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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dichtring und einen Druckmessaufnehmer mit mindestens einem solchen Dichtring.
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In der Prozessindustrie werden u. a. Medien sowohl bei tiefen als auch bei hohen Temperaturen verarbeitet, bei denen gängige Elastomere nur bedingt standhalten. Es ist daher in solchen Fällen üblich, auf derartige Elastomere zu verzichten. Stattdessen werden inerte Kunststoffe, insbesondere Fluorpolymere, wie beispielsweise PTFE, FEP oder PFA eingesetzt. Konstruktionen der gegeneinander zu dichtenden Bauteile sind dann den besonderen Eigenschaften der Dichtmaterialien sowie den speziellen Bedingungen des angedachten Einsatzortes, insbesondere des am Prozess angelegten Druck, anzupassen. So erfordert beispielsweise ein sehr hoher Prozessdruck, dass eine Vorspannung der zu dichtenden Bauteile zumindest diesem Prozessdruck standhält. Dies kann, in dem Fall, dass eine keramische Dichtung eingesetzt wird, zu einem Bruch der Keramik führen. Typischerweise findet der Bruch erst statt, nachdem der inerte Kunststoff bereits geflossen ist und somit keine Unebenheiten aufgrund des Bruches mehr ausgeglichen werden können.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Dichtring und einen Druckmessaufnehmer mit einem solchen Dichtring vorzuschlagen, der bei einer größeren Vorspannung einspannbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Dichtring gemäß dem Patentanspruch 1 sowie dem Druckmessaufnehmer gemäß dem Patentanspruch 9.
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Hinsichtlich des Dichtrings wird die Aufgabe durch einen Dichtring zum Dichten im axial eingespannten Zustand gelöst, welcher Dichtring umfasst:
- - einen ringförmigen keramischen inneren Ringkörper mit einer im Querschnitt ersten mittleren Höhe, und
- - einen ringförmigen metallischen äußeren Ringkörper mit einer im Querschnitt zweiten mittleren Höhe, wobei der äußere Ringkörper den inneren Ringkörper eng umschließt und die zweite mittlere Höhe größer als die erste mittlere Höhe ist.
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Erfindungsgemäß wird also ein zweiteiliger Aufbau eines Kerns eines Dichtringes vorgeschlagen. Dieser zweiteilige Kernaufbau sieht vor, dass die beiden Ringkörper einen Höhenunterschied aufweisen, sodass die Kräfte auf dem höheren äußeren metallischen Ringkörper lagern. Hierdurch lässt sich im Vergleich zu den bekannten Dichtringen mit einem einteiligen keramischen Kernaufbau ohne Höhenunterschied die Bruchgefahr sehr stark vermindern. Gleichfalls sind die die mechanischen Anforderungen an den inneren keramischen Ringkörper nicht mehr so groß, da der innere Ringkörper mechanisch weniger belastet wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtrings umfasst ferner eine ringförmige den inneren und den äußeren Ringkörper zumindest teilweise umschließende Polymerhülle. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Polymerhülle derartig ausgebildet ist, dass sie zumindest eine Stufe, die sich aufgrund der unterschiedlichen ersten mittleren Höhe und der zweiten mittleren Höhe ergibt, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig bekleidet und/oder dass die Polymerhülle ein Flourpolymer, insbesondere PTFE, FEP oder PFA, aufweist und die Polymerhülle vorzugsweise eine mittlere Stärke im nicht geflossenen bzw. nicht gealterten Zustand von nicht weniger als 20 µm (Mikrometern) und nicht mehr als 1000 µm, besonders bevorzugt nicht weniger als 20 µm und nicht mehr als 500 µm, ganz besonders bevorzugt nicht weniger als 30 µm und nicht mehr als 200 µm aufweist. Ebenfalls kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Polymerhülle ein Flourpolymer, insbesondere PTFE, FEP oder PFA, aufweist und die Polymerhülle vorzugsweise eine mittlere Stärke im geflossenen bzw. gealterten Zustand von nicht weniger als 1 µm und nicht mehr als 1000 µm, besonders bevorzugt nicht weniger als 5 µm und nicht mehr als 200 µm, ganz besonders bevorzugt nicht weniger als 10 µm und nicht mehr als 150 µm aufweist. Aufgrund des äußeren höheren Ringkerns lasten im eingespannten Zustand die mechanischen