-
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, umfassend ein erstes Maschinenelement und ein zweites Maschinenelement, welche einen Spalt begrenzen, wobei in dem Spalt ein Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement anliegt, wobei das Dichtelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt in Kontakt mit dem abzudichtenden Medium gelangt.
-
Dichtungen, insbesondere dynamisch beanspruchte Dichtungen nutzen sich während der vorhergesehenen Lebensdauer ab, wobei verschiedene Abnutzungsphänomene zum Tragen kommen. Durch Materialermüdung lässt die Kontaktspannung der Dichtung nach, ebenso nimmt die Anpresskraft ab. Durch Verschleiß, Materialermüdung und Setzverhalten ändern sich die Dimensionen der Dichtungen, so dass die Kontaktspannung und die Anpresskraft allmählich nachlassen. Diese Vorgänge führen dazu, dass es zunächst zu einer Leckage und anschließend zum Ausfall des Dichtsystems kommt.
-
Zur Überwachung einer möglichen Leckage von Dichtungen ist es bekannt, in die Dichtung eine Einrichtung zur Leckageüberwachung zu integrieren. Eine derartige Leckageüberwachung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 007 405 B4 bekannt. Dort ist eine elektrische Einrichtung zur Erkennung des Verschleißzustandes eines dynamischen Dichtelementes beschrieben. Das Dichtelement umfasst dabei ein elektrisch leitfähigen Abschnitt und einen elektrisch nicht-leitfähigen Abschnitt, welcher mit dem abzudichtenden Maschinenelement in Kontakt steht. Das Maschinenelement ist ebenfalls elektrisch leitfähig. Durch Verschleiß des Dichtelementes nutzt sich das elektrisch nicht-leitende Dichtmaterial ab, so dass das elektrisch leitende Dichtmaterial schließlich in Kontakt mit dem Maschinenelement gelangt. Dabei schließt sich ein Stromkreis, was wiederum sensiert werden kann und den erforderlichen Austausch des Dichtelementes signalisiert.
-
Bei dieser Ausgestaltung ist nachteilig, dass keine allmählichen Zustandsänderungen erfassbar sind. Es kann lediglich ermittelt werden, dass die Verschleißgrenze des Dichtelementes erreicht ist und dass das Dichtelement ausgetauscht werden muss. Des Weiteren erfasst diese Ausgestaltung lediglich einen materialabtragenden Verschleiß. Ein Verlust der Dichtwirkung durch Setzverhalten kann hingegen nicht erfasst werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung mit der Möglichkeit einer permanenten und vorausschauenden Zustandsüberwachung der Dichtfunktion des Dichtelementes bereitzustellen, welche auch Verschleiß und Setzverhalten berücksichtigt.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 10 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
-
Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Dichtungsanordnung ein erstes Maschinenelement und ein zweites Maschinenelement, welche einen Spalt begrenzen, wobei in dem Spalt ein Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement anliegt, wobei das Dichtelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt, wobei dem Dichtelement zumindest ein Sensor zugeordnet ist, welcher die Anpressung des Dichtelementes erfasst, wobei der Sensor dem zweiten Abschnitt zugeordnet ist.
-
Die Dichtwirkung des Dichtelementes resultiert wesentlich durch die Anpresskraft des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement. Die Anpressung des Dichtelementes entsteht dabei bei einem aus elastomeren Material ausgebildeten Dichtelement durch die elastische Verformung des Dichtungswerkstoffes. Die elastische Verformung erzeugt Gegenkräfte, welche an allen Anlageflächen des Dichtelementes wirken, also sowohl an dem abzudichtenden zweiten Maschinenelement als auch an den Begrenzungswänden des Aufnahmeraumes des ersten Maschinenelementes. Durch Alterung oder Dimensionsänderungen, beispielsweise durch Verschleiß, verringert sich die elastische Vorspannung des Dichtelementes gegenüber den Anlageflächen, was schließlich einer abnehmenden Dichtwirkung resultiert. Durch den dem Dichtelement zugeordneten Sensor kann die aus der elastischen Verformung resultierende Gegenkraft erfasst werden. Sobald der durch den Sensor erfasste Anpressdruck des Dichtelementes einen Schwellenwert unterschreitet kann ein erforderlicher Austausch des Dichtelementes signalisiert werden. Dabei kann der Schwellwert so eingestellt sein, dass noch keine nennenswerte Leckage in der Dichtungsanordnung aufgetreten ist.
