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Die Erfindung betrifft eine Durchführung zur Aufnahme eines ersten Maschinenelements mit einer Dichtungseinrichtung, die für statische Dichtungen, aber auch für Drehdurchführungen, wie sie beispielsweise in Vakuumprozessanlagen zum Einsatz kommen, verwendbar ist. Derartige Dichtungseinrichtungen sind beispielsweise in
DE 10 2009 014 214 A1 beschrieben.
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In
DE 34 13 527 A1 wird eine Dichtungseinrichtung für eine Heckschraubenwelle beschrieben, welche aus mehreren Dichtelementen besteht und mit einer Druckmitteleinspeisung in den Dichtteil versehen ist. Dort wird vorgeschlagen durch Einleiten eines Druckmittels einerseits die Abdichtwirkung zu erhöhen und andererseits den Verschleiß herabzusetzen.
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Drehdurchführungen werden benötigt, um rotierende Teile, wie z. B. Wellen, durch Gehäusewände und ähnliches hindurchzuführen, wenn das antreibende Maschinenelement, beispielsweise eine Antriebseinrichtung, auf der einen Seite der Gehäusewand angeordnet ist und das anzutreibende Maschinenelement, beispielsweise ein rotierendes Target, auf der anderen Seite der Gehäusewand angeordnet ist. Statische Durchführungen dienen hingegen der Durchführung unbeweglicher Teile durch Gehäusewände.
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Wenn zwischen den beiden Seiten der Gehäusewand eine Druckdifferenz aufrechterhalten werden muss (z. B. atmosphärischer Druck auf der einen Seite, Hochvakuum auf der anderen Seite) oder/und die Atmosphären auf beiden Seiten der Gehäusewand unterschiedlich zusammengesetzt sind (z. B. Luft auf der einen Seite, Inertgas auf der anderen Seite), dann ist es erforderlich, die Durchführung so zu gestalten, dass ein ungewollter Druckausgleich bzw. ein Gasaustausch zwischen beiden Seiten der Gehäusewand, die durch Leckagen der Durchführung verursacht werden, verhindert werden.
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Statische oder Drehdurchführungen für Vakuumanlagen können beispielsweise zwei hintereinander wirkende Dichtungen aufweisen, wobei eine Dichtung so angeordnet ist, dass sie zur Atmosphäre oder zum Vakuum hin dichtet und die andere Dichtung so angeordnet ist, dass sie zum Vakuum oder zur Prozessatmosphäre oder zu einem anderen Medium, beispielsweise einem Kühlmedium hin dichtet. Zwischen diesen beiden Dichtungen kann beispielsweise mit einem Sperrmedium, d. h. einem Sperrgas oder einer Sperrflüssigkeit, eine vollständige Trennung der Medien erreicht werden. Alternativ kann mit einem zwischen beiden Dichtungen erzeugten Zwischenvakuum eine Trennung von Atmosphäre und Prozessraum erreicht werden.
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Durchführungen, die die Aufgabe haben, unverträgliche Medien voneinander sicher zu trennen, werden im Allgemeinen zwei- oder mehrstufig ausgeführt. Um schädlichen Verschleiß der Dichtungen vorzeitig zu erkennen, wird dabei oft mit Leckage-Überwachungen gearbeitet. In einigen Ausführungen werden elektronische Verschleißmarken eingesetzt, welche den Verschleißgrad erkennen. Bei anderen Lösungen wird die Leckage mittels Sensor zwischen den Dichtlippen quantitativ gemessen.
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Ohne Verschleißerkennung wird bei anderen Lösungen mit aktiven Sperrmedien gearbeitet, die keinen der beiden zu trennenden Medien schadet. Bekannt ist auch, dass einige Lösungen bei Kühlwasserdichtungen mit Ausblasen der Leckage ein Austrocknen des Zwischenraums erreichen. Das Ausblasen hat zum Teil zur Folge, dass durch die Leckage z. B. Kühlwasser auch an die andere Dichtlippe gelangen kann. Bei Undichtheit der Dichtlippe wird das zweite Medium verunreinigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachem Aufbau der Durchführung die Leckagegefahr der medienseitigen Dichtlippe zeitig zu erkennen und möglichst zu verhindern, dass die zweite Dichtlippe mit Leckage des ersten Mediums benetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, dass die Durchführung mit zwei Dichtlippen versehen ist, die sich beide in dieselbe Richtung zu dem abzudichtenden Kühlmitteldruck hin erstrecken. Der Zwischenraum zwischen den beiden Dichtlippen ist in zwei Kammern unterteilt, welche über einen gemeinsamen Ringspalt miteinander verbunden sind. Ein Spülmedium treibt über den Ringspalt eintragende Leckage durch Bohrungen zur Leckagekontrolle.
