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Die Erfindung betrifft einen Dichtmechanismus und ein Dichtverfahren zur Abdichtung eines mit hohem Innendruck beaufschlagbaren Innenraumes.
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Insbesondere bei HPLC-Verfahren (High Performance Liquid Chromatography), in denen mit sehr hohen Drücken gearbeitet wird, werden hohe Anforderungen an die Dichtungen gestellt. Dazu gehören zum Beispiel Pumpen, bei denen Drücke von über 100 MPa auftreten. Zwar wird im Stand der Technik versucht, durch möglichst enge Fertigungstoleranz eine gute Abdichtung zu unterstützten, die auftretenden hohen Drücke lassen jedoch bisher keine befriedigenden Lösungen zu. Bekannt sind Ausführungsformen, bei denen ringförmige Dichtelemente in axialer Richtung vorgespannt werden, um eine gewünschte Dichtwirkung zu erzielen. Der im Betrieb auftretende erhöhte Innendruck führt jedoch dazu, dass die gegeneinander abgedichteten Komponenten auseinandergedrückt werden, so dass auch der in die Dichtung eingebrachte Vorspanndruck und damit die Dichtwirkung nachlässt. Entsprechend muss der Vorspanndruck vorher ausreichend hoch über dem zu erwartenden Betriebsdruck eingestellt werden.
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Häufig werden auch Elemente zum Reinigen oder Mischen von Flüssigkeiten innerhalb von solchen Hochdrucksystemen eingesetzt. Sie müssen auswechselbar sein, so dass eine gute Abdichtung der sie aufnehmenden und voneinander lösbaren Komponenten erforderlich ist. Gleichzeitig muss der Filter bzw. Mischer innerhalb des Systems auch so abgedichtet sein, dass kein Medium an ihm vorbei-, sondern ausschließlich durch ihn hindurchströmen kann. Dabei weisen die in der HPLC-Technik eingesetzten Filter bzw. Mischer häufig Fertigungstoleranzen auf, die bei der Abdichtung zu berücksichtigen. So sind etwa gesinterte metallische Fritten bekannt, die eine spezielle Porosität und Porenweite aufweisen. Sie können scheibenförmig sein mit einem Durchmesser bis in den Zentimeterbereich und einer Dicke von einigen Millimetern.
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Die
DE 38 28 692 A1 betrifft eine Anordnung zum Abdichten einer hin- und herbewegten Stange gegenüber einem die Stange mit geringem Abstand umgebenden Gehäuseteil, insbesondere für Stoßdämpfer.
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Die
DE 20 2011 100 330 U1 betrifft eine Anordnung zum Abdichten zweier lösbar miteinander verbundener Dichtungspartner, wobei die Dichtungspartner je eine aufeinander zuweisende Nut zur Aufnahme eines Dichtungselements aufweisen, wobei jede Nut mindestens eine schräge Nutwand besitzt, die mit je einer entsprechenden Schräge am Dichtungselement zusammenwirkt, wobei die den schrägen Nutwänden gegenüberliegenden Nutwände normal zu aufeinander zuweisende Flächen der Dichtungspartner wie einer Flanschauflage bzw. Deckelauflage stehen und wobei das Dichtungselement entsprechend an die normal angeordneten Nutwände gepasste normal angeordnete Dichtungsflächen aufweist.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zum Abdichten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzubieten, um auch bei sehr hohen Betriebsdrücken eine zuverlässige Abdichtung auf einfache Art erreichen zu können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Dichtmechanismus nach Anspruch 10.