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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einem rotierenden Gleitring und einem stationären Gleitring sowie einer OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gleitringdichtungsanordnung und eine Verwendung einer OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung zur Erniedrigung eines Reibwertes einer Gleitringdichtungsanordnung.
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Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, Gleitringe von Gleitringdichtungen mit einer Diamantbeschichtung zu versehen. (vergleiche
DE 20 2007 016 868 U1 ). Ferner offenbart die
US 2010/0061676 A1 eine Gleitringdichtung mit einer DLC-Beschichtung mit reinem Wasser als Gleitschmiermittel.
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Diamantbeschichtete Gleitringe weisen eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und damit eine besonders lange Lebensdauer auf. Nachteilig an diamantbeschichteten Gleitflächen ist, dass sie eine gewisse Oberflächenrauigkeit aufweisen, die die Gleiteigenschaften der Gleitringdichtung reduziert und einen Reibwert (Reibungszahl) erhöht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung mit dauerhaft stabilen Gleitflächen mit niedriger Oberflächenrauheit bereitzustellen, welche sich durch einen einfachen Aufbau sowie eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit auszeichnet. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, durch das die Gleiteigenschaften der Gleitringdichtungsanordnung optimiert werden können. Ebenfalls ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verwendung einer OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 11 sowie eine Verwendung einer OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung nach Anspruch 16, gelöst.
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Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung umfasst einen rotierenden Gleitring mit einer ersten Gleitfläche und einen stationären Gleitring mit einer zweiten Gleitfläche. Zwischen den beiden Gleitflächen ist ein Dichtspalt definiert. Die Gleitringdichtungsanordnung umfasst ferner eine OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung, die OH-Radikale erzeugt und bereitstellt, die mit den Gleitflächen in Kontakt bringbar sind. Durch den Kontakt der OH-Radikale mit den Gleitflächen lagern sich die OH-Radikale bei Betrieb der Gleitringdichtungsanordnung an freien Oberflächen-Bindungsplätzen des Materials der Gleitflächen an und reduzieren so die Adhäsion der Gleitflächen im Kontakt und damit eine Reibungszahl bzw. einen Reibwert der Gleitflächen. OH-Radikale sind sehr kurzlebig, weisen daher nur eine sehr geringe Halbwertszeit auf und reagieren, sofern sie nicht vorher an freie Oberflächen-Bindungsplätze des Gleitflächenmaterials binden, unter Bildung von Reaktionsprodukten der OH-Radikale weiter. Die aus den erzeugten OH-Radikalen entstehenden Reaktionsprodukte sind ebenfalls in der Lage, Oberflächen-Bindungsplätze des Materials der Gleitflächen abzusättigen, so dass auch auf diese Weise eine Reduzierung der Adhäsion und des Reibwertes der Gleitflächen erzielt werden kann. Kurze Transportwege von der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung zu den Gleitflächen begünstigen dabei eine Absättigung der freien Bindungskapazitäten des Gleitflächenmaterials mit OH-Radikalen, während größere Transportwege eine Absättigung durch Reaktionsprodukte der OH-Radikale fördern.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Gleitfläche der Gleitringdichtungsanordnung eine Diamantbeschichtung aufweist und die erzeugten OH-Radikale und/oder Reaktionsprodukte davon mit der Diamantbeschichtung in Kontakt bringbar sind. Diamantbeschichtungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit aus und erhöhen damit die Haltbarkeit der Gleitringdichtungsanordnung. Die Diamantbeschichtung ist aus sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen gebildet. Üblicherweise sind die Oberflächenbindungsplätze der Diamantgitterstruktur nach dem Beschichten durch Wasserstoffatome gesättigt. Beim Betrieb der Gleitringdichtungsanordnung, und insbesondere beim Beginn des Drehvorganges des rotierenden Gleitringes, also beim Start der Gleitringdichtungsanordnung, können durch einen Abrieb der Oberfläche der Diamantbeschichtung freie Bindungsplätze im Diamantgitter entstehen. Diese sind, sofern sie nicht abgesättigt werden, im Hinblick auf einen niedrigen Reibwert, nachteilig. Durch in Kontaktbringen der durch die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung erzeugten OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte mit der Diamantbeschichtung, werden die Oberflächenbindungsplätze des Diamantgitters durch OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte besetzt und das sp3-Kohlenstoffgitter abgesättigt. Dies verringert die Adhäsionskräfte und erniedrigt den Reibwert zwischen den Gleitflächen.