Kräfte im Wesentlichen auf diesem. In dem Fall, dass an dieser Stelle die überzogene Polymerhülle defekt ist, bspw. dadurch, dass diese zerflossen oder zerrieben ist, findet eine „zweite“ Dichtung im Bereich der wenigstens einen Stufe statt, da an dieser Stelle die Hülle mechanisch weniger belastet ist und somit in der Regel noch in Takt ist. Voraussetzung damit die „zweite Dichtung“ funktioniert ist allerdings, dass die Polymerhülle die Stufe im Wesentlichen vollständig bekleidet, d.h. vollständig mit dem Polymer ausgefüllt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtrings sieht vor, dass der innere und der äußere Ringkörper über eine Passung miteinander verbunden sind, wobei die Passung vorzugsweise derartig ausgebildet ist, dass der innere Ringkörper an einer zum äußeren Ringkörper gewandten Außenfläche im Querschnitt zumindest teilweise eine konvexe Form und der äußere Ringkörper an einer zum inneren Ringkörper gewandten Innenfläche im Querschnitt zumindest teilweise eine konkave Form aufweist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Passung derartig ausgeführt ist, dass der innere und der äußere Ringkörper so zueinander angeordnet sind, dass sich an einer Oberseite eine erste Stufen zwischen dem inneren und dem äußeren Ringkörper ergibt und an einer der Oberseite abgewandten Rückseite eine zweite Stufe ergibt, wobei vorzugsweise die erste Stufe und die zweite Stufe im Wesentlichen einen gleichen Höhenunterschied aufweisen.
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Wiederum eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtrings sieht vor, dass der äußere Ringkörper Titan umfasst.
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Hinsichtlich des Druckmessaufnehmers wird die Aufgabe durch einen Druckmessaufnehmer gelöst, welcher zumindest folgendes umfasst:
- - eine, insbesondere keramische Druckmesszelle mit einem Grundkörper und zumindest einer Messmembran, die entlang einer umlaufenden Fügestelle mit dem Grundkörper verbunden und mit einem Medium beaufschlagbar ist, wobei die Messmembran in ihrem Randbereich eine ringförmige Messmembrandichtfläche aufweist;
- - mindestens einen Prozessanschlussköper, welcher eine vorzugsweise ringförmige Mediumsöffnung aufweist, durch welche die Messmembran mit dem Medium beaufschlagbar ist, wobei die Mediumsöffnung von einer Prozessanschlusskörperdichtfläche ringförmig umgeben ist;
- - mindestens einen Dichtring nach einer zuvor beschriebenen Ausgestaltung, wobei der mindestens eine Dichtring zwischen der Messmembrandichtfläche und der Prozessanschlusskörperdichtfläche angeordnet und axial eingespannt ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Druckmessaufnehmers umfasst ferner einen Gehäusekörper in dem die Druckmesszelle, der Prozessanschlussköper und der mindestens eine Dichtring angeordnet sind, und eine Einspannvorrichtung über die der Dichtring zwischen der Messmembrandichtfläche und der Prozessanschlusskörperdichtfläche mit einer definierten axialen Vorspannkraft eingespannt ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Einspannvorrichtung zumindest einen Gewindering und wenigstens eine Tellerfeder umfasst, wobei die wenigstens eine Tellerfeder zwischen einer der Messmembran abgewandten Seite des Grundkörpers und einer Anschlagsfläche des Gewinderings angeordnet ist, sodass die definierte axiale Vorspannkraft durch den Gewindering einstellbar ist, wobei vorzugsweise zwischen der Tellerfeder und dem Grundkörper ein Keramikring angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Druckmessaufnehmers sieht vor, dass die axiale Vorspannkraft anhand eines spezifizierten Nenndruckbereichs und/oder eines spezifizierten Überlastbereichs des Druckmessaufnehmers festgelegt ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die axiale Vorspannkraft derartig gewählt ist, dass diese nicht unterhalb von 200 N und oberhalb von 50 kN, bevorzugt nicht unterhalb von 250 N und oberhalb von 40 kN, besonders bevorzugt nicht unterhalb von 500 N und oberhalb von 20 kN liegt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: einen Längsschnitt durch einen Druckmessaufnehmer mit einem erfindungsgemäßen Dichtring im eingespannten Zustand.
