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Gebiet
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft Ringdichtungen und im Spezielleren
eine Ringdichtung, welche mit Diatomeenerde beschichtet ist.
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Hintergrund
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Die
Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation
in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und stellen möglicherweise nicht
den Stand der Technik dar.
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Es
gibt viele Anwendungen, bei denen eine Dichtung zwischen einer rotierenden
Komponente und einer feststehenden Komponente benötigt wird, um
Fluide bei verschiedenen Drücken über die
Länge der
Komponenten hinweg zu trennen. Diese Anwendungen umfassen häufig Lastschaltgetriebe
und Motoren in Kraftfahrzeugen. Typischerweise wird eine Ringdichtung
oder Wellendichtung verwendet, um die rotierende Komponente zu der
feststehenden Komponente hin abzudichten, um die Fluide auf einer Seite
der Ringdichtung zu halten, sodass sie nicht zu der anderen Seite
entweichen. Je nach Anwendung kann entweder die Welle oder die Bohrung,
in der sie läuft,
die rotierende Komponente sein. Hierin ist der Fall einer rotierenden
Bohrung und einer feststehenden Welle beschrieben, der entgegengesetzte
Fall ist jedoch absolut analog. Die Ringdichtung passt typischerweise
um die feststehende Komponente herum und weist eine äußere Fläche auf,
die mit der Fläche der
rotierenden Komponente in Eingriff steht. Diese herkömmlichen
Ringdichtungen funktionieren dadurch, dass sie die Druckdifferenz
verwenden, die über
die Länge
der Welle hinweg aufrechterhalten wird. Im Spezielleren drückt das
Fluid in dem Abschnitt mit höherem
Druck die Ringdichtung axial gegen den Abschnitt mit niedrigerem
Druck und drückt auch
die Dichtung radial nach außen.
Die Geometrie der Dichtung ist derart entworfen, dass der radiale Druck
bewirkt, dass die Dichtung mit der Bohrung rotiert und eine Differenzdrehzahl
auf der mit der feststehenden Komponente in Eingriff stehenden Fläche der
Dichtung vorhanden ist.
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Diese
Ringdichtungen sind typischerweise aus einem Polymer hergestellt,
und die auf diese Ringdichtungen angewendete Druckdifferenz kann eine
Verformung der Ringdichtung verursachen. Diese Verformung kann eine
Verteilung eines Kontaktdrucks an der Fläche der Ringdichtung bewirken.
Die Verformung verringert die Haltbarkeit der Ringdichtung und kann
das Austreten von Fluiden über
die Fläche
hinweg verstärken.
Das Austreten führt
wiederum zu einem zusätzlichen
Leistungsbedarf von der Fluidversorgung, um die Verlustströmung zu kompensieren.
Schließlich
können
Kontaktbereiche mit höherem
Druck entlang der Ringdichtung die Reibung erhöhen, was zusätzliche
Leistung erfordert, um die Welle zu rotieren. Es besteht demgemäß auf dem
technischen Gebiet Bedarf an einer verbesserten Ringdichtung zwischen
zwei Komponenten, welche die Haltbarkeit der Ringdichtungsflächen erhöht, die
Reibung zwischen den Komponenten vermindert und eine Fluidströmung über die
Fläche
der Dichtung hinweg reduziert.