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Zur Verbesserung der Diffusion der OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte an die freien Oberflächenbindungsplätze des Diamant-Kristallgitters ist die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung in einer Umgebung des Dichtspalts angeordnet und die erzeugten OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte sind in der Lage, in den Dichtspalt einzudringen. Hierdurch wird zudem bereits bei Inbetriebnahme der Gleitringdichtungsanordnung ohne wesentliche zeitliche Verzögerung ein Überschuss an OH-Radikalen bereitgestellt, die selbst und/oder deren Reaktionsprodukte freie Bindungsplätze an der diamantbeschichteten Gleitfläche besetzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung innerhalb eines abzudichtenden Bereichs oder außerhalb eines abzudichtenden Bereichs (Umgebungsbereich) angeordnet, da somit die durch die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung bereitgestellten OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte nur eine sehr kurze Wegstrecke zurücklegen müssen um an die im Dichtspalt vorhandenen Oberflächengitterplätze des Diamantgitters zu gelangen, wodurch die Ausbildung von Gleitflächen mit niedriger Adhäsionsneigung erleichtert wird.
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Zur Verbesserung der Versorgung der Gleitringdichtungsanordnung mit OH-Radikalen und/oder deren Reaktionsprodukte umfasst die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung eine Diamantzelle. Eine Diamantzelle im Sinne der Erfindung ist eine Anordnung von zwei als Elektroden wirkenden Diamantflächen, zwischen die eine wasserhaltige Zusammensetzung eingebracht und eine Spannung angelegt werden kann, so dass das Wasser elektrolysiert und OH-Radikale erzeugt werden.
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Vorteilhaft weist die erste Gleitfläche eine erste Diamantbeschichtung und/oder die zweite Gleitfläche eine zweite Diamantbeschichtung auf. Somit können die Gitterplätze der Oberflächen der jeweiligen Gleitflächen mit OH-Radikalen und/oder deren Reaktionsprodukte belegt und eine Reibungszahl bzw. ein Reibwert zwischen den Gleitflächen minimiert werden. Eine Reibungszahl zwischen den Gleitflächen ist dann besonders niedrig, wenn sowohl die erste als auch die zweite Gleitfläche eine Diamantbeschichtung aufweist.
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Weiter vorteilhaft umfasst die Diamantzelle eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode durch eine Diamantbeschichtung einer Gleitfläche gebildet wird. Die OH-Radikale werden damit in direkter Umgebung der diamantbeschichteten Gleitfläche gebildet, können dort sofort Oberflächengitterplätze besetzen und die Adhäsionsneigung dieser Diamantbeschichtung verringern. Ferner wird der strukturelle Aufbau der erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnung vereinfacht und eine Absättigung des Gleitflächenmaterials mit OH-Radikalen anstelle von Reaktionsprodukten davon begünstigt.
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Vorzugsweise umfasst die Diamantzelle eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode durch die erste Diamantbeschichtung der ersten Gleitfläche und die zweite Elektrode durch die zweite Diamantbeschichtung der zweiten Gleitfläche gebildet wird. Hierdurch kann auf das Vorsehen einer separaten, externen Diamantfläche als Elektrode und vielmehr auf eine zusätzliche, externe OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung, verzichtet werden, was den strukturellen Aufbau der erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnung weiter vereinfacht und eine direkte Absättigung der freien Oberflächen-Bindungsplätze mit OH-Radikalen fördert.
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Um die Gleiteigenschaften der erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnung weiter zu optimieren, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung ferner eine Sperrfluidvorrichtung, die ein Sperrfluid zum Dichtspalt führt, wobei die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung in einem Sperrfluidpfad angeordnet ist, über welchen das Sperrfluid zum Dichtspalt führbar ist. Somit wird zudem eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte auf die freien Oberflächengitterplätze der Diamantbeschichtung gefördert. Das Sperrfluid ist insbesondere eine wasserhaltige Zusammensetzung, vorzugsweise reines Wasser, das zur Erzeugung und zum Transport der OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte beiträgt.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung beschrieben. Die Gleitringdichtungsanordnung umfasst einen rotierenden Gleitring mit einer ersten Gleitfläche und einen stationären Gleitring mit einer zweiten Gleitfläche, welche zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen und eine OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Schritte:
- – Erzeugen von OH-Radikalen mittels der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung und
- – in Kontakt bringen der OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte mit den Gleitflächen
gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und damit kostengünstig umsetzbar und gewährleistet einen dauerhaft stabilen und verschleißarmen Betrieb einer Gleitringdichtungsanordnung mit sehr guten Gleiteigenschaften. Durch die erfindungswesentlichen Schritte des Erzeugens von OH-Radikalen mittels der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung und des in Kontaktbringens der OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte mit den Gleitflächen wird die Adhäsion zwischen den Gleitflächen reduziert, und die Reibungszahl bzw. der Reibwert zwischen den Gleitflächen verringert, was sich positiv auf die Haltbarkeit der Gleitringdichtungsanordnung auswirkt, da damit auch der Verschleiß minimiert wird. Die Reaktionsprodukte der OH-Radikale sind vorzugsweise Ozon und/oder Wasserstoffperoxid.
