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Die Erfindung betrifft einen Dichtring mit Membranventil - insbesondere einen atmungsaktiven semi-permeablen Dichtring für die Belüftung von Hohlräumen, wie z.B. Gehäusen.
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Zunehmender Einsatz von Elektronik in der Installationstechnik, bei Maschinen und Anlagen, in der Automobiltechnik, in der Verkehrstechnik, generell, in nahezu allen Lebensbereichen, vornehmlich dort, wo Elektronik-Produkte über kurze Zeit starken klimatischen Schwankungen ausgesetzt sind, bestehen besondere technische Anforderungen an die ‚Verpackung‘ der elektronischen Module, Komponenten und Bauteile. Elektrische Baugruppen werden nach genormten Schutzarten klassifiziert; die Schutzarten erfassen nur die Parameter Nässe und Staub. Die Gasdichtigkeit der Gehäuse ist bisher nicht Gegenstand von Entwicklungen, ist nicht klassifiziert und ist auch nicht gegeben; es findet Gasaustausch zwischen dem Gehäuseinnen- und -außenraum über Rahmendichtungen und Kabeldurchführungen statt.
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Für die folgende Betrachtung ist es wichtig zwischen Nässe und Feuchte zu differenzieren. Mit Nässe wird Wasser im flüssigen Aggregatzustand definiert, über Feuchte wird bei Vorhandensein von Wasserdampf gesprochen, also Wasser in gasförmigem Zustand. Gehäuse höherer Schutzart sind flüssigkeitsdicht, jedoch nicht gasdicht. Die Umgebungsluft hat immer einen Anteil von Wasserdampf; dieser Anteil variiert stark zwischen den Klimazonen der Erde und ist u.a. abhängig von der Lufttemperatur und dem Luftdruck und wird als Luftfeuchte in % gemessen. Der Punkt 100%-iger Luftfeuchte wird als Taupunkt bezeichnet. Kühlt sich Luft bei 1 bar von 20 °C (14,9 g Wassergehalt) auf 8 °C (6,75 g Wassergehalt) ab, werden 8,15 g Wasser pro kg trockener Luft ausgeschieden. Im MOLLIERschen h-x-Diagramm wird der Wassergehalt der Luft in Abhängigkeit von ihrer Temperatur und relativen Luftfeuchte abgelesen.
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Wasserdampf-Luft-Gemisch gelangt in das Gehäuse, wenn im Gehäuse ein Unterdruck herrscht. Druckunterschiede sind bei flüssigkeits- aber nicht gasdichten Gehäusen die Folge von Temperaturschwankungen, z.B. Tag-Nacht-Wechsel, Abkühlung durch Regen, Ausschalten eines Leuchtmittels/einer Heizung, etc. Mit fallender Umgebungstemperatur sinkt auch die Temperatur im Innern des Gehäuses, sinkt demzufolge auch der Innendruck - bei konstantem Atmosphärendruck. Auf Grund dessen setzt die Strömung eines Wasserdampf-Luft-Gemischs von außen ins Gehäuseinnere ein. Sinkt die Innentemperatur bis zur Taulinie - Linie aller Taupunkte - bildet sich im Innern Kondenswasser. Kondenswasser enthält keine Salze, hat eine sehr geringe Oberflächenspannung und dringt in feinste Poren. Mit neuerlicher Erwärmung der Innenluft steigt die Temperatur und damit der Innendruck - bei konstantem Außendruck - und es erfolgt eine Wasserdampf-Luft-Gemisch-Strömung von innen nach außen. Das Kondenswasser bleibt im wesentlichen im Gehäuseinnem, denn seine Verdunstung setzt erst ein, wenn längst Innen-/Außen-Temperaturausgleich herrscht und somit Druckausgleich (Zur Erwärmung von Wasser wird die 125-fache Energiemenge benötigt, als für die Erwärmung von Luft). Der Zyklus wiederholt sich bei der nächsten Luftabkühlung mit erneutem Wasserdampf-Luft-Gemisch-Transport von außen nach innen und Kondensation im Gehäuseinnern. Durch die zeitverzögert einsetzende, nicht abgeschlossene Verdunstung des Kondenswassers bei Innenluft-Erwärmung, sammelt sich das Kondenswasser und führt zu Schäden an Gehäuse und/oder Elektronik.
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Damit in ein Gehäuse kein Wasserdampf gelangen soll, muß die Druckdifferenz zwischen Atmosphärendruck und Gehäuse-Innendruck stets vermieden und/oder ein Temperaturausgleich geschaffen werden. Durch eine mikroporöse flüssigkeitsdichte atmungsaktive semi-permeable Membran wird das Gehäuse gegenüber der Atmosphäre ‚bedingt geöffnet‘.