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Der in 1 im Längsschnitt gezeigte zylindrische Druckmessaufnehmer umfasst prinzipiell eine zylindrische keramische Druckmesszelle, die nach einem kapazitiven Messprinzip arbeitet, einen Prozessanschlusskörper und den erfindungsgemäßen Dichtring, der in einem Gehäuse axial eingespannt ist. Die zylindrische keramische Druckmesszelle weist einen oxidkeramischen Werkstoff, wie bspw. Aluminiumoxid, auf.
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Der in 1 im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Dichtring 1 umfasst hierbei einen zylindrischen keramischen inneren Ringkörper 2 mit einer ersten mittleren Höhe, und einen den inneren Ringkörper 2 eng umschließenden zylindrischen äußeren metallischen, vorzugsweise Titan aufweisenden Ringkörper 3 mit einer zweiten mittleren Höhe. Erfindungsgemäß sind die erste und zweite mittlere Höhe der Ringkörper 2 und 3 so gewählt, dass die zweite mittlere Höhe größer als die erste mittlere Höhe ist, so dass sich zumindest eine Stufe mit einem Höhenunterschied zwischen dem inneren und äußeren Ringkörper ergibt. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Höhenunterschied im Bereich von 50 bis 150 µm zwischen der mittleren Höhe des äußeren und des inneren Ringkörpers erwiesen.
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Der äußere und der innere Ringkörper 2 und 3 können, wie in 1 dargestellt, über eine Passung 5 miteinander verbunden sein. Die Passung 5 ist dabei vorzugsweise derartig ausgebildet, dass der innere Ringkörper 2 an einer äußeren Mantelfläche im Querschnitt eine zumindest teilweise konvexe Form und der äußere Ringkörper 3 an einer inneren Mantelfläche im Querschnitt eine zumindest teilweise konkave Form aufweist, so dass der innere Ringkörper 2 über die konvexe Form in die konkave Form des äußeren Ringkörpers 3 eingreift. Die Passung kann ferner derartig ausgeführt sein, dass der äußere und innere Ringkörper so zueinander angeordnet sind, dass sich an einer Oberseite eine erste Stufe und an einer der Oberseite abgewandten Rückseite eine zweite Stufe ausbildet, welche idealerweise im Wesentlichen einen gleichen Höhenunterschied aufweisen. Hierbei hat sich ein Höhenunterschied von in etwa 50 µm sowohl für die erste als auch die zweite Stufe als besonders geeignet herausgestellt.
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Der in 1 dargestellte Dichtring umfasst ferner eine Polymerhülle 4, welche den inneren und den äußeren Ringkörper 2 und 3 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umgibt. Die Polymerhülle 4 weist ein Flourpolymer, beispielsweise PTFE, FEP oder PFA, welches eine gewisse Medien- und Temperaturbeständigkeit besitzt, auf. Die Polymerhülle 4 ist hinsichtlich ihrer mittleren Stärke derartig an die zumindest eine Stufe angepasst, dass die Hülle die Stufe im eingespannten Zustand zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig bekleidet. In dem Fall, dass die Hülle 4 die zumindest eine Stufe vollständig bekleidet, ist somit kein Spalt bzw. keine Ritze mehr vorhanden, was eine von mehreren Anforderungen für den Einsatz in hygienischen Anwendungen darstellt. Sind die weiteren Anforderungen für den Einsatz in hygienischen Anwendungen, wie z.B. dass die Polymerhülle nicht in den Prozess „fließen“ darf, erfüllt, kann der Dichtring in solchen Anwendungen prinzipiell eingesetzt werden. Es versteht sich von selbst, dass in dem Fall, dass der Dichtring 1 eine erste und eine zweite Stufe aufweist, die Polymerhülle 4 derartig ausgeführt ist, dass diese sowohl die erste als auch die zweite Stufe zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig bedeckt.
