DE102019206215A1

DE102019206215A1 - Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren

Info

Publication number: DE102019206215A1
Application number: DE102019206215.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Stöckel; Christiane Thomas
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05
Also published as: WO2020221679A1

Abstract

Bei der Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren ist in einer nutenförmigen Dichtungskammer (1) mindestens ein ringförmiges Dichtelement (2) angeordnet und so ausgebildet, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners (3) weisenden Oberfläche, insbesondere einer Kolbenstange in berührendem Kontakt steht und ein Hohlraum zwischen dem mindestens einen Dichtelement (2) und einem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) vorhanden ist, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist. Im Hohlraum zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) und der in Richtung Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) zugewandten Oberfläche des Dichtelements (2) ist ein das mindestens eine Dichtungselement (2) mit Druckkraftbeaufschlagung gegen die Oberfläche des Reibpartners vorspannende Formteil (4), das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren, insbesondere ungeschmierte Kolbenkompressoren oder Hubkolbenverdichter in Kreuzkopfbauart.
Bei thermisch hoch beanspruchten Elementen, insbesondere Dichtelementen von Kolbenkompressoren ist üblicherweise eine Kühlung erforderlich. Außerdem soll eine effektive und wirkungsvolle Abführung von Wärme aus diesen kritischen Bereichen möglich sein.
So sind verschiedene technische Lösungen bekannt, bei denen eine Kolben- und Kolbenstangenkühlung, die die Reibungswärme zwischen Dichtelement und einer Kolbenstange bzw. einem Kolben abführen können, bekannt, die als Innenkühlung ausgeführt sind. Der besonders kritische Bereich in dem Reibung und dadurch eine erhöhte Erwärmung auftritt, kann so aber nur unbefriedigend gekühlt werden.
In Dichtungskammern von z.B. Kolbenstangenpackungen ist zwischen dem eigentlichen Dichtelement, das der Reibung ausgesetzt ist, üblicherweise ein freier Spalt vorhanden, der während des Betriebs mit komprimiertem Gas gefüllt ist. Dieser mit Gas gefüllte Bereich erfüllt aber die Funktion eines thermischen Isolators, so dass Wärme vom Dichtelement, insbesondere einem Dichtring nur schlecht abgeführt werden kann. Die erreichbare Kühlwirkung bei einem gekühlten Dichtungsgehäuse ist wegen des thermisch isolierenden Gaspuffers zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke nur gering.
Kolben- bzw. Kolbenstangeninnenkühlungen stellen aufwändige technische Lösungen dar und sie sind nur für großdimensionierte Kolbenverdichter geeignet und/oder bei großen Temperaturdifferenzen geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine verbesserte Wärmeabfuhr aus kritischen, durch Reibung beanspruchte Dichtbereichen von Kolbenkompressoren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Dichtungsanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren ist in einer nutenförmigen Dichtungskammer mindestens ein ringförmiges Dichtelement angeordnet und so ausgebildet ist, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners angeordneten Oberfläche mit der Oberfläche des Reibpartners, insbesondere einer Kolbenstange in berührendem Kontakt steht. Außerdem ist ein Hohlraum zwischen dem mindestens einen Dichtelement und einem Boden (Grund) der nutenförmigen Dichtungskammer vorhanden, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist.
Im Hohlraum ist zwischen dem Boden (Grund) der nutenförmigen Dichtungskammer und der in Richtung Boden (Grund)der nutenförmigen Dichtungskammer zugewandten Oberfläche des mindestens einen Dichtelements ein das Dichtungselement mit Druckkraftbeaufschlagung gegen die Oberfläche des Reibpartners vorspannendes Formteil, das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet.
Das Formteil sollte das Volumen zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer und dem mindestens einen Dichtelement nicht vollständig ausfüllen oder im Formteil kann mindestens ein offener Hohlraum ausgebildet sein, so dass dort ein, während des Betriebes des Kolbenkompressors, komprimiertes Gas vorhanden sein kann.
Das Formteil sollte elastisch verformbar sein. Dazu kann am Formteil mindestens ein elastisch verformbarer Bereich vorhanden sein.
Mindestens ein Federelement kann an mindestens einem elastisch verformbaren Bereich angreifen und dadurch können Druckkräfte auf den jeweiligen elastisch verformbaren Bereich und das mindestens eine Dichtelement in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des Reibpartners ausgeübt werden.
Das Formteil kann einen T-förmigen oder Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen und mindestens ein Schenkel und/oder ein sich an einen Schenkel anschließender Bereich eines so ausgebildeten Formteils kann einen elastisch verformbaren Bereich bilden.
Ein Federelement kann an mindestens einem Schenkel eines Formteils mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt angreifen oder sich dort abstützen.