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Diese Membranen werden derzeit als Druckausgleichselemente (DAE) von verschiedenen Herstellern angeboten. Diese werden als separates Bauteil mit Einschraubgewinden und/oder Kontermuttern versehen ausgeliefert und bilden eine zusätzliche Undichtigkeitsstelle für Nässe und Staub. Darüber hinaus mangelt es an Einbauvorschriften bezüglich des auszugleichenden Druckvolumens und damit an der Sicherstellung einzuhaltender genormter Schutzart-Klassen.
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Weiterhin werden mit Membranen versehene Kabeldurchführungen (‚Atmende‘ Kabelverschraubungen) aus Edelstahl, Stahl und Messing in den Größen M12 ... M63 (entsprechende Pg- oder branchenabhängige Maße) angeboten, deren Herstellung aufwendig ist, die jedoch auf einzuhaltende Schutzartklassen (bis 69K) konfektioniert sind. Die Funktion des Gehäusedruckausgleichs mit der Kabelführung zu kombinieren ist sinnvoll - jedoch branchenbezogen - da Elektroschalt- und Elektronik-Gehäuse stets einen Kabel- und/oder Leitungsanschluß aufweisen.
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Im folgenden wird der Stand der Technik von Dichtringen mit Membranventil - insbesondere von atmungsaktiven semi-permeablen Dichtringen für die Belüftung von Hohlräumen - wie z.B. Gehäusen - gewürdigt; gemäß dem Stand der Technik sind, je nach Anwendungsbezug, eine Vielzahl von Typen von Dichtringen mit Membranventil - insbesondere von atmungsaktiven semi-permeablen Dichtringen für die Belüftung von Hohlräumen im Einsatz.
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Die deutsche Patentschrift
DE 198 40 761 C1 / europäische Patentanmeldung
EP 986 290 A2 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines feuchtigkeitsundurchlässigen Druckausgleichselements für ein eine elektronische Baugruppe aufnehmendes feuchtigkeitsdichtes Gehäuse vor, in dem in die Gehäusewand mittels eines Lasers wenigstens eine mikrofeine Bohrung eingebracht wird. Durch Laserbohren können mikrofeine Öffnungen in die Gehäusewand eingebracht werden, deren Durchmesser ungefähr die Maschendichte der bisher verwendeten Webstoffe erreicht und damit das Eindringen von Wassertropfen verhindert; ein Druckausgleich durch diese mikrofeinen Öffnungen ist jedoch möglich.
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Das Gebrauchsmuster
DE 89 11 042 U1 europäische Patentanmeldung
EP 417 344 A1 stellt einen Membranträger mit Sicherungsring vor, der als Halter für die an diesem vormontierten ebenen Membran ausgebildet und randseitig mit zumindest einer umlaufenden elastischen Dichtlippe versehen ist, durch welche der Sicherungsring mit der vormontierten Membran nach dem Einstecken in die Gehäuseöffnung in dieser wasserdicht verkrallbar ist.
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Eine ebene Membran als Druckausgleichselement in einer Steckerleiste wird auch vorgestellt in der Veröffentlichung - deutsche Patentschrift
DE 41 40 487 A1 /europäische Anmeldung
EP 616 736 A1 .
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Das Gebrauchsmuster
DE 91 07 992 U1 /europäische Anmeldung
EP 522 183 A1 EP 522 183 stellt ein in einer Gehäusewand randseitig wasserdicht gehaltenes Druckausgleichselement vor, welches in einem kugelkalottenförmigen Membranträger gehalten wird, wobei der Träger durch einen O-Ring als Dichtteil vormontiert ist.
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Gewölbt angeordnete Membranelemente werden auch vorgestellt in den Veröffentlichungen
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Das Gebrauchsmuster
DE 91 15 939 U1 stellt eine Schaltgeräteaufnahme und einen Deckel für ein Druckausgleichselement vor, die eine Aufnahmeöffnung aufweist, die durch eine Membran aus porösem, luftdurchlässigem und wasserabweisendem Material besteht.
Die Aufnahmeöffnung ist von einem außen am Gehäuse angeordneten, von einem Deckel stirnseitig abgedeckten Stutzen umgeben.
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Die deutsche Patentschrift
DE 100 57 912 B4 präsentiert eine belüftete elektrische Steckverbindung mit einem Stecker und einer Steckeraufnahme, deren Innenraum über eine flache Membran mit der Umgebung verbunden ist und die Membran im wesentlichen für Luft durchlässig und für Wasser undurchlässig ist, und daß die Membran in einem Druckausgleichselement mit einem Gehäuse und einem durchgehenden Kanal vorgesehen ist, wobei der Kanal durch die Membran versperrt ist und wobei das Gehäuse des Druckausgleichselements mittels einer Abdichtung in eine Öffnung des Steckers eingefügt ist, welche den Innenraum gegenüber der Umgebung wasserundurchlässig abdichtet.