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Die für die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Gleitringdichtungsanordnung. Ferner eignet sich das vorstehend beschriebene Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnung.
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Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gleitfläche eine Diamantbeschichtung aufweist und die OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte mit der Diamantbeschichtung in Kontakt gebracht werden. Die Diamantbeschichtung der Gleitflächen erhöht die Verschleißbeständigkeit der Gleitflächen. Wie vorstehend bereits beschrieben, werden durch das in Kontaktbringen der Diamantbeschichtung mit den durch die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung erzeugten OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte freie Oberflächenbindungsplätze im Kristallgitter der Diamantstruktur besetzt, wodurch die Adhäsionsneigung der Diamantbeschichtung und damit auch ein Reibwert und/oder Verschleiß zwischen den Gleitflächen reduziert werden.
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Um den strukturellen Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung und damit auch ihren Betrieb zu vereinfachen weist die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung eine Diamantzelle mit zwei Elektroden auf.
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Vorteilhafterweise wird dabei mindestens eine Diamantbeschichtung einer Gleitfläche als eine Elektrode der Diamantzelle verwendet.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Verwendung einer OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung angegeben, die darauf gerichtet ist, eine Erniedrigung eines Reibwertes einer Gleitringdichtungsanordnung herbeizuführen. Hierzu umfasst die Gleitringdichtungsanordnung einen rotierenden Gleitring mit einer ersten Gleitfläche und einen stationären Gleitring mit einer zweiten Gleitfläche, welche zwischen sich einen Dichtspalt begrenzen, wobei mindestens eine Gleitfläche eine Diamantbeschichtung aufweist.
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Vorzugsweise ist die Verwendung dadurch gekennzeichnet, dass die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung eine Diamantzelle mit zwei Elektroden aufweist und mindestens eine Diamantbeschichtung einer Gleitfläche als eine Elektrode verwendet wird.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
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In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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4 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf 1 bis 4 Gleitringdichtungsanordnungen gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine Gleitringdichtungsanordnung 1, beispielsweise für eine Kraftwerksspeisepumpe, umfassend einen rotierenden Gleitring 2 und einen stationären Gleitring 3. Zwischen den beiden Gleitringen 2, 3 ist in bekannter Weise ein Dichtspalt 4 ausgebildet.
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Der rotierende Gleitring 2 ist über ein Mitnehmerelement 7 mit einer Welle 8 verbunden.
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Der stationäre Gleitring 3 ist an einem Gehäuse 6 fixiert.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 dichtet dabei ein durch, beispielsweise eine Kraftwerksspeisepumpe, zu förderndes Medium, in einem abzudichtenden Bereich 9 gegenüber der Umgebung 10, die einen Bereich außerhalb des abzudichtenden Bereichs darstellt, ab. Das Medium ist in diesem Ausführungsbeispiel eine wasserhaltige Zusammensetzung, vorzugsweise reines Wasser.
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Der rotierende Gleitring 2 und der stationäre Gleitring 3 sind entsprechend mit einer ersten Diamantbeschichtung 20 und einer zweiten Diamantbeschichtung 21, versehen. Die Diamantbeschichtungen schützen dabei das Grundmaterial der Gleitringe 2, 3 vor Verschleiß. Es sind jeweils die erste Gleitfläche 40 des ersten Gleitrings, also des rotierenden Gleitrings 2 und die zweite Gleitfläche 41 des zweiten Gleitrings, also des stationären Gleitrings 3, mit Diamant beschichtet.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 weist ferner eine OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 auf. Die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 ist in dieser Ausführungsform innerhalb des abzudichtenden Bereichs 9 am Gehäuse 6 des stationären Gleitrings 3 angeordnet. Die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 ist ausgebildet, um mittels Wasser OH-Radikale bereitzustellen. Von der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 gelangen die OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte an die Diamantbeschichtungen 20, 21 und lagern sich an freien Oberflächenplätzen der Gitterstruktur der Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitflächen 40, 41 an. Dadurch wird die Adhäsionsneigung der Gleitflächen 40, 41, und somit auch der Reibwert zwischen den Gleitflächen 40, 41, erniedrigt.
