrichtung (1) und abzudichtendem Gegenstand
(17) stellt sich dann als minimal ein, wenn das Stoßspiel
(16) bei Einbautemperatur unter Berücksichtigung
der Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Dichtvorrichtung
(1) und abzudichtendem Gegenstand (17) derart
berechnet ist, dass das Stoßspiel (16) bei Erreichen
der zu erwartenden Betriebstemperatur durch die thermische Ausdehnung
der Segmente (3) der Dichtvorrichtung (1) und dem
abzudichtende Gegenstand gerade geschlossen wird bzw. gerade den
Wert 0 annimmt. Berühren nun die Segmente (3)
der Dichtvorrichtung (1) noch den abzudichtenden Gegenstand,
so erfahren die Segmente (3) der Dichtvorrichtung (1)
und der abzudichtende Gegenstand (17) eine zusätzliche
thermische Energie durch Reibung. Hierdurch dehnen sich die Segmente
(3) der Dichtvorrichtung (1) und der abzudichtende
Gegenstand (17) weiter aus, so dass der Kontakt zwischen
den Segmenten (3) der Dichtvorrichtung (1) und
dem abzudichtenden Gegenstand (17) verloren geht. Hierdurch
stellt sich ein Spalt zwischen den Segmenten (3) der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17) ein.
Fällt nun die Temperatur durch die fehlende Reibungsenergie
ab, so schrumpfen die Segmente (3) der Dichtvorrichtung
(1) und treten erneut in Kontakt mit dem abzudichtenden
Gegenstand (17). Dies sorgt wiederum für thermischen
Energieeintrag durch Reibung und damit für ein Ausdehnen
der Segmente (3) der Dichtvorrichtung (1) und
somit für die erneute Einstellung des erwünschten
minimalen Spaltes.
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Dieser
erläuterte Prozess hat einen Gleichgewichtszustand zur
Folge, bei dem die Innenflächen (5) der Dichtsegmente
(3) einen minimalen Abstand von der Außenfläche
(18) des abzudichtenden Gegenstandes (17) besitzen.
Dieser Abstand wird auch als Spalt (19) zwischen der Dichtvorrichtung
(1) und dem abzudichtenden Gegenstand (17) bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 852618
A [0002]
- - US 4889039 A1 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Dr. Klaus
Hoff und Gerhard Knop im Sonderdruck aus „Industriepumpen
+ Kompressoren" (12. Jahrgang, Heft 2 · 2006, Seiten 83–86) [0003]