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Die Abdichtung des Druckausgleichselements ist mittels einer Dichtung vorgesehen, welche das Gehäuse des Druckausgleichselements umgibt. Weitere Ausführungsformen betreffen
- - ein mittels eines Sacklochs aufgebohrtes hohlzylinderförmiges Gehäuse mit Lüftungsöffnungen am Boden, welches durch eine Membran verschlossen wird
- - ein ebenso gestaltetes geteiltes Gehäuse mit Lüftungsöffnungen, wobei eine Membran die geteilten Gehäuseteile verbindet
- - ein ebenso gestaltetes hohlzylinderförmiges Gehäuse, in das entgegen der Kanalrichtung eine semi-permeable Membran eingespritzt ist.
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Die deutsche Anmeldung
DE 20 2004 001 139 U1 stellt ein einfaches Druckausgleichselement für den Einbau in ein Gehäuse vor, bestehend aus Grundteil und Deckelteil, wobei in dem Druckausgleichselement mindestens ein Gasaustauschkanal vorgesehen ist, in dem ein Filterelement als ebene Membran aus mikroporösem Polytetra-fluorethylen (PTFE) angeordnet ist. Das Decketeil weist mindestens einen Oberflächenabschnitt auf, der an mindestens einem Halteabschnitt des Grundteils anliegt und bereichsweise dichtend miteinander verbunden sind.
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Der Grundkörper ist mit einem Außengewinde für den Wandeinbau und einem Sechskant für die Montage versehen; in axialer Richtung zwischen Sechskant und Gewinde ist ein dichtender O-Ring vorgesehen.
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Die Gebrauchsmuster
DE 20 2006 020 493 U1 und
DE 20 2006 020 494 U1 / europäische Anmeldung
EP 1 879 438 A1 und
EP 1 879 439 A1 sehen ein mehrstückiges Druckausgleichselement für den Verschluß eines Zugangs zu einem separaten Gehäuse vor, mit einem Aufnahmeteil, in dem eine ebene semi-permeable Membran angeordnet ist, und einem Schlagschutzelement, das das Aufnahmeteil und die Membran vor mechanischen Auswirkungen von außen schützt. Darüber hinaus zeichnen sich beide Offenbarungen durch ein eindringenden Schmutz abweisendes Labyrinthsystem aus, wobei die aufgestellten Schikanen den Gaskanal bis zu 180° umlenken.
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Das Druckausgleichselement ist zum Einbau in eine Kabelverschraubung an Stelle des Kabels vorgesehen, daher weist das Aufnahmeteil zur Fixierung außen umlaufende Vorsprünge in Höhe einer Kabelverschraubungsdichtung auf.
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Die Offenlegung
DE 10 2006 062 044 A1 /europäische Anmeldung
EP 2 069 663 A1 / internationale Anmeldung
WO 2008/037 528 A1 behandelt ein Druckausgleichselement - insbesondere zum Druckausgleich eines Innenraums eines Elektrik-, Motor- oder Getriebegehäuses oder eines Behälters - welches in der Wandung des Gehäuses eingebracht ist und eine druckausgleichende Membran umfaßt, wobei das Druckausgleichselement ferner eine zylinderförmige Struktur mit einem sich durch diese hindurch erstreckenden Ventilationskanal umfaßt, wobei sich die zylinderförmige Struktur in Richtung zur Außenseite hin erstreckt, um eine Erhöhung aus der Wandung des Gehäuses zu bilden, und diese durch eine ringförmige Endfläche begrenzt ist, auf der die Membran in einer gewölbten, kalottenartigen Gestalt aufgebracht ist. Das Druckausgleichselement umfaßt einen Schutzdeckel, der sich in Richtung der Außenseite beabstandet zur Membran über der zylinderförmigen Struktur erstreckt.
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Die deutsche Offenlegung
DE 10 2007 012 703 A1 europäische Anmeldung
EP 2 127 509 A2 /internationale Anmeldung
W02008/ 077 667 A2 offenbart ein Druckausgleichselement für ein Gehäuse und eine Kraftfahrzeug-Elektrokomponente mit einem solchen Druckausgleichselement derart, daß an einen Entlüftungsdom anbringbares Druckausgleichselement ein topfförmiges Abdeckungselement mit einer Bodenfläche und einer Wandung, einen in das Abdeckungselement eingesetzten Adapter, der eine durchgehende Bohrung aufweist, deren Öffnung von einer Flachmembran abgedeckt ist, sowie einen Luftdurchlaß umfaßt, der zwischen der Innenwand des Abdeckungselements und der Außenwand des Adapters sowie zwischen der Bodenfläche des Abdeckungselements und der Bohrung des Adapters ausgebildet ist. Die Membran - und der Luftkanal insgesamt - ist über das Abdeckungselement geschützt; dieses hat ein Labyrinthsystem, welches eine Luftab-/-zufuhr, Schutz vor spitzen Gegenständen, Schutz vor Staub bzw. Verschmutzung und Wasserablauf unabhängig von der Einbaulage gewährleistet.
