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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein temperierbares Dichtungselement. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Dichtungsanordnung mit dem temperierbaren Dichtungselement.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, dass die Festigkeit bzw. Steifigkeit von Dichtungselementen, welche aus einem Polymer, insbesondere aus einem Elastomer bestehen, mit sinkender Umgebungstemperatur zunimmt. Die Umgebungstemperatur um die Dichtungselemente spiegelt die Einsatztemperatur dieser wieder. Mit einer Festigkeitszunahme der Polymere ergibt sich eine Elastizitätsreduzierung der Dichtungselemente oder/und sie werden spröde, wodurch die Funktion der Dichtungselemente nicht mehr vollständig sichergestellt werden kann. Auch die verwendeten Werkstoffe, nämlich die Polymere, können dauerhaft geschädigt werden.
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Es sind Dichtungen bekannt, die elektrisch leitfähig sind, um zwei zueinander bewegliche Bauteile zu erden oder um einen Potentialausgleich zwischen Maschinenelementen zu ermöglichen.
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Bekannte elastomere Werkstoffe sind in einem Minimaltemperaturbereich zwischen -30°C und -10°C bis zu einem Maximaltemperaturbereich zwischen 100°C und 200°C einsetzbar. Außerhalb dieser Grenzen, also im Niedrigtemperaturbereich und im Hochtemperaturbereich, werden besondere Bedingungen oder Spezialmischungen der Werkstoffe benötigt, um die Funktion eines Bauteils aus einem elastomeren Werkstoff zu gewährleisten, was kostenintensiv ist.
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Der thermische Einsatzbereich von Dichtungen ist durch die Materialeigenschaften begrenzt.
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In der
DE 10 2013 206 364 A1 wird eine Vorrichtung zur Erwärmung einer Dichtung gezeigt, wobei die Vorrichtung aus mindestens einem anregenden Bauteil oder Material und mindestens einem anzuregenden Bauteil oder Material besteht, welche räumlich voneinander getrennt sind.
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Die
GB 2 451 700 A beschreibt eine Dichtungsvorrichtung aus einem Metallgehäuse mit einem elastomeren Dichtungselement und Feldspulen, die zwischen dem elastomeren Dichtungselement und dem Gehäuse angeordnet sind. Das Material des Dichtungselements kann sich beispielsweise durch Anlegen eines Magnetfelds erwärmen, wobei ein Sensor die Temperatur der Dichtungsvorrichtung im Betrieb erfasst. Auf dieser Basis wird die Stromquelle geregelt.
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Die
DE 39 34 845 C2 zeigt eine leitfähige Dichtung mit Dichtungsmitteln und einer an einer Oberfläche der Dichtungsmittel gebildeten, leitfähigen Schicht. Diese besteht aus kunstharzartigem, aus der Gruppe der natürlichen und synthetischen Kunstharze ausgewähltem Material, welches ein leitfähiges Mittel enthält.
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Aus der
JP 2011 -
185 326 A ist eine Dichtvorrichtung bekannt, welche eine beheizbare Dichtlippe mit Temperatursensor und eine Regelung aufweist. Das Material des Dichtkörpers kann elastisch und leitfähig sein, alternativ kann ein Heizdraht zur Erwärmung verwendet werden.
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Aus der
WO 2016/ 015 323 A1 ist eine Lippendichtung mit Temperatursensor und steuerbarem Heizelement bekannt. Die Dichtung umfasst einen ringförmigen Grundkörper mit beheizbarer Dichtlippe, wobei das Heizelement in direktem Kontakt zur Dichtlippe steht.
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Aus der
DE 298 24 567 U1 ist eine elektrisch leitfähige Dichtung bekannt, welche ein strangförmiges Dicht- und Abschirmprofil aufweist. Die Dichtung besteht aus einem ersten und einem zweiten Material. Das erste Material ist im Wesentlichen nicht leitfähig. Das zweite Material weist elektrische leitende Einschlüsse auf und besitzt eine gute Abschirmwirkung. Das erste Material ist als Strang ausgebildet und wird von dem zweiten Material teilweise oder vollständig umhüllt. Die Dichtung ist in einem elektrisch abschirmenden Gehäuse anwendbar.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Dichtungselement bereitzustellen, welches bei niedrigen Temperaturen unter Gewährleistung der Funktion des Dichtungselements einsetzbar ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Dichtungselement gemäß dem beigefügten Patentanspruch 1 sowie durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Patentanspruch 9.