-
Der Dichtungswerkstoff des Dichtelementes, zumeist ein Elastomer, ist im Wesentlichen inkompressibel und verhält sich dadurch bei Verformung wie eine Flüssigkeit. Eine Verformung oder Kompression in einem Bereich bewirkt eine Verdrängung des Materials. An Kontaktstellen des Dichtelementes, beispielsweise in einer Nut, erhöht sich dadurch der Anpressdruck des Dichtelementes an die Nutwände. Ein korrekt montiertes Dichtelement übt dementsprechend eine vorbestimmte Anpresskraft an die angrenzenden Wände der Maschinenelemente aus. Durch Verschleiß lässt die Anpresskraft allmählich nach. Aufgrund des oben beschriebenen Verhaltens nimmt dabei die Anpresskraft nicht nur an aneinander gegenüberliegenden Wänden ab, sondern an allen angrenzenden Wänden. Insofern kann der Sensor auch in den Bereichen des Dichtelementes den Verschleiß eines Dichtelementes ermitteln, welcher keine unmittelbare Dichtfunktion hat. Der Sensor kann auch allmähliche Veränderungen erfassen und so ein kontinuierliches Monitoring der Dichtungsanordnung ermöglichen.
-
Aus dem durch den Sensor erfassten Druck kann der von dem Dichtelement an das zweite Maschinenelement ausgeübte Anpressdruck ermittelt werden. Je nach Ausgestaltung der Dichtungsanordnung ist der Anpressdruck des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement direkt proportional zu dem von dem Sensor erfassten Druck. Alternativ ist es denkbar, eine Relation durch Simulation oder dergleichen herzustellen, so dass auch bei komplizierten Ausgestaltungen von Aufnahmeraum und/oder Dichtelement ein Rückschluss auf den Anpressdruck des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement möglich ist. Der Sensor kann dabei als Drucksensor oder als Kraftsensor ausgebildet sein.
-
Der zweite Abschnitt bildet vorzugsweise einen Funktionsabschnitt, welcher dem abzudichtenden Medium abgewandt ist. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt einen Stützabschnitt bilden.
-
Der zweite Abschnitt weist im Gegensatz zu dem ersten Abschnitt keine Dichtfunktion auf. Der Sensor, der erfindungsgemäß dem zweiten Abschnitt zugeordnet ist, ist dabei einem Bereich des Dichtelementes ohne Dichtfunktion zugeordnet. Dadurch kann der Dichtbereich des Dichtelementes einen allein auf die Dichtfunktion optimal abgestimmten Dichtungswerkstoff aufweisen. Des Weiteren unterliegt der Sensor keinem direkten Verschleiß und kann auf die Sensorfunktion optimiert sein. Des Weiteren gelangt der Sensor nicht unbedingt mit abzudichtenden Medien in Kontakt, so dass bei der Auswahl des Sensors die Medienbeständigkeit von untergeordneter Bedeutung ist.
-
In dem ersten Maschinenelement kann ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des Dichtelementes angeordnet sein. Der Aufnahmeraum kann im Fall eines Maschinenelementes mit zylindrischer Bohrung in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet sind, welche in die Wand der zylindrischen Bohrung eingebracht ist.
-
Der Sensor ist vorzugsweise derart plaziert, dass dieser nicht mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt. Dazu kann der Sensor vorzugsweise im Aufnahmeraum angeordnet sein, so dass sich das Dichtelement zwischen abzudichtenden Medium und Sensor befindet. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, dass der Sensor keinem direkten Verschleiß unterworfen ist und dass der Sensor auch keinerlei Anforderungen im Hinblick auf Medienbeständigkeit, bzw. im Fall von Lebensmittelanwendungen einer Lebensmitteltauglichkeit erfüllen muss. Darüber hinaus ist der Sensor vorzugsweise einem Abschnitt des Dichtelementes ohne Dichtfunktion angeordnet.