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Die Offenlegung
DE 10 2007 050 921 A1 betrifft ein Druckausgleichselement zum Einbau in eine Gehäusewand, bestehend aus einem Grundteil und einem auf dem Grundteil angeordneten und in diesen einrastenden Deckelteil. In dem Druckausgleichselement ist mindestens ein Gasaustauschkanal vorgesehen, in dem eine gasdurchlässige flache Membran angeordnet ist. Der Grundteil weist auf seiner dem Deckelteil zugewandten Seite einen den Gasaustauschkanal umgebenden Ringsteg auf. Die Membran wird auf die Stirnseite des Ringstegs aufgelegt, ein äußerer Rand der Membran wird durch ein auf den Ringsteg gesetztes Sicherungselement an einer Außenseite des Ringstegs in eine vom Deckelteil abgewandte Richtung gezogen und in der gleichen Richtung zwischen dem Ringsteg und dem Sicherungselement eingespannt.
Das Druckausgleichselement ist mehrstückig aufwendig aufgebaut. Die Membran ist ein sehr filigrane dünne PTFE-Scheibe, welche an ihren Rändern umgelenkt und unter Druck verspannt wird; eine Oberflächenbeschädigung ist mindestens an der Randzone nicht auszuschließen.
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Die deutsche Offenlegung
DE 10 2008 001 588 A1 / /internationale Anmeldung
WO 2009/ 135 717 A1 beschreibt ein Druckausgleichselement mit einer Druckausgleichsmembran, mit Rastarmen zum Festlegen an einem Gehäuse und mit einer Ringdichtung zum Abdichten des Druckausgleichselements gegenüber dem Gehäuse. Die Ringdichtung ist axial benachbart - vorzugsweise mit Axialabstand - zu den Rastarmen angeordnet.
Die Ringdichtung zum Abdichten eines Umfangsspalts zwischen dem Druckausgleichselement und einer Gehäuseöffnung wird nicht mehr unmittelbar radial angrenzend an die Rastarme, sondern axial benachbart, vorzugsweise mit Axialabstand, zu den Rastarmen angeordnet.
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Andere Membranbauformen werden in den folgenden Veröffentlichungen vorgestellt in Form einer Druckausgleichsverschraubung kleinen Bauvolumens und großer Membranfläche
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Die Integration der Druckausgleichsfunktion in Verschraubungen und Steckverbindern mit Membranventil wird in den Veröffentlichungen vorgestellt
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Die deutsche Offenlegung
DE 38 15 642 A1 offenbart ein Druckausgleichselement für ein elektrisches Schaltgerät mit einem semi-permeablen, sowohl mit dem Innenraum des Schaltgeräts als auch mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Formteils, welches unabhängig von der Einbaulage einen Druckausgleich sicherstellt. Auf das Element auftreffendes Wasser läuft von der luftdurchlässigen Oberfläche ab, die Teil eines einstückig ausgebildeten, einseitig abgeschlossenen Rohransatzes ist. Durch einen konischen Ansatz wird das Element druck- und wasserdicht in der Gehäusewand gehalten; alternativ ist der Halt durch ein auf der Außenwand des Rohransatzes vorgesehenes Gewinde gegeben.
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Vorgesehen ist ein poröser Werkstoff wie Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einer Durchflußrate von ca. 0,06 I / (s × cm2).
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Die deutsche Veröffentlichung
DE 41 01 516 C1 /europäische Anmeldung
EP 496 941 A1 präsentiert ein Druckausgleichselement für ein wasserdichtes Gehäuse bestehend aus einem eigenfesten Formteil aus zusammengesinterten Partikeln aus Polytetrafluorethylen (PTFE), welches unlösbar und wasserdicht mit einem eine Dichtfläche aufweisenden Dichtelement aus einem elastischen Werkstoff verbunden ist, und umschließt das Formteil im Bereich seines Außenumfangs.
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Zwei nach außen weisende Zentriernocken helfen bei der Herstellung des Druckausgleichselements hinsichtlich einer genaueren räumlichen Festlegung des Formteils in Bezug auf das Dichtelement.
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Alle vorgestellten Veröffentlichungen eignen sich nur bedingt oder gar nicht für den spezifischen Einsatz als Dichtring mit Membranventil - insbesondere nicht als atmungsaktiver semi-permeabler Dichtring für die Belüftung von Hohlräumen, wie z.B. Gehäusen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Dichtring mit Membranventil - insbesondere einen atmungsaktiven semi-permeablen Dichtring für die Belüftung von Hohlräumen, wie z.B. Gehäusen, zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug. Ziel ist der Aufbau eines Dichtrings mit Membranventil - insbesondere eines atmungsaktiven semi-permeablen Dichtrings für die Belüftung von Hohlräumen, wie z.B. Gehäusen, der sich in seinen Abmessungen nur unwesentlich von den Dichtringen herkömmlicher Bauart unterscheidet und auch ersatzbeschafft alternativ - jedoch mit erweiterter Funktionalität - bestückt werden kann.