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die in ein Dichtelement eingebrachte Vorspannung möglichst auch dann aufrecht erhalten bleiben sollte, wenn der Innendruck zunimmt, um die Dichtwirkung unverändert sicherstellen zu können. Dies geschieht erfindungsgemäß durch Verwendung eines Spannringes, der radial an das Dichtelement angrenzt und sich in Abhängigkeit des Innendrucks radial aufweitet oder zusammenzieht. Das radial zum Spannring angeordnete Dichtelement erfährt dadurch eine vom Innendruck abhängige Druckbeaufschlagung durch den Spannring, die ein Absinken der Vorspannkraft aufgrund erhöhten Innendrucks kompensiert. Damit kann die Dichtwirkung des Dichtelements auch bei ansteigendem Innendruck beibehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Abdichten eines mit hohem Innendruck beaufschlagbaren Innenraumes, wobei der Innenraum im Wesentlichen von einem Gehäuse und einem mit dem Gehäuse verbindbaren Andruckteil gebildet wird und sich etwa rotationssymmetrisch um eine gedachte Ache Z erstreckt. Insbesondere kann es sich um eine Kammer in einer HPLC-Komponente handeln, die zur Aufnahme einer scheibenförmigen Fritte vorgesehen ist. Das Andruckteil ist mit dem Gehäuse verbindbar (insbesondere durch einen Verschraubmechanismus), wodurch zwischen Andruckteil und Gehäuse der Innenraum ausgebildet wird. In einen Sitz am Gehäuse oder am Andruckteil kann ein vorzugsweise ringförmiges Dichtelement konzentrisch zur Z-Achse eingelegt werden, welches beim Verbinden bzw. Verschrauben des Gehäuses mit dem Andruckteil mit einer Vorspannung beaufschlagt wird. Die Vorspannung wird erfindungsgemäß so hoch gewählt, dass sich das Dichtelement dabei verformt.
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Vorzugsweise radial innenseitig sowie konzentrisch zum Dichtelement und eng an dieses anliegend ist der erfindungsgemäße Spannring vorgesehen, der in radialer Richtung eine gewisse Elastizität aufweist und beispielsweise aus einem titanhaltigen Material gebildet sein kann. Das Dichtelement wird von Gehäuse, Andruckteil und Spannring möglichst eng und vollständig umschlossen. Beim Eindrücken des Andruckteils in das Gehäuse wird das Dichtelement in axialer Richtung mit einer Vorspannung beaufschlagt, die zur Verformung des Dichtelements in radialer Richtung führt. Dadurch wird der Spannring auf seiner Außenseite so stark beaufschlagt, dass er um ein Maß in radialer Richtung zur Z-Achse hin zusammengedrückt wird und dabei eine aus seiner Verformung resultierende Spannkraft aufnimmt. Nach dieser Montage, bei der im Innenraum vorzugsweise noch Umgebungsdruck herrscht, ist das Dichtelement zwischen Gehäuse, Andruckteil und Spannring dann so stark vorgespannt, dass in seinem Inneren ein Druck vorherrscht, der wesentlich über dem zu erwartenden Betriebsdruck im Innenraum liegt und der den an das Dichtelement radial innen angrenzenden Spannring entsprechend seiner Elastizitätseigenschaften radial zusammendrückt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Spannrings eine Fritte zum Filtern oder Mischen eines durch den Innenraum hindurchleitbaren Mediums eingesetzt ist.
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Wird der Innenraum anschließend mit dem Betriebsdruck beaufschlagt, so treibt dieser das Gehäuse und das Andruckteil, je nach Materialeigenschaften und Fertigungstoleranzen, um ein Maß in axialer Richtung auseinander. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten, vorwiegend in axialer Richtung wirkenden Dichtungen führt dies zur Undichtigkeit, wenn das herkömmliche Dichtelement alleine diese axiale Bewegung nicht auszugleichen vermag. Der erfindungsgemäße Spannring dagegen, der durch den eingebrachten Betriebsdruck innenseitig beaufschlagt wird und sich dadurch wieder um ein Maß radial aufweitet, übt nun zusätzlichen Druck auf das an seinen Umfang radial angrenzende Dichtelement aus, welches sich diesem Druck folgend in radialer Richtung verformt, sich dabei dem veränderten Sitz-Querschnitt bestmöglich anpasst und seine Dichtwirkung unverändert aufrecht erhält.
