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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine adaptive Dichtung zum Abdichten eines ersten Maschinenelementes gegenüber einem zweiten Maschinenelement, wobei die beiden Maschinenelemente beispielsweise gegeneinander rotierbar sind. Aufgrund ihrer adaptiven Eigenschaft passt sich die Dichtung an Temperaturänderungen an.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
DE 10 2014 203 946 A1 lehrt eine adaptive Dichtung, welche ein elastisches Dichtelement mit einer Dichtkante sowie ein Bimetallelement zum Ausüben einer Stellkraft auf die Dichtkante beim Auftreten einer Temperaturänderung umfasst. Das Bimetallelement ist bevorzugt als ringförmige Armierung des Dichtelementes ausgebildet.
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Die
DE 10 2009 025 862 A1 lehrt eine vulkanisierbare Kautschukmischung mit blättchenförmigen Metallpigmenten.
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Aus der
DE 10 2015 222 657 A1 ist eine wärmeleitfähige Elastomermischung bekannt, welche hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält.
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Die
DE 10 2008 015 342 A1 zeigt ein Verbundmaterial für eine Turbinen-Tragestruktur, welches ein erstes Material mit einem positiven Koeffizienten der Wärmeausdehnung und zweites Material mit einem negativen Koeffizienten der Wärmeausdehnung umfasst. Das zweite Material ist bevorzugt durch Zirconiumwolframat gebildet.
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In dem wissenschaftlichen Artikel von Weyer, W. C. et al. „Achieving Dimensional Stability Using Functional Fillers“ in 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, 18.-21.04.2005 ist die Verwendung von Zirconiumwolframat als Füllstoff in Polymeren beschrieben.
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Aus der
EP 2 664 450 A2 ist ein hochtemperaturbeständiger Elastomerfaden bekannt, der einen von Filamenten gebildeten Seelenfaden aufweist. Die Filamente sind von einem Faserwerkstoff gebildet, der einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Dichtung bereitzustellen, die mit steigender Temperatur eine erhöhte Dichtwirkung aufweist.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine adaptive Dichtung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Dichtung dient zum Abdichten eines ersten Maschinenelementes gegenüber einem zweiten Maschinenelement. Das erste Maschinenelement und das zweite Maschinenelement sind bevorzugt gegeneinander rotierbar, so dass die erfindungsgemäße Dichtung durch eine rotative Dichtung gebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Dichtung umfasst einen elastischen Dichtungsring, durch welchen ein Dichtspalt zwischen dem ersten Maschinenelement und dem zweiten Maschinenelement schließbar ist. Der Dichtungsring ist bevorzugt kreisringförmig ausgebildet. Der Dichtungsring besteht bevorzugt aus einem Elastomer, d. h. aus einem elastischen Kunststoff.
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Erfindungsgemäß umfasst die Dichtung weiterhin einen auf dem Dichtungsring sitzenden Verstärkungsring zur adaptiven Verstärkung einer Dichtkraft. Insoweit stellt der Verstärkungsring einen Kraftverstärkungsring dar. Der Verstärkungsring ist aus einem Kunststoff und Zirconiumwolframat gefertigt. Das Zirconiumwolframat ist im Kunststoff eingebunden, so dass das Zirconiumwolframat im Kunststoff eingelagert ist. Zirconiumwolframat ist durch die chemische Formel Zr[WO4]2 bzw. ZrW2O8 beschreibbar. Bei dem Zirconiumwolframat handelt es sich um eine chemische Verbindung aus Zirconium, Wolfram und Sauerstoff und damit um eine Verbindung aus der Gruppe der Wolframate. Das Zirconiumwolframat zeigt eine Dichteanomalie und weist im Temperaturbereich zwischen -270 °C und 777 °C einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten von -8,7- 10-6 K-1 auf.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung besteht darin, dass ihre Dichtkraft mit steigender Temperatur zunimmt, da das Zirconiumwolframat in dem Verstärkungsring eine Dichteanomalie aufweist und bei steigender Temperatur schrumpft, d. h. dass der Verstärkungsring einen kleiner werdenden Umfang aufweist. Der schrumpfende Verstärkungsring übt eine größer werdende Kraft auf den Dichtungsring auf, so dass eine Anpresskraft des Dichtungsringes und somit auch die Dichtwirkung größer werden. Hierdurch kann beispielsweise einer bei Temperaturerhöhung auftretenden Verschlechterung der Dichtungswirkung aufgrund einer Visokositätserniedrigung eines dichtenden Schmiermittels, wie beispielsweise Öl oder Fett, entgegengewirkt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung besteht darin, dass eine Reibung am Dichtungsring bei geringen Temperaturen verringert wird, so dass der Verschleiß vermindert ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung ist der Dichtungsring dazu ausgebildet, radial nach innen auf einer am zweiten Maschinenelement angeordneten Gegendichtfläche zum dichtenden Anliegen zu kommen. Die Gegendichtfläche weist bevorzugt die äußere Form eines Zylinders auf. Das zweite Maschinenelement ist bevorzugt in einer Öffnung im ersten Maschinenelement gelagert. Der Dichtungsring ist bevorzugt dazu ausgebildet, radial nach innen zu pressen. Der Dichtungsring weist bevorzugt eine ringförmige Dichtlippe auf, welche zum unmittelbaren dichtenden Anliegen auf der Gegendichtfläche ausgebildet ist. Die Dichtlippe ist bevorzugt einstückig mit dem Dichtungsring ausgebildet, sodass sie einen integralen Bestandteil des Dichtungsringes bildet. Die Dichtlippe ist dazu ausgebildet, eine auf die Gegendichtfläche wirkende Kontaktflächenpressung auszuüben. Die Kontaktflächenpressung wird bei zunehmender Temperatur größer.