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Zusammenfassung
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Es
ist eine Ringdichtung vorgesehen, die einen ringförmigen Körper, der
eine erste Seitenfläche, ein
zweite Seitenfläche
gegenüber
der ersten Seitenfläche,
eine obere Fläche
und eine untere Fläche
gegenüber
der oberen Fläche
aufweist. Eine Beschichtung aus Siliciumoxidpartikeln ist zumindest
auf einer von der ersten Seitenfläche, der zweiten Seitenfläche, der
oberen Fläche
und der unteren Fläche
des ringförmigen
Körpers
angeordnet.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung
aus Siliciumoxidpartikeln Diatomeenerde.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Diatomeenerde
Diatomeen, die aus einer Gruppe gewählt sind, welche aus im Wesentlichen
scheibenförmigen
Diatomeen, im Wesentlichen pillenschachtelförmigen Diatomeen, im Wesentlichen
länglichen
Diatomeen und Kombinationen daraus besteht.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die
Diatomeenerde wärmebehandelte
Diatomeenerde.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung
aus Siliciumoxidpartikeln sowohl auf der ersten Seitenfläche als
auch der zweiten Seitenfläche
angeordnet.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung
aus Siliciumoxidpartikeln zumindest teilweise innerhalb des ringförmigen Körpers eingebettet.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der
ringförmige
Körper
zumindest eines von einem Polytetrafluorethylen, einem Polyetheretherketon
und einem Polymid.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der
ringförmige
Körper
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und die erste
Seitenfläche
und die zweite Seitenfläche
stehen parallel zueinander, und wobei die Beschichtung aus Siliciumoxidpartikeln
im Wesentlichen über
die gesamte von zumindest einer von der ersten Seitenfläche und
der zweiten Seitenfläche
hinweg angeordnet ist.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der
ringförmige
Körper
einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die obere
Fläche
eine äußere Umfangsfläche des ringförmigen Körpers ist,
die untere Fläche
eine innere Umfangsfläche
des ringförmigen
Körpers
ist, die erste Seitenfläche
zwischen der oberen Fläche
und der unteren Fläche
angeordnet ist, die zweite Seitenfläche zwischen der oberen Fläche und
der unteren Fläche
angeordnet ist und die erste Seitenfläche zu der zweiten Seitenfläche parallel
steht.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung
aus Siliciumoxidpartikeln auf einer von der ersten Seitenfläche und der
zweiten Seitenfläche
angeordnet, die einem niedrigeren Fluiddruck ausgesetzt ist.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die
Beschichtung aus Siliciumoxidpartikeln von etwa 5% bis etwa 50%
Siliciumoxidpartikel und von etwa 50% bis etwa 95% eines Polymer,
das aus der Gruppe gewählt
ist, welche aus einem Polytetrafluorethylen, einem Polyetheretherketon
und einem Polymid besteht.
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In
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gradient
in der Konzentration der Siliciumoxidpartikel vorhanden, wobei die Konzentration
auf der Oberfläche
hoch ist und die Konzentration der abnimmt, während die Tiefe in die Dichtung
hinein zunimmt.
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Weitere
Anwendbarkeitsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung
offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die Beschreibung
und die spezifischen Beispiele nur Illustrationszwecken dienen sollen
und den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken sollen.
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Zeichnungen
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Die
hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken
und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung in keiner
Weise einschränken.
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1 ist
eine Vorderansicht einer Ausführungsform
einer Ringdichtung gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
in der Richtung der Pfeile 2-2 der Ringdichtung von 1 gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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3A ist
eine Querschnittsansicht der Ringdichtung der vorliegenden Erfindung
in einer ersten Position zwischen zwei beispielhaften Komponenten;
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3B ist
eine Querschnittsansicht der Ringdichtung der vorliegenden Erfindung
in einer zweiten Position zwischen zwei beispielhaften Komponenten;
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4A ist
ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Ringdichtung
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung; und
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4B ist
ein Querschnitt einer noch weiteren Ausführungsform einer Ringdichtung
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
nachfolgende Beschreibug ist lediglich von beispielhafter Natur
und soll die vorliegende Offenlegung, die Anwendung oder die Verwendungen nicht
einschränken.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 ist eine
Ringdichtung 10 gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Ringdichtung 10 umfasst einen ringförmigen Körper 12. Der ringförmige Körper 12 ist
allgemein ringförmig
oder kreisförmig
mit einem rechteckigen Querschnitt. Es sollte jedoch einzusehen
sein, dass die Ringdichtung 12 andere Querschnittsformen
aufweisen kann wie z. B. einen quadratischen Querschnitt oder einen
unregelmäßigen Querschnitt,
ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der ringförmige Körper 12 ist
vorzugweise aus einem Polymer zusammengesetzt. Beispielhafte Polymere
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen Polytetrafluorethylene,
Polyetheretherketone und Polymide, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Weitere
geeignete Materialien zur Verwendung mit dem ringförmigen Körper 12 umfassen
glasfaserverstärkte Kunststoffe
und Metalle. Der ringförmige
Körper 12 umfasst
eine innere Fläche 14,
die sich entlang eines inneren Umfanges des ringförmigen Körpers 12 erstreckt,
und eine äußere Fläche 16,
die sich entlang eines äußeren Umfanges
des ringförmigen
Körpers 12 erstreckt.