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Daher wird vorgeschlagen, den erfindungsgemäßen Dichtring geometrisch als O-Ring, Ring mit kreisförmigem Querschnitt oder Torus zu gestalten und in Schichten aufzubauen, wobei die obere und untere Schicht dichten und die mittlere Schicht semi-permeabel durchlässig gestaltet sind.
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Die obere und untere Schicht bilden zusammen einen Torus und hälftig je eine räumliche, im Querschnitt halbkreisförmige Fläche aus elastomerem Dichtmaterial - gemäß eines konventionellen mittig geschnittenen Dicht-O-Rings und werden auch je als oberer und unterer Dichtring oder Dichtebene bezeichnet. Diese Flächen bilden auch in der Applikation die spannungsaufnehmenden Druckflächen und stellen die Dichtheit zwischen Innen- und Außenraum her.
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Die mittlere Schicht besteht aus einer oberen Stützebene, einer (mittleren) Membranebene mit dem Membranzylinder sowie einer weiteren unteren Stützebene. Die Stützebenen sollen trotz Druckbelastung auf den Ring zum Zwecke des Dichtens, keine Druckkräfte auf die Membranebene zulassen. Um dieses zu erreichen, bestehen die Stützebenen aus Stützringen, deren Aufbau wie folgt beschrieben werden kann.
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Der Stützring besteht aus einem Flachzylinder, dessen Breite der Breite des oberen bzw. unteren Dichtrings entspricht; die flache Oberseite des oberen Stützrings ist einstückig fest mit der flachen Unterseite des oberen Dichtrings verbunden, so wie die Unterseite des unteren Stützrings einstückig fest mit der Oberseite des unteren Dichtrings verbunden ist.
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Der Stützring besteht neben dem harten Flachzylinder aus je dem Dichtring abgewandten ebenen Fläche im Abstand halbseitig aufgebrachten radial ausgerichteten Stützelementen, wie z.B. Hohlzylindersegment, deren radialer Abstand voneinander je eine Gaskanalbreite multipliziert mit deren Höhe - der Gaskanalhöhe - je eine Gaskanal-Querschnitts- oder -Ein-/-Austrittsfläche in radialer Richtung bilden. Die Summe aller Stützelementbreiten addiert mit allen Kanalbreiten ergibt im wesentlichen den Außenumfang des Torus. Die gewählte Geometrie der Stützelemente ist beispielhaft zu sehen.
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Die Tiefe der aufgebrachten Stützelemente ist im wesentlichen bestimmt durch die Breite des Flachmaterials, wobei zweimal die Stützelementtiefe plus die Membrandicke der Breite entspricht, d.h. daß die Stützelemente des oberen Stützrings gemäß ihrer Tiefe zum Innenrand hin ausgerichtet und die Stützelemente des unteren Stützrings gemäß des Außenrands ausgerichtet sind, so daß sich neben Kanälen in radialer Richtung - Gaskanäle - ein Kanal in axialer Richtung zwischen den Stützelementen bildet, der die Membrane aufnimmt, dessen Breite der Membrandicke und dessen Höhe der Membranbreite entspricht, wobei die Membranlänge sich aus dem mittleren Umfang dieses Kanals berechnet.
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Die Stützelemente bilden in der Tiefe je einen radialen Überstand über die Breite des Flachzylinders des Stützrings. Die Tiefe dieses Überstands bildet an der Dichtring-Innenseite einen dritten Kanal für den Gas-Ein-/-Austritt in axialer Richtung, ebenso wie die Tiefe des Überstands an der Dichtring-Außenseite einen vierten Kanal für den Gas-Ein-/-Austritt in axialer Richtung bildet. Je nach Anwendungsbezug des Dichtrings als Außen- oder Innenring wirkt der Kanal an der Dichtring-Innen- oder der Kanal an der Dichtring-Außenseite als Gaskanal.
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Der Aufbau der in den Membrankanal eingebrachten Membran richtet sich neben der Geometrie nach den für die Herstellung der Membran eingesetzten Materialien. Je nach Verwendungszweck und Wirkweise sind die Membranwerkstoffe in ihren Eigenschaften auszuwählen, wie Porenzahl, Porengröße, Durchgangszahl, hydrophob, oleophob, Schichtung, etc.