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Die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 ist durch eine Diamantzelle gebildet, die zwei Diamantflächen, die als Elektroden ausgebildet sind, umfasst, zwischen die eine wasserhaltige Zusammensetzung eingebracht und eine Spannung angelegt wird. Durch die angelegte Spannung wird das enthaltene Wasser elektrolysiert und bildet OH-Radikale. Die OH-Radikale können, sofern sie nicht vorher an freie Bindungskapazitäten der Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitflächen 40, 41 binden, zu Reaktionsprodukten, und insbesondere zu Ozon und/oder Wasserstoffperoxid weiterreagieren. Die Reaktionsprodukte der durch die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 erzeugten OH-Radikale können ebenfalls an freie Oberflächen-Bindungsplätze der Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitflächen 40, 41 binden und tragen somit zur Reduzierung des Reibwertes der Gleitflächen 40, 41 bei.
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Es sei angemerkt, dass sowohl die Diamantbeschichtung 20 des ersten Gleitrings 2 als auch die Diamantbeschichtung 21 des zweiten Gleitrings 3 als Elektrode der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 vorgesehen sein kann. Weiter alternativ ist es möglich, dass die beiden Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitringe 2, 3 als je eine Elektrode der OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 ausgebildet sind.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu der Gleitringdichtungsanordnung 1 aus 1 ist die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 hier außerhalb eines abzudichtenden Bereichs 9, nämlich in der Umgebung 10 angeordnet. Auch hier gelangen die OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte sehr leicht an die Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitringe 2, 3, da die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 am Gehäuse nahe dem Dichtspalt 4 angeordnet ist.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den Gleitringdichtungsanordnungen 1 aus den 1 und 2, weist die hier gezeigte Gleitringdichtungsanordnung einen Sperrfluidpfad 11 auf, der ein Sperrfluid F zum Dichtspalt 4 führt. Das Sperrfluid 11 dichtet die Umgebung 10 gegen das Medium im abzudichtenden Bereich 9 ab. Ferner ist die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 in dem Sperrfluidpfad 11 angeordnet. Die durch die OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung 5 erzeugten OH-Radikale und/oder deren Reaktionsprodukte können so sehr leicht durch das Sperrfluid F aufgenommen und direkt zum Dichtspalt 4 transportiert werden, wo sie wiederum in Kontakt mit den Diamantbeschichtungen 20, 21 der Gleitringe 2, 3 gelangen.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gleitringdichtungsanordnung 1 ist der aus 1 ähnlich, umfasst jedoch ferner eine erste Elektrode 12, die aus Diamant gebildet ist oder mindestens eine teilweise Diamantbeschichtung aufweist. In dieser Ausführungsform dient die Diamantbeschichtung 20 des stationären Gleitrings 2 als zweite Elektrode. Zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode ist eine Spannungsquelle 13 angeordnet. In dieser, Diamantzelle genannten, Anordnung wird beim Anlegen einer Spannung eine zwischen der ersten Elektrode 12 und der als zweiter Elektrode wirkenden Diamantbeschichtung 21 eingebrachte wasserhaltige Zusammensetzung elektrolysiert und es werden OH-Radikale gebildet. Diese und/oder Reaktionsprodukte davon gelangen sodann in Kontakt mit den Diamantbeschichtungen 20, 21 und besetzen dort freie Oberflächenplätze des Diamantgitters.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- rotierender Gleitring
- 3
- stationärer Gleitring
- 4
- Dichtspalt
- 5
- OH-Radikal-Erzeugungsvorrichtung
- 6
- Gehäuse
- 7
- Mitnehmerelement
- 8
- Welle
- 9
- abzudichtender Bereich
- 10
- Umgebung
- 11
- Sperrfluidpfad
- 12
- erste Elektrode
- 13
- Spannungsquelle
- 20
- erste Diamantbeschichtung
- 21
- zweite Diamantbeschichtung
- 40
- erste Gleitfläche
- 41
- zweite Gleitfläche
- F
- Sperrfluid