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Der Verstärkungsring ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Dichtungsring radial nach innen zu pressen. Der Verstärkungsring ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Dichtlippe des Dichtungsringes radial nach innen zu pressen.
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Das Zirconiumwolframat ist bevorzugt in einer Polymermatrix des Kunststoffes eingebunden. Der Kunststoff ist bevorzugt durch Polyamid, PET, PPA, PPS, PEEK oder durch Polyimid gebildet.
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Das Zirconiumwolframat weist bevorzugt die Form von Partikeln auf. Eine mittlere Partikelgröße der Partikel des Zirconiumwolframats beträgt bevorzugt zwischen 1 µm und 100 µm und besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 80 µm. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Partikelgröße der Partikel des Zirconiumwolframats nicht mehr als 100 µm und besonders bevorzugt nicht mehr als 80 µm.
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Der Verstärkungsring besteht aus einem Stoffgemisch, welches den Kunststoff und das Zirconiumwolframat umfasst. Ein Anteil des Zirconiumwolframats am Verstärkungsring bzw. an dem den Kunststoff und das Zirconiumwolframat umfassenden Stoffgemisch beträgt bevorzugt mindestens ein Drittel. Der Anteil des Zirconiumwolframats am Verstärkungsring bzw. an dem den Kunststoff und das Zirconiumwolframat umfassenden Stoffgemisch beträgt weiter bevorzugt zwischen 40% und 60%. Der Anteil des Zirconiumwolframats am Verstärkungsring bzw. an dem den Kunststoff und das Zirconiumwolframat umfassenden Stoffgemisch beträgt besonders bevorzugt zwischen 50% und 55%.
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Der Verstärkungsring umfasst bevorzugt zudem einen faserartigen Werkstoff, der im Kunststoff eingeschlossen ist. Der faserartige Werkstoff ist bevorzugt umfänglich entlang der Ringform des Verstärkungsringes ausgerichtet. Der faserartige Werkstoff verstärkt den Verstärkungsring.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung umfasst der Verstärkungsring weiterhin eine Ringarmierung, die sich umfänglich um bzw. im Verstärkungsring erstreckt und bevorzugt geschlossen ist. Die Ringarmierung besteht bevorzugt aus einem Metall.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung weist der Ring einen kreis-, oval- oder mehreckigen Querschnitt senkrecht zu seiner Umfangsrichtung auf.
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Die erfindungsgemäße Dichtung ist bevorzugt auf einem am ersten Maschinenelement ausgebildeten Dichtungssitz befestigbar; insbesondere durch ein Einsetzen bzw. durch ein Aufsetzen der Dichtung auf den Dichtungssitz. Die erfindungsgemäße Dichtung ist bevorzugt dicht am Dichtungssitz befestigbar.