-
Bevorzugt weist der Sensor ein elektromechanisches Wirkprinzip auf. Derartige Sensoren sind beispielsweise piezoresistive Sensoren, piezoelektrische Sensoren oder Dehnungsmessstreifen. Derartige Sensoren sind einfach und robust. Der zu erfassende Druck kann mit einfachen Mitteln erfasst werden. Ferner ist ein kontinuierliches Monitoring der Dichtungsanordnung möglich. Prinzipiell ist auch denkbar, dass der Sensor ein optomechanisches Wirkprinzip aufweist.
-
Der Sensor kann mehrteilig ausgebildet sein und zumindest ein Federelement sowie zumindest ein Sensorelement umfassen. Das Federelement bildet dabei ein Übertragungselement, welches den von dem Dichtelement ausgeübten Anpressdruck an das Federelement überträgt und schließlich durch das Sensorelement erfasst wird. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann das Federelement auch einen Wandler bilden, den beispielsweise einen auf das Federelement einwirkenden Druck in eine Längenänderung ändert, welche wiederum durch den Sensor erfasst wird. Die Erfassung des Dichtungszustandes erfolgt dabei indirekt über das Federelement. Bei dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, das Sensorelement beabstandet zu dem Dichtelement anzuordnen.
-
Der Aufnahmeraum kann als Nut ausgebildet sein, wobei der Sensor vorzugsweise dem Nutgrund der Nut zugeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Dichtelement zwischen Sensor und abzudichtenden Raum angeordnet, so dass das Dichtelement den Sensor verkapselt. Dadurch ist der Sensor vor äußeren Einflüssen geschützt.
-
In dem ersten Maschinenelement kann ein Kanal angeordnet sein, welcher dem Sensor zugeordnet ist. Der Kanal nimmt nach einer ersten Ausgestaltung eine Signalleitung zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinheit auf. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Anschluss des Sensors, insbesondere ist es nicht erforderlich, den Sensor mit Hilfsenergie zu versorgen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nimmt der Kanal zumindest teilweise den Sensor auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sensor größere Abmessungen aufweist.
-
Der Sensor kann zumindest teilweise in das Dichtelement eingebettet sein. Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, den Sensor separat zu montieren. Des Weiteren ist der Sensor durch das Dichtelement vor äußeren Einflüssen geschützt.
-
Der Sensor kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aus dem Material des Dichtelementes ausgebildet sein. Dabei kann das Material gemäß einer ersten Ausgestaltung als piezoelektrisches Material ausgebildet sein. Dazu kann in das Dichtmaterial des Dichtelementes ein piezoelektrischer Füllstoff eingebracht sein, der dem Dichtelement piezoelektrische Eigenschaften verleiht. Alternativ kann das Material des Dichtelementes einen elektrischen Widerstand aufweisen, welcher sich in Abhängigkeit der mechanischen Spannung ändert. Diese Eigenschaft kann ebenfalls durch Wahl eines geeigneten Füllstoffes realisiert werden.
-
Der Sensor kann an dem Dichtelement befestigt sein. Dadurch ist sichergestellt, dass der Sensor lagerichtig zum Dichtelement angeordnet ist. Die Befestigung des Sensors erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig durch Kleben, Schweißen oder Vulkanisation.
-
Die Dichtungsanordnung kann eine Stangendichtung und/oder eine Ventilsitzdichtung sein. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung im Zusammenhang mit Lebensmittelanwendungen. Bei Lebensmittelanwendungen ist häufig ein laufendes Monitoring der Dichtungsanordnung erforderlich, um Verunreinigungen von Lebensmitteln zu verhindern. Das Dichtelement kann dabei beispielsweise ein O-Ring, ein Quad-Ring oder dergleichen sein. Die Dichtungsanordnung kann ebenso eine statische Dichtung sein.