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Das erfindungsgemäße Dichtungselement dient der Abdichtung zwischen Maschinenelementen. Das Dichtungselement umfasst einen Dichtungskörper, eine an dem Dichtungskörper angeordnete Dichtlippe, ein elektrisches Kontaktelement und ein elektrisch leitfähiges Material. Der Dichtungskörper und die Dichtlippe bestehen aus einem Polymer. Das elektrische Kontaktelement ist zumindest teilweise im Polymer eingebettet, als Armierung ausgebildet und besteht aus mindestens zwei zueinander beabstandeten Kontaktteilen. Die Kontaktteile weisen jeweils mindestens eine außerhalb des Polymers liegende Seite auf. An den außen liegenden Seiten der Kontaktteile, und damit des Kontaktelements, ist eine elektrische Spannung anlegbar. In dem Polymer des Dichtungskörpers und der Dichtlippe des Dichtungselements ist das elektrisch leitfähige Material eingebracht. Das elektrisch leitfähige Material besteht aus Fasern oder aus einem Gewebe, welches durch Fasern gebildet wird. Das elektrisch leitfähige Material liegt zumindest teilweise an dem elektrischen Kontaktelement an. Insbesondere liegt das elektrisch leitfähige Material an den beiden Kontaktteilen des elektrischen Kontaktelements an. Zwischen den beiden Kontaktteilen bildet das elektrisch leitfähige Material einen Strompfad oder vorzugsweise mehrere parallele Strompfade mit ohmschem Widerstand aus, entlang denen ein elektrischer Strom fließen kann. Der durch das elektrisch leitfähige Material gebildete mindestens eine Strompfad verläuft durch den Dichtungskörper und/oder durch die Dichtlippen, um bei angelegter Spannung mindestens im Bereich der Dichtlippe eine Erwärmung herbeizuführen.
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Das Polymer des Dichtungselements ist bevorzugt ein Elastomer.
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Vorzugsweise wird das elektrisch leitfähige Material durch zahlreiche Kohlefasern gebildet. Alternativ bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Material ein Derivat von Kohlefasern. Weiterhin alternativ bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Material aus metallischen Fasern gebildet. Alternativ bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Material aus gefüllten Polymerfasern.
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Bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Material aus mindestens einer der zuvor genannten Faserarten gebildet, welche statistisch gleichverteilt im Polymer eingebracht ist, wobei zahlreiche Strompfade zwischen den Kontaktteilen ausgebildet werden. Die zahlreichen Strompfade, die sich beispielsweise durch eine Gitterstruktur ausbilden, verlaufen bevorzugt elektrisch parallel im Polymer.
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Der Querschnitt und/oder die Leitfähigkeit der Fasern je Faserwerkstoff des elektrisch leitfähigen Materials muss so gewählt werden, dass der elektrische Widerstand eine gewünschte Wärmeabgabe hervorruft.
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Der ohmsche Widerstand der mehreren Strompfade ist vorzugsweise so gewählt, dass das Dichtungselement bei einer angelegten Spannung um mindestens 5 K gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt wird. Besonders bevorzugt ist der ohmsche Widerstand der mehreren Strompfade so gewählt, dass das Dichtungselement bei einer angelegten Spannung um mindestens 10 K gegenüber der Umgebungstemperatur erwärmt wird. Der ohmsche Widerstand ist ein Durchgangswiderstand. Das Dichtungselement soll so erwärmt werden können, dass es bei den jeweiligen Umgebungsbedingungen mindestens die Temperatur erreicht, welche die untere Einsatzgrenze des Materials darstellt. Bei einer Außentemperatur von z. B. -60°C und einer minimalen Einsatztemperatur von -40°C, muss somit eine Erwärmung um 20K erreichbar sein.
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Mittels der an dem elektrischen Kontaktelement anzulegenden Spannungen und dem eingespeisten Strom ist die Erwärmung des temperierbaren Dichtungselements einstellbar oder regelbar.
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Das elektrisch leitfähige Material, also die Fasern oder das Fasergewebe, wird während des Fertigungsprozesses beispielsweise in einer definierten Position in ein Spritzgusswerkzeug für Dichtungen eingelegt und mit dem Polymer umspritzt. Im Anschluss an den Fertigungsprozess wird überstehendes elektrisch leitfähiges Material bündig oder mit einem definierten Abstand zu dem Dichtungskörper und/oder der Dichtlippe abgetrennt, wobei mindestens ein Strompfad besteht und der Kontakt zu den Kontaktteilen sichergestellt werden kann. Die Verwendung eines Fasergewebes anstelle einzelner Fasern hat den Vorteil, dass keine Fasern einzeln positioniert werden müssen und somit der Fertigungsaufwand gesenkt werden kann. Die Herstellung des Dichtungselements ist aufwandsarm.