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In einer weiteren Ausprägungsform werden die beiden Stützringe so angeordnet, daß die Stützelemente je Ring einen radialen Versatz gegeneinander bilden, verändert sich die Gaskanalbreite und damit der Gaskanalquerschnitt und somit das durchströmende Gaskanalvolumen; der gegenseitige Versatz der Stützelemente hat Ventilcharakter bezogen auf das durchströmende Volumen.
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Zum Schutz vor übermäßiger Verschmutzung des Gaskanals durch das Medium, verhindert ein siebartiger Schmutzfänger in Form eines Überzugs - einer weiteren Ausgestaltung - ein Verstopfen des Gaskanals. Der Überzug kann aus einem Drahtflechtwerk hergestellt sein, welches unter Federspannung stehend über die semi-permeabel durchlässig gestaltete Mittelschicht gestülpt wird. Statt des siebartigen Überzugs - oder zusätzlich - kann die Filtereigenschaft auch durch Filter aus Vliesstoffen ergänzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird für die Dichtringe und die Membran der gleiche Werkstoff verwendet; der semi-permeable Werkstoff dichtet im gepressten Zustand und bildet einen Gaskanal im Normalzustand. Die Herstellung dieses Dichtrings kann im Zwei-Komponenten-Verfahren (2K-Verfahren) vorteilhaft durch Umspritzen erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung der erfinderischen Neuheit bilden die beiden bekannten Stützringe einen Aufnahmekörper für das Umspritzen desselben mit einem ebenfalls semi-permeabel durchlässig gestalteten Material nach einem bekannten Zwei-Komponenten (2K)-Verfahren, wobei der obere und der untere Dichtring sowie die Membran nach diesem Verfahren eingebracht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die semi-permeable Mittelschicht aus einem porösen gesinterten Material in Form eines Hohlzylinders besteht und damit ein stabiles Filterelement als Mittelschicht darstellt, welches ebenfalls mittels eines Kunststoff-Spritzverfahrens seine endgültige geometrische Form als Torus durch Aufbringen der elastomeren oberen und unteren dichten Schicht erhält, die auch mechanisch belastet werden können ohne den spröden porösen Sinterbaustein zu beschädigen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein bekanntes Dichtelement dahingehend um eine Druckausgleichs- und/oder eine Filterfunktion ertüchtigt wird, unter weitgehender Beibehaltung seiner geometrischen Eigenschaften und unter Verwendung bekannter Verarbeitungsrichtlinien und daß eine Austauschbarkeit bekannter Dicht-O-Ringe gegen O-Ringe mit erweiterter Funktionalität gegeben ist.
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Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen weiter verdeutlicht. Es zeigen
- 1 Dichtring mit Membranventil, Perspektive, von oben
- 2 Dichtring mit Membranventil, Explosionszeichnung, von oben
- 3 Dichtring mit Membranventil, Zusammenbau
- 4 Dichtring mit Membranventil, Wirkweise
- 5 Dichtring mit Membranventil
- a) Gegenüberstehende Stützelemente
- b) Stützelemente mit radialem Versatz
- 6 Dichtring mit Membranventil und Schmutzfanggitter
- 7 Dichtring mit Membranventil, Dichtring- und Membranwerkstoff
- 8 Dichtring mit Membranventil, 3K/2K-Verfahren-Umspritzung
- 9 Dichtring mit Membranventil, Membran als Sinterbaustein.
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Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterung der Figuren.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist der Dichtring mit Membranventil 1 geometrisch als O-Ring, Ring mit kreisförmigem Querschnitt oder Torus gestaltet und in Schichten aufgebaut, wobei die obere und untere Schicht 2 , 4 dichten und die mittlere Schicht 3 semi-permeabel durchlässig gestaltet ist.
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Die obere und untere Schicht bilden zusammen einen Torus und hälftig je eine räumliche, im Querschnitt halbkreisförmige Fläche aus elastomerem Dichtmaterial - gemäß eines konventionellen mittig geschnittenen Dicht-O-Rings und werden auch je als oberer 2 und unterer 4 Dichtring oder Dichtebene bezeichnet. Diese Flächen bilden auch in der Applikation die spannungsaufnehmenden Druckflächen und stellen die Dichtheit zwischen Innen- und Außenraum her.
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2 zeigt den Dichtring mit Membranventil 1 als Explosionszeichnung in einer Ansicht von oben. Die mittlere Schicht 3 besteht aus einer oberen Stützebene 31 , einer (mittleren) Membranebene 32 mit dem Membranzylinder 321 sowie einer weiteren unteren Stützebene 33 . Die Stützebenen sollen trotz Druckbelastung auf den Ring zum Zwecke des Dichtens, keine Druckkräfte auf den Membranzylinder zulassen. Um dieses zu erreichen, bestehen die Stützebenen 31 , 33 aus Stützringen, deren Aufbau wie folgt beschrieben werden kann.