-
Das erfindungsgemäße Dichtelement für die Dichtungsanordnung umfasst einen Dichtkörper aus einem Dichtungsmaterial und zumindest einen Sensor. Dabei kann der Sensor gemäß einer ersten Ausgestaltung an dem Dichtelement befestigt sein oder gemäß einer zweiten Ausgestaltung zumindest teilweise in das Dichtelement eingebettet sein.
-
Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Dichtungsanordnung mit einem Sensor im Bereich des Nutgrundes;
- 2 eine Dichtungsanordnung mit einem in dem Kanal aufgenommenen Sensor;
- 3 eine Dichtungsanordnung mit einem in das Dichtelement eingebetteten Sensor;
- 4 eine Dichtungsanordnung mit einem mehrteiligen Sensor;
- 5 eine Dichtungsanordnung mit einem elektromechanischen Sensor, der aus dem Material des Dichtelementes ausgebildet ist.
-
Die Figuren zeigen eine Dichtungsanordnung 1 mit einem ersten Maschinenelement 2 und einem zweiten Maschinenelement 3, welche einen Spalt 4 begrenzen. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist das erste Maschinenelement 2 ein Gehäuse und das zweite Maschinenelement 3 ist eine Stange, welche sich relativ zu dem ersten Maschinenelement 2 translatorisch bewegt.
-
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Dichtungsanordnung 1 in einer Ventilsitzsichtung angeordnet. Dabei ist das erste Maschinenelement 2 ein Gehäuse und das zweite Maschinenelement 3 ist ein Ventilschaft.
-
In dem Spalt 4 ist ein Dichtelement 5 angeordnet. Dabei trennt das Dichtelement 5 den abzudichtenden Raum über der Umgebung. In dem abzudichtenden Raum befindet sich ein abzudichtendes Medium, beispielsweise Schmieröl. Prinzipiell sind auch andere Ausgestaltungen von Dichtungsanordnungen mit alternativen Ausgestaltungen von erstem Maschinenelement 2, zweitem Maschinenelement 3 und Dichtelement 5 denkbar.
-
Zur Aufnahme des Dichtelementes 5 ist in das erste Maschinenelement 2 ein Aufnahmeraum 6 eingebracht. Der Aufnahmeraum 6 ist vorliegend als Nut ausgebildet und weist zwei Nutwände sowie einen Nutgrund auf. Der Aufnahmeraum 6 ist ringförmig ausgebildet. Das Dichtelement 5 ist in den Aufnahmeraum 6 eingelegt und liegt unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement 3 an. Bei einer alternativ ausgestalteten Dichtungsanordnung 1 ist das Dichtelement 5 direkt in dem Spalt 4 angeordnet.
-
Das Dichtelement 5 ist vorliegend eine rechteckig ausgebildete Dichtung. Alternativ kann das Dichtelement 5 als O-Ring oder als Quad-Ring ausgebildet sein. Das Dichtelement 5 ist aus einem elastomeren Dichtungsmaterial ausgebildet, beispielsweise Silikon-Kautschuk oder Fluorkautschuk.
-
Dem Dichtelement 5 ist ein Sensor 7 zugeordnet, welcher die Anpressung des Dichtelementes erfasst. Nach der Montage liegt das Dichtelement 5 mit elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement 3 an.
-
Dadurch wird das Dichtelement 5 in den Aufnahmeraum 6 eingedrückt und übt eine Kraft auf den Sensor 7 auf. Mit zunehmendem Verschleiß nimmt die Anpressung des Dichtelementes 5 an das abzudichtende zweite Maschinenelement 3 ab, wobei die von dem Dichtelement 5 auf den Sensor 7 ausgeübte Kraft gleichermaßen nachlässt. Dadurch kann durch den Sensor 7 kontinuierlich die Anpressung des Dichtelementes 5 und damit der Verschleiß des Dichtelementes 5 ermittelt werden. Unterschreitet die Anpressung des Dichtelementes 5 an den Sensor 7 einen vorgegebenen Wert, kann ein erforderlicher Austausch des Dichtelementes 5 signalisiert werden.
-
Der Sensor 7 weist ein elektromechanisches Wirkprinzip auf, so dass der Druck mit einfachen Mitteln erfassbar und elektronisch an einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden kann.