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Vorzugsweise ist das Dichtungselement scheibenförmig ausgebildet, sodass auch der Dichtungskörper scheibenförmig ausgebildet ist und die mindestens eine Dichtlippe an einem Umfang ausgebildet ist.
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Das elektrische Kontaktelement ist bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei die beiden Kontaktteile gemeinsam entlang des Ringumfangs beabstandet angeordnet sind. Vorzugsweise decken die Kontaktteile gemeinsam nahezu den gesamten Ringumfang ab. Besonders bevorzugt decken die Kontaktstellen gemeinsam dreiviertel des Ringumfangs ab.
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In einer Ausführungsform weist das elektrische Kontaktelement zwei plattenförmige Kontaktstellen auf.
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Das elektrische Kontaktelement ist vorzugsweise zu einem Drittel von dem Polymer umschlossen. Besonders bevorzugt ist das elektrische Kontaktelement zur Hälfte von dem Polymer umschlossen. Alternativ bevorzugt ist das elektrische Kontaktelement zu zwei Dritteln von dem Polymer umgeben.
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Im temperierbaren Dichtungselement wird bei angelegter Spannung bevorzugt der Bereich der Dichtlippe erwärmt. Alternativ bevorzugt wird bei angelegter Spannung der Bereich der Dichtlippe und der Dichtungskörper zumindest teilweise erwärmt. Alternativ bevorzugt wird bei angelegter Spannung die Dichtlippe und der Dichtungskörper im Wesentlichen gleichförmig erwärmt.
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Das temperierbare Dichtungselement ist beispielsweise in Wälzlagern zur Abdichtung anwendbar.
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Durch das erfindungsgemäße Dichtungselement wird bei angelegter Spannung Wärme im Bereich des oder der Strompfade erzeugt. Das Dichtungselement wird durch Wärmeleitung (Konduktion) erwärmt. Ein Vorteil des temperierbaren Dichtungselements ist, dass die Erwärmung durch die Wahl des verwendeten elektrisch leitfähigen Materials und der anzulegenden Spannung regulierbar ist. Die Erwärmung des Dichtungselements hat den Vorteil, dass das Dichtungselement auch bei niedrigen Temperaturen, welche im Tieftemperaturbereich deutlich unter 0° C liegen können, anwendbar ist und dabei seine Funktionsfähigkeit beibehält. Das Polymermaterial bleibt elastisch und wird nicht steif oder spröde. Vorteilhafterweise kommt es nicht zu Beschädigungen am Dichtungselement. Die Materialeigenschaften bleiben mittels des temperierbaren Dichtungselements erhalten. Ein weiterer Vorteil des Dichtungselements ist, dass bekannte Dichtungsgeometrien beibehalten werden können. Das Umspritzen des elektrisch leitfähigen Materials hat sich als vorteilhaft erwiesen, da dieses infolgedessen vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Das Dichtungselement ist damit praktisch wartungsfrei.
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Das temperierbare Dichtungselement ist beispielsweise bei Bahnanwendungen bei Temperaturen bis zu -60°C anwendbar.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dient der Abdichtung eines Raumes zwischen einem ersten Maschinenelement und einem um eine gemeinsame Achse rotierbaren zweiten Maschinenelement. Die Dichtungsanordnung weist ein temperierbares Dichtungselement auf, wobei das temperierbare Dichtungselement dem zuvor beschriebenen Dichtungselement mit allen seinen Ausführungsformen entspricht. Das Dichtungselement ist zwischen den beiden Maschinenelementen angeordnet und dient der Abdichtung des Raumes zwischen den Maschinenelementen. Die Dichtlippe des Dichtungselements liegt an einem Maschinenelement dichtend an. Der Dichtungskörper des Dichtungselements ist an dem anderen Maschinenelement drehfest angeordnet. An den Kontaktteilen ist eine Spannung bzw. eine Versorgungsspannung anlegbar, welche von einer regelbaren Stromquelle bereitgestellt wird.
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Die Maschinenelemente sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Lagerringe eines Wälzlagers.