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Die Dichtwirkung stellt sich dann besonders gut ein, wenn das Dichtelement bei seiner Beaufschlagung im Sitz mit der Vorspannkraft so stark beaufschlagt wird, dass es plastisch fließt. Für ein beispielsweise aus PEEK ausgeführter Dichtring wäre ein Druck von >300MPa zweckmäßig. Durch das plastische Fließen kann der Dichtring, dessen Sitz zwischen Gehäuse, Andruckteil und Spannring durch enge Toleranzen und sehr kleine Spalte begrenzt ist, diese Spalte gut belegen und sicher abdichten. Das Dichtelement behält diese plastischen Eigenschaften auch und gerade dann bei, wenn der Innenraum mit Betriebsdruck beaufschlagt wird, so dass seine aus der Verformbarkeit resultierenden Dichteigenschaften zu jeder Zeit aufrechterhalten bleiben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird über den durch das beaufschlagte Dichtelement radial nach innen verformten Spannring eine innerhalb des Spannrings angeordnete, vorzugsweise scheibenförmige Fritte eingespannt. Sie kann vorzugsweise bleibend plastisch verformt (im Durchmesser reduziert) und jedenfalls so vom Spannring gehalten, dass eine Leckströmung zwischen Fritte und Spannring sicher ausgeschlossen ist. Die bei Erhöhung des Innendrucks auftretende radiale Aufweitung des Spannrings ist dabei zu gering, als dass sich die Fritte innerhalb des Spannrings dabei lösen könnte.
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Die zugelassene Verformung der Fritte bei der Montage des Dichtmechanismus bringt einen weiteren Vorteil mit sich, der die Montage als solche erleichtert. Die fertigungsbedingten Toleranzen des Dichtringes, des Spannrings und der sich ergebenden Dichtspalte bringen das Erfordernis mit sich, die für die Montage vorgesehenen Vorspannkräfte von Toleranzen unabhängig sicher und wiederholbar zu erreichen. Dazu wird der in dem Gehäuse einsetzende Spannring als Anschlag für das Andruckteil verwendet, welches bei der Montage also stets soweit in das Gehäuse eingedrückt wird, bis es in axialer Richtung an dem Spannring anliegt. Gleichzeitig wird mit der Einschubbewegung des Andruckteils auch das radial außerhalb des Spannrings angeordnete Dichtelement durch das Andruckteil beaufschlagt, gegebenenfalls durch einen speziell in den Sitz hineinragenden Vorsprung am Andruckteil. Die Geometrie des Spannrings, des Dichtelements sowie des Gehäuses und des Andruckteils ist dabei so gewählt, dass in dem Moment, in dem das Andruckteil beim Einschieben bzw. Einschrauben bis zur Anlage an den Spannring gelangt, das Dichtelement bereits mit einer so hohen Vorspannkraft beaufschlagt ist, dass es den Spannring in radialer Richtung nach innen verformend beaufschlagt.
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Die innerhalb des Spannrings gehaltene Fritte, die aufgrund von Fertigungstoleranzen variierende Außendurchmesser haben kann, wird dabei so stark in radialer Richtung mit Druck beaufschlagt, dass sie sich durch plastische Verformung dem Innendurchmesser des Spannrings anpasst. Einer später unter Betriebsdruck zu erwartenden radialen Aufweitung des Spannrings kann die Fritte durch rein elastische Verformung folgen und bleibt somit in allen Betriebszuständen fest im Spannring eingeklemmt.
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Aufgrund der plastischen Verformbarkeit der Fritte wird auf diese Weise ein Toleranzausgleich beim erstmaligen Zusammenschrauben der Anordnung erreicht. Die Fritte wird dabei soweit plastisch verformt, dass das Andruckteil unabhängig von den Toleranzen stets auf dem Spannring aufliegt, der sich seinerseits am Gehäuse abstützt. Anders als im Stand der Technik, bei dem die in ein Dichtelement einzubringende Vorspannkraft häufig nach Gefühl eingestellt werden muss, bietet der Spannring als definierter Anschlag für das Andruckteil eine einfache Montagehilfe, mit der eine mit Toleranzen behaftete Fritte in jedem Fall sicher in dem vorgespannten Spannring gehalten wird, der durch betriebsbedingte Aufweitung zugleich das Dichtelement zur fortwährenden sicheren Abdichtung beaufschlagen kann.