Der ringförmige
Körper 12 umfasst
auch eine erste Seitenfläche 18 und
eine zweite Seitenfläche 20,
die gegenüber
der ersten Seitenfläche 18 angeordnet
ist.
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Die
Ringdichtung 10 umfasst ferner eine Beschichtung aus einem
reibungsverändernden
Material, welche allgemein durch die Bezugsziffer 22 bezeichnet
ist. In dem vorgesehenen Beispiel ist die Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 auf der ersten Seitenfläche 18 des ringförmigen Elements 12 und
auf der zweiten Seitenfläche 20 des ringförmigen Elements 12 angeordnet.
Demgemäß bildet
die Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material 22 eine
erste Oberfläche 24,
die die erste Seitenfläche 18 bedeckt,
und bildet eine zweite Oberfläche 26,
die die zweite Seitenfläche 20 bedeckt.
Alternative Stellen der Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 sind unten stehend beschrieben.
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Die
Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 besteht aus einer Zusammensetzung, welche Siliciumoxidpartikel
umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtung 22 aus
einer Zusammensetzung, die Diatomeenerde umfasst. Eine beispielhafte
Zusammensetzung von Diatomeenerde umfasst allgemein 86% Siliciumoxid,
5% Natrium, 3% Magnesium und 2% Eisen. Die Diatomeenerde besteht
aus versteinerten Überresten
von Diatomeen, einer Art von hartschaligen Algen. Die Diatomeenerde
kann aus Süßwasser- und/oder
Salzwasservarietäten
bestehen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielhafte Arten von Diatomeenerde, die mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
umfassen Tripolite, Bann-Ton
und Moler. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind die Diatomeen in der Diatomeenerde scheibenförmig oder
pillenschachtelförmig oder
länglich
oder nadelförmig,
um eine effektive Packung der Diatomeenerde auf der ersten und der zweiten
Fläche 18, 20 bereitzustellen.
Die Diatomeenerde weist bevorzugt eine hohe thermische Belastbarkeit
auf und ist bis 1.100 Grad Celsius stabil.
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Die
Diatomeenerde zeigt gute Reibungseigenschaften und eine gute Haltbarkeit.
Im Spezielleren gestattet die Mikrostruktur der Diatomeenerde einem
Fluid, dadurch zu strömen,
und größere reibungsverändernde
Moleküle
werden durch die Mikrostruktur zurückgehalten, wodurch die statische Reibung
vermindert ist. Die Haltbarkeit ist auf Grund der Fähigkeit
der Diatomeen erhöht,
eine Spülung der
Fläche
vorzusehen, die eine lokale Erwärmung und
Verkohlung der Fluide in Kontakt mit der Ringdichtung 10 verringert.
Beispielhafte Diatomeenerde, die mit der Zusammensetzung der vorliegenden
Erfindung geeignet ist, ist bei World Minerals unter den Bezeichnungen
CELITE® und
CELTIXTM erhältlich. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung aus Diatomeenerde
von etwa 5% bis etwa 50% siliciumoxidpartikel und von etwa 50% bis
etwa 95% eines Polymer, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einem Polytetrafluorethylen,
einem Polyetheretherketon und einem Polymid besteht. In einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Gradient in der Konzentration
der Siliciumoxidpartikel vorhanden, wobei die Konzentration auf
der Oberfläche
hoch ist, und die Konzentration abnimmt, während die Tiefe in die Dichtung
hinein zunimmt.
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Die
Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 kann auf den ringförmigen Körper 12 auf mehrere
Arten aufgebracht werden. Die Ringdichtung 10 kann durch
Formpressen gebildet werden, wobei eine Schicht aus Dichtungsmaterial mit
einem hohen Anteil an Diatomeenerde oder einem anderen reibungsverändernden
Material am Boden der Form angeordnet wird und die Form dann mit der
Zusammensetzung des ring förmigen
Körpers 12 gefüllt wird.