Das Federelement kann beispielsweise eine Blattfeder sein. Eine Blattfeder kann sich mit einer Stirnseite an einem Schenkel eines Formteils mit T-förmigem Querschnitt und mit der anderen Stirnseite am Boden der nutenförmigen Dichtungskammer abstützen. Bei einem Formteil mit Doppel-T-förmigem Querschnitt können sich die beiden Stirnseiten einer Blattfeder an jeweils einem Schenkel abstützen. Dazu ist die Blattfeder länger als der Abstand zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer und dem einen Schenkel eines Formteils mit T-förmigem Querschnitt oder dem Abstand zwischen zwei Schenkeln eines Formteils mit Doppel-T-förmigem Querschnitt.
Ein Federelement und also auch eine Blattfeder sollte eine möglichst lineare und/oder eine Federkennlinie mit kleinem Anstieg aufweisen, so dass die zwischen dem mindestens einen Dichtelement und der Oberfläche des Reibpartners wirkenden Druckkräfte auch bei aufgetretenem Werkstoffabtrag infolge Verschleiß an den Reibflächen konstant gehalten werden können.
Mit mindestens einem Federelement ist eine zusätzliche Anpressung des Dichtelementes an die jeweilige Oberfläche des jeweiligen Reibpartners möglich. Es ist eine Nachstellwirkung bei aufgetretenem Verschleiß erreichbar.
Das Formteil kann aus oder mit elastisch verformbarem Kunststoff gebildet sein, der als solcher eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, so dass eine gute thermische Leitfähigkeit für eine bessere Wärmeabfuhr aus dem besonders durch Reibung beanspruchten Bereich eines Kolbenkompressors erreicht werden kann. Zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit können vorteilhaft Fasern, die aus einem Material mit höherer thermischer Leitfähigkeit, als der Kunststoff gebildet sind, eingebettet sein. Die Fasern können beispielsweise aus Kupfer, Bronze, Aluminium oder auch mit Füllstoffen versetzte Kohlenstoffnanoröhrchen sein.
Bei Einsatz der Erfindung kann ggf. auf zusätzliche Ringfedern an Dichtelementen verzichtet werden, was die Kosten reduziert.
Der Verschleiß kann insgesamt reduziert werden, da in den besonders kritischen Bereichen und insbesondere an den Dichtelementen die auftretenden Temperaturen infolge der besseren Wärmeabführung erheblich verringert werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Bei der in 1 gezeigten Dichtungsanordnung ist in einer nutenförmigen Dichtkammer 1 ein Formteil 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt so eingesetzt, dass es an einer Stirnseite am Boden der Dichtkammer 1 mit einem seiner Schenkel anliegt.
In die umlaufende um eine Kolbenstange nutenförmig ausgebildete Dichtkammer 1 sind außerdem drei ringförmige Dichtelemente 2 eingesetzt, so dass sie formschlüssig innerhalb der nutenförmigen Dichtkammer 1 gehalten und geführt sind. Die Dichtelemente 2 sind dabei so ausgeführt, dass sie mittels Druckkraftwirkung mit ihren radial in Richtung Reibpartner 3 weisenden Oberflächen gegen die Oberfläche des jeweiligen Reibpartners 3 gepresst werden.
Die Dichtelemente 2 liegen mit der zum Formteil 4 weisenden Oberfläche am Formteil 4 an. Sie berühren dabei die in diese Richtung weisende Oberfläche des einen Schenkels des Doppel-T-förmigen Formteils 4. Dabei liegen die Dichtelemente 2 permanent an der Oberfläche des Schenkels an einer Seite und an der gegenüberliegenden Oberfläche an der Oberfläche des Reibpartners 3 an.
Das Formteil 4 besteht bei diesem Beispiel aus elastisch verformbarem Kunststoff, in dem Fasern aus Kupfer eingebettet sind.
Die Schenkel des Formteils 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt, sind so dimensioniert, dass sie mit der Druckkraft des Federelements 4.2 elastisch verformt werden können. Dadurch wirken Druckkräfte auf die Dichtelemente 2 in Richtung der Oberfläche des Reibpartners 3, die den Anpressdruck der Dichtelemente 2 gegen die Oberfläche des jeweiligen Reibpartners 3 erhöhen.
Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Federelemente 4.2 vorhanden, die sich mit ihren Stirnseiten an den Schenkeln des Formteils 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt abstützen. Da die Federelemente 4.2 länger sind als der Abstand zwischen den Schenkeln, wirken Druckkräfte auf die Schenkel 4.1. Das zwischen den Schenkeln 4.1 angeordnete Material des Formteils 4 bildet einen elastisch verformbaren Bereich. So können die Druckkräfte vom Formteil 4 auf die Dichtelemente 2 übertragen werden und der Anpressdruck der radial äußeren Oberflächen der Dichtelemente 2 gegen die Oberfläche des Reibpartners 3 erhöht werden und dabei auch der durch Reibung aufgetretene Werkstoffabtrag an diesen auf Reibung beanspruchten Oberflächen kompensiert werden, wobei die dort wirkenden Druckkräfte über die Lebendauer trotz aufgetretenem Verschleiß konstant gehalten werden sollten.
Zwischen den Schenkeln des Formteils 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt ist ein Hohlraum vorhanden, in dem während des Betriebes eines Kolbenkompressors komprimiertes Gas vorhanden sein kann.
Da sich die Wandung der nutenförmigen Dichtkammer 1, das Formteil 4, die Dichtelemente 2 und die Oberfläche des Reibpartners 3 ständig berühren, kann eine verbesserte Wärmeabführung aus dem kritischen durch Reibung beanspruchten Bereich durch verbesserte Wärmeleitung erreicht werden.