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Das vorbeschriebene Prinzip der Abdichtung mit Hilfe eines radial arbeitenden Spannringes lässt sich für unterschiedlichste Abdichtungsaufgaben einsetzen. Insbesondere für die HPLC-Technik, bei der sehr hohe Drücke auftreten, ist dieses Prinzip den aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Dichtverfahren mit überwiegend axial wirkenden Dichtelementen überlegen. Zu beachten ist dabei, dass die Anordnung des Dichtelements radial außerhalb des Spannrings zwar eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, zur Verwirklichung des erfinderischen Grundgedankens jedoch nicht zwingend vorliegen muss. Stattdessen wäre es grundsätzlich auch denkbar, den durch das Dichtelement sich radial verformenden Spannring außerhalb des Dichtelements, also dieses umlaufend, anzuordnen. Dies ist beispielsweise dann gut möglich, wenn Fritten als steife Platten, zum Beispiel aus Keramik, eingesetzt werden sollen.
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In dieser Variante wirkt der Spannring als das Dichtelement umlaufendes und radial nach innen beaufschlagendes Element. Das bei der Montage zunächst axial belastete Dichtelement übt dann sowohl nach innen auf die unmittelbar angrenzende Fritte als auch nach außen auf den Spannring eine radiale Spannkraft aus. Diese führt zur festen Einspannung der Fritte innerhalb des Dichtelements und zur Aufweitung des Spannringes. Dabei verändert sich der Querschnitt des Dichtelements geringfügig, wobei es das Volumen ausfüllt, welches durch die Aufweitung des Spannringes freigegeben wird. Die Dichtspalte sind dabei entsprechend so zu bemessen, dass ein Übertritt des plastisch fließenden Dichtelements nur in dafür vorgesehene Bereiche möglich ist. Bei anschließend erhöhtem Innendruck, bei dem sich das Andruckteil in axialer Richtung geringfügig vom Gehäuse abhebt, nimmt das Dichtelement das Volumen des dabei entstehenden Spalts ein. Der Spannring liefert dabei unter Reduzierung seines Durchmessers eine Gegenkraft von außen gegen das Dichtelement, welches sich der neu entstehenden Form seines Sitzes plastisch fließend anpasst und daher seine abdichtende Funktion selbst dann beibehält, wenn das Andruckteil sich geringfügig vom Gehäuse in axialer Richtung abhebt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung soll nachfolgend anhand eines Figurenbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Dichtmechanismus,
- 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer Fritte mit Spannring und Dichtelement, und
- 3 einen Dichtmechanismus mit Spannring, der das Dichtelement umläuft.
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1 zeigt ein Verbindungsteil aus der HPLC-Technik, welches die Aufnahme einer austauschbaren Fritte 6 ermöglicht und für Betriebsdrücke von mehr als 100 MPa ausgelegt ist. Der dargestellte Dichtmechanismus 10 umfasst ein Gehäuse 2, welches im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse Z ausgebildet ist. Entlang der Z-Achse lässt sich ein Andruckteil 3 durch ein offenes Ende des Gehäuses 2 in dieses einschieben. Ein Einschraubstück 12, welches das Andruckteil 3 rückseitig beaufschlagt, lässt sich dazu in Z-Richtung längs eines Gewindes in das Gehäuse 2 einschrauben, wodurch das Andruckteil 3 in das Gehäuse 2 (in 1 von rechts nach links) eingeschoben bzw. fest eingespannt werden kann. Das Gehäuse 2 bzw. das Andruckteil 3 verfügen über Anschlusskanäle 20 bzw. 30, durch die Medium unter Hochdruck in einen von Gehäuse 2 bzw. Andruckteil 3 gebildeten Innenraum 1 eingeleitet bzw. aus diesem abgeführt werden kann. Das Medium soll dabei durch die scheibenförmige, konzentrisch zur Z-Achse im Innenraum 1 angeordnete Fritte 6 hindurch geleitet werden. Der maximale Durchmesser des Innenraums 1 fällt in etwa mit dem Außendurchmesser der Fritte 6 zusammen. Leckströmungen, die um die Fritte 6 herumführen, sollen vermieden werden.