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Ein Vorteil der temperierbaren Dichtungsanordnung ist, dass das Reibungsverhalten sowie das Dämpfungsverhalten durch die anlegbare Spannung regulierbar sind.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemä-ßen temperierbaren Dichtungselements;
- 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Dichtungselements.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen temperierbaren Dichtungselements 01. Das temperierbare Dichtungselement 01 umfasst einen Dichtungskörper 02 und eine an dem Dichtungskörper 02 angeordnete Dichtlippe 03. Der Dichtungskörper 02 ist scheibenförmig ausgebildet. Die Dichtlippe 03 ist am Innenumfang des Dichtungskörpers 02 angeordnet. Der Dichtungskörper 02 und die Dichtlippe 03 bestehen aus einem Elastomer, in das ein aus elektrisch leitfähigen Fasern gebildetes elektrisch leitfähiges Gewebe 04 eingebracht ist. An einer Seitenfläche 06 des Dichtungskörpers 02 sind im Bereich des Außenumfangs zwei Kontaktteile 07 angeordnet. An den Kontaktteilen 07 ist eine elektrische Spannung anlegbar, wobei an einem Kontaktteil 07 eine positive und an dem anderen Kontaktteil 07 eine negative Spannung anliegt. Alternativ kann auch eine Wechselspannung angelegt werden. Die beiden Kontaktteile 07 bilden gemeinsam ein elektrisches Kontaktelement 08. Das elektrische Kontaktelement 08 ist zumindest teilweise vom Elastomer des Dichtungskörpers 02 umgeben, wobei die Kontaktteile 07 des Kontaktelements 08 und das elektrisch leitfähige Gewebe 04 zumindest teilweise aneinander anliegen, d. h. in elektrischem Kontakt stehen. Entlang der Fasern des elektrisch leitfähigen Gewebes 04 sind damit Strompfade mit ohmschem Widerstand ausgebildet. Beim Anlegen einer Versorgungsspannung 09 an den Kontaktteilen 07 kommt es entlang der Strompfade zu einem Stromdurchfluss und mittels des ohmschen Widerstandes kommt es zur Wärmebildung an den Fasern des Gewebes 04 und dann zur Wärmeleitung, woraufhin sich das das elektrisch leitfähige Gewebe 04 umgebende Elastomer erwärmt. Somit erfolgt eine Erwärmung des Dichtungselements 01 im Bereich des Dichtungskörpers 02 und der Dichtlippe 03. Demzufolge kann das erfindungsgemäße temperierbare Dichtungselement 01 auch in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen zur Anwendung kommen, da die Material- und Dichtungselementeigenschaften aufrechterhalten werden. Das elektrische Kontaktelement 08 hat weiterhin den Nutzen als Armierung im Dichtungselement.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer leicht abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen temperierbaren Dichtungselements 01. Zunächst gleicht das in 2 gezeigte Dichtungselement 01 dem in 1 gezeigten Dichtungselement 01. Abweichend zu den in 1 gezeigten Kontaktteilen 07 des elektrischen Kontaktelements 08 weisen die Kontaktteile 07 des in 2 gezeigten Dichtungselements 01 eine größere Ausdehnung entlang des äußeren Umfangs auf. Die Kontaktteile 07 der 1 entsprechen zusammen in ihrer Ausdehnung etwa dreiviertel des äußeren scheibenförmigen Dichtungskörperumfangs. Die Kontaktteile 07 der 2 decken in ihrer Ausdehnung zusammen nahezu den gesamten äußeren scheibenförmigen Dichtungskörperumfang ab, wobei zwischen beiden Enden der Kontaktteile 07 jeweils ein Spalt besteht, welcher der Potentialtrennung der Kontaktteile dient. Die Kontaktteile 07 sind im Querschnitt T-förmig ausgebildet, wobei ein Schenkel 11 der Kontaktteile 07 in den Dichtungskörper 02 hineinragt und von dem Elastomer vollständig umgeben wird. Das elektrisch leitfähige Gewebe 04 liegt an dem Schenkel 11 des Kontaktteils 07 an, sodass mittels der an den Kontaktteilen 07 angelegten Versorgungsspannung 09 über die Kontaktteile 07 entlang der Strompfade des elektrisch leitfähigen Gewebes 04 ein Strom fließen kann und durch den elektrischen Widerstand des Gewebes 04 Wärme erzeugt wird. Die in 2 gezeigte Dichtlippe 03 des Dichtungselements 01 ist als zweigeteilte Dichtlippe 03 ausgebildet. Die Fasern des Gewebes 04 erstrecken sich bis in die Dichtlippen hinein, sodass auch dort Wärme erzeugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- temperierbares Dichtungselement
- 02
- Dichtungskörper
- 03
- Dichtlippe
- 04
- elektrisch leitfähiges Gewebe
- 05
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- 06
- Seitenfläche des Dichtungskörpers 02
- 07
- Kontaktteil
- 08
- elektrisches Kontaktelement
- 09
- Versorgungsspannung
- 10
- -
- 11
- Schenkel des Kontaktteils 07