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Hierzu weist die Polymerhülle 4 eine mittlere Stärke im nicht geflossenen Zustand bzw. nicht gealterten Zustand von nicht weniger als 20 µm und nicht mehr als 1000 µm, bevorzugt nicht weniger als 20 µm und nicht mehr als 500 µm auf. Als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Dichteffizienz hat sich in Kombination mit dem zuvor angegebenen Höhenunterschied im Bereich von 50 bis 150 µm eine mittlere Stärke von nicht weniger als 50 µm, vorzugsweise weniger als 30 µm, besonders bevorzugt nicht weniger als 20 µm und eine mittlere Stärke von nicht mehr als 200 µm herausgestellt. Für eine besonders effektive Dichtung sollte die mittlere Stärke der Polymerhülle größer sein als der Höhenunterschied zwischen der ersten und zweiten Stufe.
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Im geflossenen bzw. gealterten Zustand weist die Polymerhülle 4 eine mittlere Stärke von nicht weniger als 1 µm und nicht mehr als 1000 µm, besonders bevorzugt nicht weniger als 5 µm und nicht mehr als 200 µm, ganz besonders bevorzugt nicht weniger als 10 µm und nicht mehr als 150 µm auf.
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Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass der Höhenunterschied zwischen dem inneren und äußeren Ringkörper 2 und 3 in Wechselwirkung zu der mittleren Stärke der Polymerhülle 4 steht. Dies bedingt, dass der Höhenunterschied zwischen der ersten und zweiten mittleren Höhe der Ringkörper 2 und 3 und die Stärke der Polymerhülle 4 derartig zueinander angepasst sind, dass nach einem Fließvorgang der Polymerhülle 4 unter einer Temperatur und Pressung sowohl der Abschnitt zwischen dem äußeren Ringkörper 3 und einem Gegenkörper als auch der Abschnitt zwischen dem inneren Ringkörper und dem Gegenkörper zur Dichtung beitragen. Auf diese Weise kann eine Undichtigkeit bzw. Leckage vermieden werden, da auch in dem Fall, dass im mechanisch stärker beanspruchten Abschnitt zwischen dem äußeren Ringkörper 3 und dem Gegenkörper die Dichtung versagen sollte, z.B. aufgrund von starkem Fließen der Polymerhülle 4, die Dichtung im Abschnitt zwischen dem inneren Ringkörper und dem Gegenkörper trotzdem funktionstauglich ist bzw. bleibt.
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Der erfindungsgemäße Dichtring 1 ist in einem Gehäuse (nicht dargestellt in 1) des Druckmessaufnehmers 6 axial eingespannt. Das Gehäuse weist für gewöhnlich ein metallisches Material, welches vorzugsweise korrosionsbeständig ist, beispielsweise Edelstahl, auf. In dem Gehäuse sind in axialer Richtung die Druckmesszelle 7, der erfindungsgemäße Dichtring 1 und ein Prozessanschlusskörper 11 angeordnet. Der Prozessanschlusskörper 11 weist eine ringförmige Mediumsöffnung auf, durch welche die Messmembran 9 der Druckmesszelle 7 mit einem Medium beaufschlagbar ist, so dass ein Mediendruck des Mediums messbar ist. Typischerweise umfasst der Prozessanschlusskörper 11 an einer äußeren Mantelfläche ein Gewinde, über welches er in ein an einer ersten Stirnseite des Gehäuses befindliches erstes Innengewinde des Gehäuses eingreift. Alternativ, bspw. bei hygiensichen Anwendungen, umfasst der Prozessanschlusskörper 11 kein Gewinde, sondern wird frontbündig über ein Klemmmechanismus (Clamp-on) befestigt. Ferner definiert der Prozessanschlusskörper 11 eine ringförmige Prozessanschlusskörperdichtfläche auf der der erfindungsgemäße Dichtring 1 aufsitzt, so dass ein Innenraum des Gehäuses gegen die Mediumsöffnung abgedichtet ist.