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Ein Spannring 5 aus einer Titanverbindung umläuft die Fritte 6 und liegt mit einer Stirnseite am Gehäuse 2 an. Das Andruckteil 3 lässt sich so weit in das Gehäuse 2 einschieben, bis es gegen die andere Stirnseite des Spannrings 5 anschlägt, der dadurch die Endposition des Andruckteils 3 relativ zum Gehäuse 2 definiert (in 1 ist zwischen Andruckteil 3 und Spannring 5 stattdessen ein noch zu erläuternder geringer Spalt angedeutet).
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Wiederum radial außerhalb des Spannringes 5 ist ein Dichtelement 4 aus einem PEEK-Material angeordnet. Ein stufenförmiger Absatz innerhalb des Gehäuses und die Außenfläche des Spannrings 5 bilden für das Dichtelement 4 einen Sitz. Ein am Andruckteil 3 ringförmig ausgebildeter axialer Vorsprung 11 wirkt auf das Dichtelement 4 ein, noch bevor das Andruckteil 3 am Spannring 5 anschlägt. Das Dichtelement 4 wird in seinem Sitz vom Gehäuse 2, dem Spannring 5 und dem Andruckteil 3 möglichst vollständig umschlossen mit engen Spalten zwischen diesen einzelnen Komponenten.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Fritte 6 mit umlaufendem Spannring 5, der wiederum vom Dichtelement 4 umfasst ist.
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Der Dichtmechanismus 10 funktioniert folgendermaßen: Bei entferntem Einschraubstück 12 und Andruckteil 3 wird die Fritte 6, die dabei handfest in den Spannring 5 eingefügt sein kann, in das Gehäuse 2 eingesetzt. Auch das Dichtelement 4 wird in seinen Sitz eingesetzt. Anschließend wird das Andruckteil 3 mittels des Einschraubstücks 12 in axialer Richtung auf die Anordnung aus Fritte 6, Spannring 5 und Dichtelement 4 zubewegt. Ein O-Ring 7 bzw. eine Gleitscheibe 9 zwischen Einschraubstück 12 und Andruckteil 3 erleichtert dies. Der O-Ring 7 und die Gleitscheibe 9 sind dabei optional. Die Gleitscheibe dient dazu die Reibung zwischen Einschraubstück 12 und Andruckteil 3 zu minimieren und so das erforderliche Drehmoment gering zu halten. Der O-Ring 7 dient wiederum dazu, die Gleitscheibe 9, z.B. aus Messing, vor eindringender Flüssigkeit zu schützen (Korrosion).
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Beim weiteren Vordringen des Andruckteils 3 (in 1 von rechts nach links) gelangt der ringförmige Vorsprung 11 in Kontakt mit dem Dichtelement 4 und beaufschlagt dieses mit einer Vorspannkraft. Die Geometrie aller das Dichtelement 4 dabei einfassenden Komponenten ist so gewählt, dass das Dichtelement 4 mit dem Vorsprung 11 beaufschlagbar ist bis es plastisch zu fließen beginnt, noch bevor das Andruckteil 3 schließlich an dem Spannring 5 anschlägt und dadurch die Einschubbewegung des Andruckteils 3 beendet ist. Durch die in das Dichtelement 4 dabei eingebrachte hohe Vorspannkraft, die in radialer Richtung R nach innen auf den Spannring 5 einwirkt, reduziert sich dessen Durchmesser elastisch unter Aufnahme einer Spannkraft. Zugleich dichtet das plastisch fließende Dichtelement 4 die engen Spalte zuverlässig ab, die zwischen Andruckteil, Gehäuse und Spannring bestehen.