Claims

Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren, bei der in einer nutenförmigen Dichtungskammer (1) mindestens ein ringförmiges Dichtelement (2) angeordnet und so ausgebildet ist, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners (3) weisenden Oberfläche, insbesondere einer Kolbenstange in berührendem Kontakt steht und ein Hohlraum zwischen dem mindestens einen Dichtelement (2) und einem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) vorhanden ist, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) und der in Richtung Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) zugewandten Oberfläche des Dichtelements (2) ein das mindestens eine Dichtungselement (2) mit Druckkraftbeaufschlagung gegen die Oberfläche des Reibpartners vorspannende Formteil (4), das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) das Volumen zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) und dem mindestens einen Dichtelement (2) nicht vollständig ausfüllt oder im Formteil (4) mindestens ein offener Hohlraum ausgebildet ist, so dass dort ein während des Betriebes des Kolbenkompressors komprimiertes Gas vorhanden ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) elastisch verformbar ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Formteil (4) mindestens ein elastisch verformbarer Bereich (4.1) vorhanden ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgenbildet ist und mindestens ein Schenkel (41.1) einen elastisch verformbaren Bereich bildet.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (4.2) an mindestens einem elastisch verformbaren Bereich angreift, und dadurch Druckkräfte auf den jeweiligen elastisch verformbaren Bereich und das mindestens eine Dichtelement (2) in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des Reibpartners (3) ausübbar sind.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgenbildet ist und mindestens ein Schenkel (4.1) oder ein sich an einen Schenkel (4.1) anschließender Bereich einen elastisch verformbaren Bereich bildet.
Dichtungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (4.2) an mindestens einem Schenkel eines mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgebildeten Formteils (4) angreift oder sich dort abstützt.
Dichtungsanordnung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4.2) eine Blattfeder ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) aus oder mit einem elastisch verformbaren Kunststoff gebildet ist.
Dichtungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem elastisch verformbaren Kunststoff mit Fasern, die die thermische Leitfähigkeit des Kunststoffs erhöhen, eingebettet sind.