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Der Stützring besteht aus einem Flachzylinder 311 , dessen Breite der Breite des oberen bzw. unteren Dichtrings entspricht; die flache Oberseite des oberen Stützrings 31 ist einstückig fest mit der flachen Unterseite des oberen Dichtrings 2 verbunden, so wie die Unterseite des unteren Stützrings 33 einstückig fest mit der Oberseite des unteren Dichtrings 4 verbunden ist.
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Der Stützring besteht neben dem harten Flachzylinder 311 , 331 aus je dem Dichtring abgewandten ebenen Fläche im Abstand halbseitig aufgebrachten radial ausgerichteten Stützelementen 312 , 332 , wie z.B. Hohlzylindersegment.
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3 zeigt in räumlicher Darstellung den Dicht-O-Ring 1 als Zusammenbau von Dichtring 2, 4, Stützring 31 , 33 , Flachzylinder 311 , 331 , Stützelement 312 , 332 und Membranzylinder 321 . Der radiale Abstand der Stützelemente voneinander bilden je eine Gaskanalbreite BK multipliziert mit deren Höhe - der Gaskanalhöhe HK = HM = HS - je eine Gaskanal-Querschnitts- oder -Ein-/-Austrittsfläche in radialer Richtung bilden. Die Summe aller Stützelementbreiten Bs addiert mit allen Kanalbreiten BK ergibt im wesentlichen den Außenumfang des Torus. Die gewählte Geometrie der Stützelemente ist beispielhaft zu sehen.
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Die Tiefe der aufgebrachten Stützelemente Ts ist im wesentlichen bestimmt durch die Breite des Flachzylinders BF , wobei zweimal die Stützelementtiefe plus die Membrandicke der Breite entspricht 2 × TS + BM = BF + (2 × TÜ), d.h. daß die Stützelemente 312 des oberen Stützrings 31 bezogen auf ihre Tiefe sind zum Innenrand hin ausgerichtet und die Stützelemente 332 des unteren Stützrings 33 zum Außenrand ausgerichtet, so daß sich neben Kanälen in radialer Richtung - Gaskanäle BK × HK - ein Kanal BM × HM in axialer Richtung zwischen den Stützelementen bildet, der den Membranzylinder 321 aufnimmt, dessen Breite der Membrandicke BM und dessen Höhe der Membranhöhe HK = HM = Hs entspricht, wobei die Membranlänge LM sich aus dem mittleren Umfang dieses Kanals berechnet.
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Die Stützelemente bilden in der Tiefe Ts je einen radialen Überstand Tü über die Breite BF des Flachzylinders des Stützrings. Die Tiefe dieses Überstands bildet an der Dichtring-Innenseite einen dritten Kanal Tü × BK × HK für den Gas-Ein-/ Austritt in axialer Richtung, ebenso wie die Tiefe des Überstands an der Dichtring-Außenseite einen vierten Kanal TÜ × BK × HK für den Gas-Ein-/-Austritt in axialer Richtung bildet. Je nach Anwendungsbezug des Dichtrings als Außen- oder Innenring wirkt der dritte Kanal an der Dichtring-Innen- oder der vierte Kanal an der Dichtring-Außenseite als Gaskanal.
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In 4 wird die Wirkweise des Dicht-O-Rings mit Membranventil 1 am Beispiel einer Verschraubung oder Durchführung 5 an der Gehäusewand 6 zwischen Außenraum 7 und Gehäuse-Innenraum 8 dargestellt. Beispielhaft ist hier der Dichtring als Außenring eingesetzt, der dritte Kanal an der Dichtring-Innenseite wirkt als Gaskanal; die Pfeile geben einen momentanen Gas-Strömungsverlauf an. Der Innenraum 8 ist gegenüber dem Außenraum 7 durch die Gehäusewand 6 und den unteren Dichtring 4 sowie die Verschraubung oder Durchführung 5 und den oberen Dichtring 2 flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
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Der Aufbau des in den Membrankanal BM × HM eingebrachten Membranzylinders 321 richtet sich neben der Geometrie und den Abmessungen nach den für die Herstellung der Membran eingesetzten Materialien. Je nach Applikation, Verwendungszweck und/oder Wirkweise sind die Membranwerkstoffe in ihren Eigenschaften auszuwählen, wie Porenzahl, Porengröße, Durchgangszahl, hydrophob, oleophob, Schichtung, etc.
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5 zeigt den Dichtring mit Membranventil unter a) mit sich gegenüberstehenden Stützelementen - d.h. es gibt keinen radialen Versatz Δx zwischen dem oberen Stützelement 312 und dem unteren Stützelement 332 - und b) Stützelemente mit axialem Versatz Δx untereinander. Werden die beiden Stützringe 31 , 33 so angeordnet, daß die Stützelemente 312 , 332 je Ring einen Versatz Δx gegeneinander bilden, verändert sich die Gaskanalbreite und damit der Gaskanalquerschnitt BK × HK und somit das durchströmende Gaskanalvolumen; der gegenseitige Versatz der Stützelemente hat Ventilcharakter bezogen auf das durchströmende Volumen. Die Einstellbarkeit des Gaskanalvolumens bzw. des Versatzes ist variabel oder fest vorgegeben dadurch möglich, da die Anordnung 1 über den oberen 2 und unteren Dichtring 4 nach der Einstellung gedichtet wird.