Ein weiteres Verfahren umfasst, dass die Diatomeenerde oder das
andere reibungsverändernde
Material erwärmt
wird und die erwärmte
Diatomeenerde mit heißer
Pressluft auf den ringförmigen
Körper 12 gestrahlt
wird, sodass die Diatomeenerdepartikel das Polymer des ringförmigen Körpers 12 örtlich schmelzen
und darin eingebettet werden. Ein weiteres Verfahren umfasst, dass
eine Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material auf das Werkzeug
einer Spritzgussmaschine gespritzt wird (in einer Weise ähnlich einem
Formtrennmittel, das auf dem technischen Gebiet verwendet wird)
und dann das Polymer des ringförmigen
Körpers 12 eingespritzt
wird. In einem noch weiteren Verfahren wird eine Beschichtung aus
dem reibungsverändernden Material
direkt auf die Fläche
oder Flächen
des gebildeten ringförmigen
Körpers 12 gespritzt.
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Die
Ringdichtung 10 umfasst optional eine stufenförmige Verbindungsstelle 28,
die sich durch die Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material 22 und
den ringförmigen
Körper 12 hindurch erstreckt.
Die stufenförmige
Verbindungsstelle 28 lässt
zu, dass sich die Ringdichtung 10 ausdehnt, um ihre Dichtungseigenschaften
beizubehalten.
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Wendet
man sich nun 3A zu, ist die Ringdichtung 10 in
Verwendung mit einer beispielhaften ersten Komponente 30 und
einer beispielhaften zweiten Komponente 32 veranschaulicht.
Die erste Komponente umfasst eine darin gebildete Nut 34.
Die Nut umfasst eine erste Wand 36, eine zweite Wand 38 gegenüber der
ersten Wand 36 und eine Basis 40, die sich zwischen
der ersten Wand 36 und der zweiten Wand 38 erstreckt.
Die Nut 34 besitzt eine Breite, die größer ist als die Breite der
Ringdichtung 10.
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Die
erste Komponente 30 und die zweite Komponente 32 sind
nahe nebeneinander positioniert. In dem speziellen vorgesehenen
Beispiel ist die erste Komponente 30 feststehend und die
zweite Komponente 32 ist in Bezug auf die erste Komponente 30 rotierbar.
Es sollte jedoch einzusehen sein, dass jede Komponente 30, 32 feststehend
sein kann und jede Komponente 30, 32, ob durch
Rotation oder translatorische Verschiebung relativ zueinander, bewegbar
sein kann.
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Die
Ringdichtung 10 ist zwischen der ersten Komponente 30 und
der zweiten Komponente 32 angeordnet, sodass sich der ringförmige Körper 12 zumindest
teilweise innerhalb der Nut 34 erstreckt. Die äußere Fläche 16 des
ringförmigen
Körpers 12 steht mit
der zweiten Komponente 32 in Kontakt. Dieser Kontakt zwischen
der äußeren Fläche 16 und
der zweiten Komponente 32 wirkt als eine Dichtung und schränkt das
Fluid ein, zwischen die äußere Fläche 16 und
die zweite Komponente 32 zu gelangen. Die äußere Fläche 16 ist
vorzugsweise glatt, um eine gewisse Rotation der zweiten Komponente 32 in
Bezug auf die Ringdichtung 10 zuzulassen.
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Die
Ringdichtung 10 ist zwischen einer ersten Position, die
in 3A veranschaulicht ist, und einer zweiten Position,
die in 3B veranschaulicht, bewegbar.
Im Speziellen wirkt auf jeder Seite der Ringdichtung 10 Druckfluid
(durch die Pfeile angezeigt) auf die Ringdichtung 10 ein.
Wenn zwischen dem Fluid auf jeder Seite der Ringdichtung 10 eine ausreichend
große
Druckdifferenz vorhanden ist, verlagert sich die Ringdichtung 10 innerhalb
der Nut 34 und tritt mit einer der Wände 36, 38 in
Kontakt, um das Fluid einzuschränken,
zwischen die Ringdichtung 10 und die erste Komponente 30 zu
gelangen.