-
Das Dichtelement 5 weist ein dem zweiten Maschinenelement 3 zugewandten ersten Abschnitt 13 und ein dem zweiten Maschinenelement 3 abgewandten zweiten Abschnitt 14 auf. Der Sensor 7 ist dem zweiten Abschnitt 14 zugeordnet und damit von dem zweiten Maschinenelement 3 beabstandet.
-
Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der erste Abschnitt 13 als Dichtabschnitt und der zweite Abschnitt 14 als Stützabschnitt ausgebildet.
-
1 zeigt eine erste Ausgestaltung der Dichtungsanordnung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 befestigt. Der Sensor 7 befindet sich nach der Montage in dem Aufnahmeraum 6 zwischen Dichtelement 5 und Nutgrund des Aufnahmeraumes 6.
-
In den Aufnahmeraum mündet ein Kanal 10, welcher eine Signalleitung zum Anschluss des Sensors 7 an eine Auswerteeinheit aufnimmt.
-
Vorliegend ist der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 befestigt. Alternativ kann der Sensor 5 in den Aufnahmeraum 6 eingelegt und allein durch die Anpressung des Dichtelementes 5 gehalten sein. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der Sensor 7 mittels einer Schraubverbindung in dem Aufnahmeraum 6 fixiert sein.
-
Der Sensor 7 kann als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein, welcher auf der Seite des Dichtelementes 5 angeordnet ist, die dem Nutgrund des Aufnahmeraumes 6 zugeordnet ist. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der Sensor 7 als piezoresistiver Sensor ausgebildet sein.
-
2 zeigt eine Weiterbildung der in 1 beschriebenen Dichtungsanordnung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung nimmt der Kanal neben der Signalleitung auch den Sensor 7 auf. An der Mündung des Kanales in den Aufnahmeraum 6 liegt der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 an.
-
Bei der Ausgestaltung gemäß 3 ist der Sensor 7 in das Dichtelement 5 eingebettet. Zur Herstellung wird der Sensor 7 in einem Formwerkzeug plaziert und mit dem Dichtungsmaterial umspritzt. Bei dieser Ausgestaltung ist der Sensor 7 innerhalb des Dichtelementes 5 eingekapselt. In den Aufnahmeraum 6 mündet ein Kanal 10, welcher die Signalleitung 11 zum Verbinden des Sensors 7 mit einer Auswerteeinheit aufnimmt.
-
4 zeigt eine Dichtungsanordnung 1, bei welcher an dem Dichtelement 5 auf der dem Nutgrund des Aufnahmeraums 6 zugewandten Seite ein Federelement 8 zugeordnet ist. Das Federelement 8 ist ähnlich einer Tellerfeder ausgestaltet. Auf der dem Dichtelement 5 abgewandten Seite des Federelementes 8 ist ein Sensorelement 9 angeordnet. Federelement 8 und Sensorelement 9 bilden bei dieser Ausgestaltung einen Sensor 7 in Form eines Drucksensors. Das Sensorelement 9 erfasst Verformungen des Federelementes 8, welche aus der Anpressung des Dichtelements 5 resultieren. In den Aufnahmeraum 6 mündet ein Kanal 10, welcher die Signalleitung 11 zum Anschluss des Sensors 7 an eine Auswerteeinheit aufnimmt.
-
5 zeigt eine Dichtungsanordnung 1, bei welcher der Sensor 7 aus dem Material des Dichtelementes 5, also aus dem Dichtungswerkstoff, ausgebildet ist. Dazu sind in das Material Füllstoffe eingebracht, welche dem Material elektromechanische Eigenschaften verleihen. Dabei kann der Füllstoff so in das Material eingebracht sein, dass sich die elektromechanischen Eigenschaften lediglich lokal ausbilden, beispielweise auf der dem Nutgrund des Aufnahmeraums 6 zugewandten Seite.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die dem zweiten Maschinenelement 3 abgewandten Seite des Dichtelementes 5 als piezoelektrischer Drucksensor ausgebildet, so dass der Sensor 7 materialeinheitlich und einstückig aus dem Dichtelement 5 ausgebildet ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007007405 B4 [0003]