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Ein Ringspalt im Sinne der Erfindung ist ein das erste Maschinenelement eng umschließender Bereich, der groß genug ist, um Kollisionen der Dichtungseinrichtung mit dem ersten Maschinenelement zu verhindern, aber gleichzeitig weit genug ist, um für ein Spülmedium wie Wasser oder Luft durchlässig zu sein. Demgegenüber weisen die durch den Ringspalt getrennten, das erste Maschinenelement ebenfalls umschließenden Kammern einen deutlich größeren Durchmesser auf, um ein wählbares Volumen des Spülmediums aufnehmen zu können.
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Es wird daher eine Durchführung zur Aufnahme eines ersten Maschinenelements vorgeschlagen, deren Außenseite an einem zweiten Maschinenelement anbringbar ist, und die eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung eines Kühlmitteldrucks gegenüber der Atmosphäre umfasst, die eine erste Dichtlippe und eine in der Axialrichtung des ersten Maschinenelements mit einem Abstand zur ersten Dichtlippe angeordnete zweite Dichtlippe aufweist, deren Innenseiten zur Bildung einer dichtenden Wirkverbindung mit dem ersten Maschinenelement ausgebildet sind, wobei der Zwischenraum zwischen der ersten Dichtlippe und der zweiten Dichtlippe in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist, welche über einen Ringspalt zwischen dem ersten Maschinenelement und der Dichtungseinrichtung miteinander verbunden sind, und wobei die erste Kammer einen Eingang für ein Spülmedium aufweist und die zweite Kammer einen ersten Ausgang zur Ableitung oder Absaugung des Spülmediums sowie eventueller Leckagen aufweist, wobei die erste Dichtlippe und die zweite Dichtlippe sich in dieselbe Richtung zu dem Kühlmitteldruck hin erstrecken.
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Die Dichtlippen können beispielsweise an einem als Drehteil ausgeführten Grundkörper angebracht sein, dessen Außenseite an einem zweiten Maschinenelement, beispielsweise einem Gerätegehäuse oder einer Vakuumkammerwand, angebracht werden kann, beispielsweise indem der Grundkörper daran angeflanscht oder in eine dafür vorgesehene Bohrung oder andere Öffnung eingesetzt und darin fixiert wird, wofür an der Außenseite des Grundkörpers weitere Dichtelemente vorgesehen sein können. Der Grundkörper kann weiterhin so gestaltet sein, dass er an seiner Innenseite eine umlaufende Rippe aufweist, die im Zusammenwirken mit dem ersten Maschinenelement den Ringspalt bildet.
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In einer Weiterbildung ist ein in der Axialrichtung des ersten Maschinenelements mit einem Abstand zur ersten Dichtlippe angeordnetes zusätzliches Dichtelement angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen der ersten Dichtlippe und dem zusätzlichen Dichtelement einen Ausgang zur Ableitung oder Absaugung des Spülmediums sowie eventueller Leckagen aufweist. Diese dritte Kammer mit der zugehörigen Absaugung verbessert die Dichtwirkung der Dichtungseinrichtung nochmals erheblich.
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Der Eingang für das Spülmedium oder/und der erste Ausgang oder/und der zweite Ausgang zur Ableitung oder Absaugung können jeweils von außen nach innen durch die Dichtungseinrichtung hindurch in die erste Kammer geführt sein. Diese Ausgestaltung kann insbesondere für rotierende erste Maschinenelemente günstig sein, um die Zu- und Abfuhr der Medien zu vereinfachen.
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Der Eingang für das Spülmedium oder/und der erste Ausgang oder/und der zweite Ausgang zur Ableitung oder Absaugung können aber auch jeweils von innen nach außen durch das erste Maschinenelement hindurch in die erste Kammer geführt sein. Diese Ausgestaltung kann insbesondere für rotierende erste Maschinenelemente günstig sein, wenn die Zu- und Abfuhr der Medien von der Vakuumseite her erfolgen soll, oder für stehende erste Maschinenelemente.
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Die vorgeschlagene Durchführung eignet sich beispielsweise für eine mit Kühlmitteldruck belastete Drehdurchführung, welche mit zwei Rotationsdichtungen einen an Atmosphäre befindlichen Raum vor Leckage schützen soll.