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In 6 wird der Dichtring mit Membranventil 1 um ein Schmutzfanggitter 9 ergänzt. Zum Schutz vor übermäßiger Verschmutzung des Gaskanals BK × HK durch das Medium, verhindert ein siebartiger Schmutzfänger 9 in Form eines Überzugs - einer weiteren Ausgestaltung - ein Verstopfen des Gaskanals. Der Überzug kann aus einem Drahtflechtwerk 91 hergestellt sein, welches unter Federspannung 92 stehend über die semi-permeabel durchlässig gestaltete Mittelschicht 3 gestülpt wird. Statt des siebartigen Überzugs - oder zusätzlich - kann die verfeinerte Filtereigenschaft auch durch Filter aus Vliesstoffen 93 ergänzt werden.
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7 zeigt den Dichtring mit Membranventil 1 mit gleichem Dichtring- und Membranwerkstoff. In einer weiteren Ausgestaltung wird für die Dichtringe 2, 4 und die Membran 321 der gleiche Werkstoff eingesetzt; der semi-permeable Werkstoff dichtet im gepressten Zustand und bildet einen Gaskanal im druck-/spannungslosen Zustand, der in der mittleren Ebene 3 durch die Stützelemente 312, 332 sichergestellt ist. Die Herstellung dieses Dichtrings 1 kann im Zwei-Komponenten (2K)-Verfahren vorteilhaft durch Umspritzen erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zeigt 8 den Dichtring mit Membranventil 1 , hergestellt durch eine Drei-/Zwei-Komponenten (3K12K)-Verfahren-Umspritzung. Gemäß dieser weiteren Ausprägung der erfinderischen Neuheit bilden die beiden bekannten Stützringe 31 , 33 einen Aufnahmekörper für das Umspritzen desselben mit einem ebenfalls semi-permeabel durchlässig gestalteten Material 10 nach einem bekannten Drei-Komponenten (3K)-Verfahren, wobei der obere 2 und der untere Dichtring 4 sowie die Membran 32 nach diesem Verfahren eingebracht werden. Wird für den oberen 2 und den unteren Dichtring 4 sowie die Membran 32 der gleiche Werkstoff eingesetzt, reduziert sich die Umspritzung auf ein Zwei-Komponenten (2K)-Verfahren.
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9 zeigt den Dichtring mit Membranventil 1 mit einer Membran 3 in Form eines hohlzylinderförmigen Sinterbausteins 34. Diese weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die semi-permeable Mittelschicht 3 aus einem porösen gesinterten Material in Form eines Hohlzylinders besteht und damit ein stabiles Filter- und Trennelement 34 als Mittelschicht darstellt, welches ebenfalls mittels eines Kunststoff-Spritzverfahrens in seine endgültige geometrische Form als Torus 1 durch Aufbringen der elastomeren oberen 2 und unteren dichten Schicht 4 überführt wird, die auch mechanisch belastet werden können ohne den spröden porösen Sinterbaustein 34 auf übermäßige Spannungen zu beanspruchen, und welches als Element für den Druckausgleich (DAE) funktioniert.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dicht-O-Ring mit Membranventil
- 2
- Oberer Dichtring, obere Dichtebene
- 3
- Mittlere Schicht, mittlere Ebene
- 31
- Oberer Stützring
- 311
- Flachzylinder, oben
- 312
- Stützelement, oben
- 32
- Membranebene, mittlere
- 321
- Membranzylinder
- 33
- Unterer Stützring
- 331
- Flachzylinder, unten
- 332
- Stützelement, unten
- 34
- Sinter-/Filterbaustein, porös
- 4
- Unterer Dichtring, untere Dichtebene
- 5
- Verschraubung, Durchführung
- 6
- Gehäusewand
- 7
- Außenraum
- 8
- Innenraum
- 9
- Schmutzfänger
- 91
- Federelement, dehnbar
- 92
- Elementführung
- 93
- Filtervlies (nicht dargestellt)
- 10
- Dichtmaterial, semi-permeabel
- BF
- Breite Flachzylinder
- BK
- Breite Kanal
- BM
- Breite Membran
- BS
- Breite Stützelement
- HK
- Höhe Kanal
- HM
- Höhe Membran
- HS
- Höhe Stützelement
- LM
- Länge Membran
- TS
- Tiefe Stützelement
- TÜ
- Tiefe Überstand
- Δx
- Länge Versatz