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Die Verformung des Spannrings 5 radial nach innen wirkt auf die im Inneren des Spannrings 5 gehaltene Fritte 6 ein, die sich durch plastische Verformung dem engeren Innendurchmesser des Spannrings 5 anpasst und dadurch sehr fest von ihm gehalten wird. Eine Leckströmung zwischen Fritte und Spannring hindurch kann dadurch vermieden werden.
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Nach dieser Montage ist der Dichtmechanismus für den Einsatz bereit, bei dem durch einströmendes Medium der Innenraum 1 mit hohem Druck beaufschlagt wird. Dieser Innendruck führt dazu, dass das Andruckteil 3 um ein geringes Maß vom Gehäuse 2 weggedrückt wird (in 1 von links nach rechts), wodurch auch zwischen Andruckteil 3 und der diesem zugewandten Stirnfläche des Spannrings 5 ein geringer Spalt auftritt (dieser Zustand ist in 1 dargestellt). Mit dem zunehmenden Innendruck wird auch der Spannring 5 in radialer Richtung zusätzlich beaufschlagt, wodurch er sich um ein Maß in radialer Richtung wieder aufweitet. Dadurch erfährt das Dichtelement 4 eine von innen nach außen wirkende radiale Beaufschlagung. Zwar bewegt sich auch der ringförmige Vorsprung 11 im Rahmen der Druckbeaufschlagung in axialer Richtung etwas vom Dichtelement 4 fort, so dass auch dort ein Spalt entstehen könnte. Da jedoch der Spannring 5 bei seiner Ausdehnung das Volumen des plastisch fließenden Dichtelements 4 in radialer Richtung fortdrängt, passt sich das Dichtelement 4 seinem sich leicht veränderten Sitz unmittelbar an, wodurch eine gleichbleibend gute Abdichtung der Spalte um das Dichtelement herum gewährleistet ist. Damit kommt der erfindungsgemäße Effekt zum Tragen, dass durch den elastischen Spannring 5 der Druck im Material des Dichtelements 4 auch dann aufrechterhalten wird, wenn Gehäuse 2 und Andruckteil 3 geringe Relativbewegungen zueinander ausführen und sich das für das Dichtelement zur Verfügung stehende Volumen vergrößert.
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3 zeigt einen Dichtmechanismus, welcher mit demjenigen der 1 weitgehend übereinstimmt, so dass auf die Wiederholung fast aller Bezugszeichen verzichtet werden kann. Bei dieser Ausführung ist die Anordnung von Dichtelement 4 und Spannring 5 in radialer Richtung vertauscht. Der Spannring 5 umläuft das Dichtelement 4, welches seinerseits eine zentrisch angeordnete Fritte 6 einfasst. Im unverschraubten Zustand wird der Ring durch die Geometrie seines Sitzes im Gehäuse in Position gehalten.
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Bei der Montage übt das Einschraubstück 12 eine axiale Kraft auf das Andruckteil 3 aus. Das Dichtelement 4, z.B. aus PEEK, wird dabei derart belastet, dass es sich verformt und zu fließen beginnt. Die auftretende Kraft in radialer Richtung nimmt der um das Dichtelement 4 herumliegende Spannring 5 auf. Radial außerhalb des Spannringes 5 ist ein Spalt zum Gehäuse hin vorgesehen, um eine Ausdehnung des Spannringes 5 zu ermöglichen. Nach innen kann das Dichtelement 4 direkt an der Fritte oder Scheibe 6, z.B. aus Keramik, anliegen. Dabei muss die Fritte 6 ausreichend steif sein, um den auftretenden Druck des vorgespannten Dichtelements 4 aufzunehmen.
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Unter Betriebsdruck kann das Dichtelement 4 die Spalte ausfüllen, welche sich auf Grund des erhöhten Drucks zwischen Gehäuse 2 und Andruckteil 3 ergeben. Radial von außen wirkt der nach innen federnde Spannring 5 dabei auf des Dichtelement 4 ein und kann Volumenänderungen des Dichtelements 4 in axialer Richtung durch Reduzierung in radialer Richtung kompensieren.