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In
der in 3A gezeigten ersten Position steht
ein Fluiddruck (durch die Pfeile angezeigt) mit der Ringdichtung 10 in
Kontakt und übt
einen Fluiddruck auf die erste Fläche 24 aus. Die Fluiddruckkraft bewegt
die Ringdichtung 10 innerhalb der Nut 34, sodass
die zweite Fläche 26 der
Ring dichtung 10 mit der zweiten Wand 38 der Nut 34 in
Kontakt tritt. Dieser Kontakt wirkt wie eine Dichtung und schränkt das Fluid
ein, zwischen die die zweite Fläche 26 der
Ringdichtung 10 und die zweite Wand 38 der Nut 34 zu gelangen.
Die Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material 22 ist
wirksam, um eine Verformung der Ringdichtung 10 zu verhindern,
und reduziert lokale Reibungskräfte.
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In
der zweiten in 3B gezeigten Position steht
ein Fluiddruck (durch die Pfeile angezeigt) mit der Ringdichtung 10 in
Kontakt und übt
einen Fluiddruck auf die zweite Fläche 26 aus. Die Fluiddruckkraft
bewegt die Ringdichtung 10 innerhalb der Nut 34,
sodass die erste Fläche 24 der
Ringdichtung 10 mit der ersten Wand 36 der Nut 34 in
Kontakt tritt. Dieser Kontakt wirkt wie eine Dichtung und schränkt das
Fluid ein, zwischen die erste Oberfläche 24 der Ringdichtung 10 und
die erste Wand 36 der Nut 34 zu gelangen. Wiederum
ist die Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material 22 wirksam,
um eine Verformung der Ringdichtung 10 zu verhindern, und reduziert
lokale Reibungskräfte.
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Wendet
man sich nun 4A zu, ist eine weitere Ausführungsform
einer Ringdichtung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet.
Die Ringdichtung 100 ist der in den 1–3B gezeigten
Ringdichtung 10 ähnlich,
allerdings ist die Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 auf allen Flächen des ringförmigen Körpers 12 einschließlich der
unteren Fläche 14,
der oberen Fläche 16,
der ersten Seitenfläche 18 und
der zweiten Seitenfläche 20 angeordnet.
Andere Stellen für
die Beschichtung aus dem reibungsverändernden Material 22,
welche nicht speziell gezeigt sind, jedoch innerhalb des Schutzumfanges
der vorliegenden Erfindung liegen, umfassen ein teilweises oder
vollständiges
Beschichten einer oder einer Kombination aus zwei oder mehreren
der Flächen 14, 16, 18 und 20 des
ringförmigen
Körpers 12. In
der Ausführungsform,
in der nur eine Seitenfläche 18, 20 beschichtet
ist, ist die Seitenfläche 18, 20,
die beschichtet ist, vorzugsweise die Seitenfläche 18, 20,
welche zu der ersten Komponente 30 hin abdichtet.
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Wendet
man sich nun 4B zu, ist eine weitere Ausführungsform
einer Ringdichtung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung durch die Bezugsziffer 200 bezeichnet.
Die Ringdichtung 200 ist der in den 1–3B gezeigten
Ringdichtung 10 ähnlich,
allerdings umfasst die Ringdichtung 200 eine Diatomeenerde 202,
die erwärmt
wurde und in der zweiten Seitenfläche 20 des ringförmigen Körpers 12 eingebettet
ist. Es sollte einzusehen sein, dass die erwärmte Diatomeenerde 202 auf
jede Kombination der Flächen 14, 16, 18 und 20 des
ringförmigen
Körpers 12 angewendet
werden kann, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Die
Beschichtung aus dem reibungsverändernden
Material 22 auf dem ringförmigen Körper 12 vergrößert die
Dicke der Fluidschicht zwischen der Ringdichtung 10 und
den Komponenten 30 und 32. Dies wiederum senkt
die Betriebstemperatur und die Reibung im Vergleich mit Dichtungen
nach dem Stand der Technik. Die verbesserten Wärmewirkungen wie auch die erhöhte Flächenhärte haben
eine geringere Verformung der Ringdichtung 10 zur Folge, wodurch
die Dichtungsfunktion der Ringdichtung 10 verbessert ist.
Die erhöhte
Flächenhärte erhöht auch die
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
jeglichen Verschleißpartikeln,
die in dem Fluid infolge des Einbettens in die Ringdichtung 10 vorhanden
sein können.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur
und Abwandlungen, die nicht von dem Wesentlichen der Erfindung abweichen,
sollen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Solche
Ab wandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.