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Die erfindungsgemäße Dichtung umfasst bevorzugt eine ringförmige Armierung, an welcher der elastische Dichtungsring ausgebildet ist. Die ringförmige Armierung ist bevorzugt am ersten Maschinenelement befestigbar. Die ringförmige Armierung ist bevorzugt in bzw. auf den Dichtungssitz am ersten Maschinenelement einsetzbar bzw. aufsetzbar. Die ringförmige Armierung besteht bevorzugt aus einem Metall. Der Dichtungsring ist bevorzugt auf die ringförmige Armierung aufvulkanisiert.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung erstreckt sich der Dichtungsring bzw. die Dichtlippe nicht lediglich in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung, wodurch eine umlaufende Verstärkungsringaufnahme am Dichtungsring bzw. an der Dichtlippe ausgebildet ist, auf welcher der Verstärkungsring sitzt. Die Verstärkungsringaufnahme ist bevorzugt in radialer Richtung nach außen offen, so dass der Verstärkungsring aufwandsarm auf den Dichtungsring bzw. auf die Dichtlippe aufgespannt werden kann. Hierfür weist die Verstärkungsringaufnahme bevorzugt die Form einer umlaufenden Mulde auf.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung ist die Verstärkungsringaufnahme in der radialen Richtung über einem Kontaktbereich der Dichtlippe angeordnet. Der Kontaktbereich der Dichtlippe ist dazu ausgebildet, gegen die am zweiten Maschinenelement ausgebildete Gegendichtfläche gepresst zu werden. Somit wirkt die von dem in der Verstärkungsringaufnahme sitzenden Verstärkungsring erzeugte radial ausgerichtete Kraft vollständig auf den Kontaktbereich der Dichtlippe.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine Kristallstruktur von Zirconiumwolframat, welches einen Bestandteil eines Verstärkungsringes einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung bildet;
- 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung; und
- 3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Kristallstruktur von Zirconiumwolframat, welches einen Bestandteil eines Verstärkungsringes 14 (gezeigt in 2) einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung bildet. Die Kristallstruktur von Zirconiumwolframat Zr[WO4]2 umfasst ZrO6-Octaeder 01 und WO4-Tetraeder 02. An den Ecken der ZrO6-Octaeder 01 und WO4-Tetraeder 02 sind jeweils Sauerstoffatome 03 angeordnet.
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2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung. Diese Ausführungsform dient zum Abdichten eines ein erstes Maschinenelement bildenden Gehäuses 05 gegenüber einer im Gehäuse 05 rotierbaren, ein zweites Maschinenelement bildenden Welle 06. Die Dichtung umfasst eine ringförmige Armierung 07 aus einem Metall, mit welcher die Dichtung auf einem im Gehäuse 05 ausgebildeten Dichtungssitz 08 fest und dicht sitzt. Die Dichtung umfasst weiterhin einen elastischen Dichtungsring 09, welcher auf die ringförmige Armierung 07 aufvulkanisiert ist. An dem Dichtungsring 09 ist eine ringförmige Dichtlippe 11 ausgebildet, welche radial nach innen gerichtet ist und auf einer an der Welle 06 ausgebildeten Gegendichtfläche 12 zum Anliegen kommt, wodurch die dichtende Wirkung erzielt wird. Zwischen der Dichtlippe 11 und der Gegendichtfläche 12 kommt es zu einer Kontaktflächenpressung, welche erfindungsgemäß durch den Verstärkungsring 14 erhöht ist. Der Verstärkungsring 14 sitzt in einer umlaufenden Verstärkungsringaufnahme 15, welche am Dichtungsring 09 ausgebildet ist. Der Verstärkungsring 14 und die Dichtlippe 11 sind gemeinsam in einer zur Welle 06 senkrechten Ebene angeordnet, sodass die vom Verstärkungsring 14 erzeugte radial nach innen wirkende Kraft vollständig auf die Dichtlippe 11 wirkt. Der Verstärkungsring 14 besteht aus einem Stoffgemisch umfassend einen Kunststoff und in den Kunststoff eingebundene Partikel von Zirconiumwolframat (gezeigt in 1), so dass sich der Verstärkungsring 14 bei zunehmender Temperatur verkürzt und die Kontaktflächenpressung erhöht wird.
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3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten Ausführungsform. Abweichend von der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die umlaufende Verstärkungsringaufnahme 15 auf der Dichtlippe 11 ausgebildet, so dass der Verstärkungsring 14 unmittelbar auf die Dichtlippe 11 wirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- ZrO6-Ocateder
- 02
- WO4-Tetraeder
- 03
- Sauerstoffatom
- 04
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- 05
- Gehäuse
- 06
- Welle
- 07
- ringförmige Armierung
- 08
- Dichtungssitz
- 09
- Dichtungsring
- 10
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- 11
- Dichtlippe
- 12
- Gegendichtfläche
- 13
- -
- 14
- Verstärkungsring
- 15
- Verstärkungsringaufnahme