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Eine weitere Ausgestaltung kann beinhalten, dass der Druck des Spülmediums ständig überwacht wird, um einen Ausfall der ersten Dichtlippe zu erkennen. Hierzu kann die Dichtungseinrichtung mit einer Überwachungseinrichtung in Wirkverbindung stehen.
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Eine weitere Ausgestaltung kann auch beinhalten, dass der Druck des Spülmediums proportional zum Druck des Kühlmittels gehalten wird, um ein optimales Dichtungsverhalten der zweiten Dichtlippe zu erreichen. Hierzu kann die Dichtungseinrichtung mit einer Steuerungseinrichtung in Wirkverbindung stehen.
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Da das Dichtungsprinzip hauptsächlich von der Trennung zweier unverträglicher Medien ausgeht, ist die Anwendung an einer Vakuumkammer mit anderen Anwendungen nicht gleichzusetzen. Hier muss beachtet werden, dass vor der Vakuumdichtung eine zusätzliche Absaugung – wie oben beschrieben – sinnvoll sein kann, um erhöhten Vakuumanforderungen gerecht zu werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel;
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 weist die Dichtungseinrichtung einen separaten Grundkörper 4 auf, der durch äußere Dichtelemente 7 gegen das zweite Maschinenelement 3 abgedichtet ist.
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An diesem Grundkörper 4 sind eine erste Dichtlippe 14 und eine zweite Dichtlippe 15 angeordnet, die eine dichtende Verbindung mit dem ersten Maschinenelement 1, einer Welle, herstellen. Die erste Dichtlippe 14 trennt das Spülmedium 19 (z. B. trockene Druckluft) von Atmosphäre 20. Die zweite Dichtlippe 15 trennt das Kühlmittel 17 von dem Spülmedium 19.
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Der Grundkörper 4 weist eine umlaufende Rippe 5 auf, die einen geringfügig größeren Innendurchmesser hat als der Außendurchmesser der Welle 1, so dass ein Ringspalt 6 gebildet wird. Der Ringspalt 6 ist zweckmäßigerweise am Umfang der Welle 1 angeordnet, jedoch sind auch andere Anordnungen des Ringspalts 6 möglich, wie nachfolgend bei der Beschreibung der einzelnen Figuren noch näher ausgeführt wird. Beispielsweise kann an der Welle 1 ein umlaufender Absatz 2 größeren Durchmessers angeordnet sein, der mit dem Grundkörper 4 oder einer umlaufenden Rippe 5 des Grundkörpers 4 einen Ringspalt 6 bildet, oder eine umlaufende Rippe 5 des Grundkörpers 4 greift in eine umlaufende Nut der Welle 1 ein. Im letzteren Fall kann der Grundkörper 4 beispielsweise zweigeteilt sein, um die Montage und Demontage zu ermöglichen.
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Die Dichtungseinrichtung kann beispielsweise mit äußeren Dichtelementen 7 (O-Ringen) statisch im zweiten Maschinenelement 3, das beispielsweise ein Gehäuse sein kann, gedichtet sein.
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Das mit Druck anliegende Kühlmittel 17 erzeugt an der zweiten Dichtlippe 15 eine unvermeidbare Kühlmittelleckage 18. Am Eingang 11 für das Spülmedium 19 wird trockene Druckluft eingeblasen, mit einem Druck unterhalb des Druckes des Kühlmittels 17, um die zweite Dichtlippe 15 nicht anzuheben. Die trockene Druckluft 19 strömt in Bohrungen, welche gleichmäßig am Umfang verteilt sein können, in die erste Kammer 8 zwischen erster Dichtlippe 14 und Ringspalt 6. Durch den schmalen Ringspalt 6 strömende trockene Druckluft 19 verhindert das Vordringen von Kühlmittelleckage 18 zur atmosphärenseitigen ersten Dichtlippe 14. Die trockene Druckluft 19 strömt durch den Ringspalt 6 aus der ersten Kammer 8 in die zweite Kammer 9. Der Ringspalt 6 ist sehr schmal gehalten, damit die trockene Druckluft 19 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erhält.
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Bedingt durch die starke Strömung der trockenen Luft 19 wird Leckage des Kühlmittels 18 sofort aus dem Ringspalt 6 heraus über Bohrungen zum ersten Ausgang 12 an die Leckagekontrolle transportiert. Außerhalb der gezeigten Drehdurchführung erfolgt die quantitative Beurteilung der Leckage nach bekannten Methoden. Bei den Medien Kühlwasser 18 und trockene Luft 19 erfolgt die Messung und Auswertung der Luftfeuchte.