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Vorzugsweise weist die Messmembran 9 ein erstes Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der metallische äußere Ringkörper 3 des Dichtrings 1 ein zweites Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei der erste und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient derartig aneinander angepasst sind, dass der erste und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient nicht mehr als 20%, bevorzugt nicht mehr als 15%, besonders bevorzugt nicht mehr als 13% voneinander abweichen.
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Zum Abdichten weist der Druckmessaufnehmer 6 ferner eine Einspannvorrichtung, mittels derer der Dichtring zwischen der Messmembrandichtfläche und der Prozessanschlusskörperfläche eingespannt ist, auf. Über die Einspannvorrichtung wird eine axiale Vorspannkraft in Abhängigkeit eines Nenndruckbereiches für den der Druckmessaufnehmer vorgesehen ist, festgelegt. Die Einspannvorrichtung ist in 1 exemplarisch durch einen Pfeil angedeutet. Die axiale Vorspannkraft ist dabei durch die Einspannvorrichtung derartig festgelegt, dass diese prinzipiell in einem Bereich von in etwa 500 N bis 5,5 kN liegt. Als besonders praktikabel haben sich ein erster Bereich von in etwa 750 N bis 1050 N für einen Druckmessaufnehmer mit einem Druckbereich von 100 mbar und ein zweiter Bereich von in etwa 4,95 kN bis 5,05 kN für einen Druckmessaufnehmer mit einem Druckbereich von 100 bar erwiesen. So kann bspw. ein Druckmessaufnehmer, welcher für einen Nenndruckbereich bis 100 mbar vorgesehen ist, eine axiale Vorspannung im Bereich von in etwa 750 N bis 1050 N, und ein Druckmessaufnehmer 6, welcher für einen Nenndruckbereich bis 100 bar vorgesehen ist, eine axiale Vorspannung im Bereich von 4,95 kN bis 5,05 kN aufweisen.
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Die Einspannvorrichtung kann beispielsweise einen Gewindering und wenigstens eine Tellerfeder (nicht in 1 dargestellt) umfassen. Der Gewindering kann an einer äußeren Mantelfläche ein Gewinde, über welches er in ein an einer der ersten Stirnseite abgewandten zweiten Stirnseite befindliches zweites Innengewinde des Gehäuses eingreift, aufweisen. Über den Gewindering und die wenigstens eine Tellerfeder, welche zwischen dem Gewindering und dem Grundkörper angeordnet ist bzw. sind, wird der Dichtring mit der axialen Vorspannkraft vorgespannt.
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Als vorteilhaft hat es sich ebenfalls erwiesen, wenn die Einspannvorrichtung zusätzlich auch einen Keramikring aufweist, welcher in dem Gehäuse zwischen dem Grundkörper und der Tellerfeder angeordnet ist, um auch im eingespannten Zustand eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen. Selbstverständlich können auch anstelle des Gewinderings und der Tellerfeder beliebige andere Einspannmechanismen zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtring
- 2
- Innerer Ringkörper
- 3
- Äußerer Ringkörper
- 4
- Polymerhülle
- 5
- Passung
- 6
- Druckmessaufnehmer
- 7
- Druckmesszelle
- 8
- Grundkörper
- 9
- Messmembran
- 10
- Umlaufende Fügestelle
- 11
- Prozessanschlussköper