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Prinzipiell kann diese Lösung für alle Kombinationen verwendet werden, bei denen sich Spülmedium 19 und Kühlmittel 18 mischen dürfen und das Spülmittel 19 zur Atmosphärenseite 20 unkritisch ist. Bei der Verwendung von brennbaren Kühlmitteln 18 ist die Verwendung von Stickstoff oder sauerstoffreduzierter Luft als Spülmittel 19 denkbar.
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Die Figuren zeigen verschiedene Ausgestaltungen der beschriebenen Dichtungseinrichtung.
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1: Ein erstes Maschinenelement 1 (Welle) ist in einer Dichtungseinrichtung drehbar gelagert, welche einen Grundkörper 4 umfasst und ihrerseits in einem zweiten Maschinenelement 3 (Gehäuse) angeordnet ist. Die Dichtungseinrichtung umfasst einen Grundkörper 4 (Ring), welcher zwei Dichtlippen 14, 15 aufweist. Diese Dichtlippen 14, 15 stehen im Kontakt mit der Oberfläche des ersten Maschinenelements 1. Von der Innenseite des Gehäuses 3 her liegt Kühlmittel 17 unter Druck an der zweiten Dichtlippe 15 an. Von der Außenseite des Gehäuses 3 her liegt Atmosphärendruck 20 an der ersten Dichtlippe 14 an.
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Durch das Gehäuse 3 hindurch führen Bohrungen zu dem Ring 4, die als Eingang 11 für ein Spülmedium 19 und als erster Ausgang 12 zum Ableiten des Spülmediums 19 dienen. Diese Bohrungen münden an weiteren Bohrungen, die im Ring 4 angebracht sind und die dazu dienen, das Spülmedium 19 in eine erste Kammer 8 zu leiten bzw. eventuelle Leckagen des Kühlmittels 18 aus der zweiten Kammer 9 abzuleiten. Die Bohrungen im Ring 4 verlaufen radial und sind über den Umfang des Rings 4 verteilt. An der Außenseite des Rings 4 verlaufen umlaufende Kanäle, die das Spülmedium 19 von der Bohrung im Gehäuse 3 auf die radialen Bohrungen des Rings 4 verteilt (Eingang) bzw. Spülmedium 19 und Leckage 18 aus den radialen Bohrungen des Rings 4 sammelt und in die Bohrung des Gehäuses 3 leitet (Ausgang).
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Die erste Kammer 8 und die zweite Kammer 9 sind durch einen Ringspalt 6 miteinander verbunden, durch den das Spülmedium 19 von der ersten Kammer 8 in die zweite Kammer 9 gelangt, wodurch gleichzeitig das Eindringen von Leckage 18 aus der zweiten Kammer 9 in die erste Kammer 8 verhindert wird.
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2: Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 1 dadurch, dass der Eingang 11 für das Spülmedium 19 nicht durch das zweite Maschinenelement 3 (Gehäuse) und den Grundkörper 4 (Ring) in die erste Kammer 8 geleitet wird, sondern dass dieser Eingang 11 durch Bohrungen im ersten Maschinenteil 1 (Welle) realisiert ist. Eine axial verlaufende Bohrung führt das Spülmedium 19 in den Bereich der ersten Kammer 8. Von dieser axialen Bohrung gehen mehrere über den Umfang der Welle 1 verteilte Bohrungen in radialer Richtung aus und münden an der Oberfläche der Welle 1 im Bereich der ersten Kammer 8.
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3: Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 2 dadurch, dass die Welle 1 im Bereich der Dichtungseinrichtung einen Absatz 2 aufweist und daher die Dichtlippen 14, 15 einen unterschiedlichen Innendurchmesser aufweisen. Durch den Absatz 2 wird ein Eindringen von Kühlmittelleckage aus der zweiten Kammer 9 in die erste Kammer 8 nochmals erschwert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Maschinenelement
- 2
- umlaufender Absatz
- 3
- zweites Maschinenelement
- 4
- Grundkörper
- 5
- umlaufende Rippe
- 6
- Ringspalt
- 7
- äußeres Dichtelement
- 8
- erste Kammer
- 9
- zweite Kammer
- 10
- dritte Kammer
- 11
- Eingang
- 12
- erster Ausgang
- 13
- zweiter Ausgang
- 14
- erste Dichtlippe
- 15
- zweite Dichtlippe
- 16
- zusätzliches Dichtelement
- 17
- Kühlmitteldruck
- 18
- Kühlmittelleckage
- 19
- Spülmedium
- 20
- Atmosphäre
