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Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für einen Verdichter eines Gases gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen Verdichter damit gemäß Anspruch 15.
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Verbrennungskraftmaschinen können durch alternative Antriebe ersetzt werden. Eine zentrale Rolle hierbei spielen elektrische Antriebskonzepte. Deren Emissionsfreiheit während der Nutzung kann die Umweltbelastung und Immission in stark besiedelten Gebieten verringern. Unter Berücksichtigung der Aufwendungen und Emissionen, die mit der Herstellung einer Batterie als Speichermedium elektrischer Energie einhergehen, kann sich eine Gesamtbilanz als nicht wesentlich besser erweisen, als diejenige eines auf einer Verbrennungskraftmaschine basierenden Antriebskonzeptes. Ein Nachteil der Batterie ist derzeit zudem, dass bisher nur wenige tragfähige Lösungen vorhanden sind, eine umweltverträgliche Entsorgung/Wiederaufbereitung der defekten oder verschlissenen Batterie zu ermöglichen.
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Es besteht daher ein Bedarf an weiteren alternativen Speicher- und Antriebstechnologien, wobei die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger eines der erfolgversprechendsten Konzepte ist.
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Wasserstoff kann beispielsweise als Kraftstoff zum Betrieb eines Wasserstoffverbrennungsmotors (Wasserstoffmotors) verwendet werden, der nach Art eines herkömmlichen Verbrennungsmotors betrieben wird. Da bei dieser Verbrennung nur eine geringe Menge von beispielsweise durch Schmierstoffe eingetragenen Kohlenstoff anfällt, sind derartige Wasserstoffmotoren herkömmlichen Verbrennungsmotoren im Hinblick auf die Emissionen von kohlenstoffhaltigen Schadstoffen weit überlegen. Dennoch werden nicht unerhebliche Mengen an Stickoxiden ausgestoßen. Ein weiterer Nachteil derartiger Lösungen ist, dass der komplexe Aufbau der Verbrennungsmotoren aufrechterhalten wird und des Weiteren ein erhöhter Aufwand für die Speicherung des Brennstoffs erforderlich ist.
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Vielversprechender sind dagegen Entwicklungen, die auf einem Antriebssystem mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und einem Elektromotor beruhen, der von der Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird. Selbstverständlich können außer Wasserstoff auch andere Brennstoffe, beispielsweise Methanol, Butan, Erdgas oder dergleichen verwendet werden.
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Dabei muss der Brennstoff - im Folgenden Gas genannt - mit einem vergleichsweise hohen Druck in einem Tank gespeichert werden. Eine Tankstation zum Füllen des Tanks muss technische Mittel zur Kompression des Gases aufweisen.
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Hierfür kennt der Stand der Technik Lösungen mit Druckübersetzer oder Kolbenkompressor. Diese weisen eine hin- und hergehende Kolbenfläche und umfänglich eine, ebenso hin und hergehende, Dichtfläche auf. Letztgenannte ist beispielsweise eine Umfangsfläche eines Kolbens oder einer Kolbenstange. Mit der Dichtfläche wirken Dichtungen zusammen, über die ein Gasraum von einer Druckaufbauseite getrennt wird. Der Druckaufbau erfolgt im Falle des Druckübersetzers mit hydraulischem Druckmittel und im Falle eines Kompressors beispielsweise über einen Antriebs-, insbesondere Elektromotor. Kompressoren nutzen dabei ungeschmierte Dichtungen, um eine Kontamination des Gases mit Schmiermittel zu vermeiden.
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Gegenüber trockenen, ungeschmierten Dichtungen, könnte sich durch Verwendung geschmierter Dichtungen eine verlängerte Lebensdauer des Dichtungssystems ergeben.
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Dabei dichtet eine Gasdichtung des Dichtungssystems an der Dichtfläche den Gasraum ab und eine dazu beabstandete Flüssigkeits- oder Hydraulikdichtung des Dichtungssystems dichtet an der Dichtfläche den Schmiermittelraum ab. Bei derzeitigen Druckübersetzerlösungen sind Flüssigkeits- und Gasdichtungen in einem Abstand angeordnet, der größer als der Hub ist. Dazwischen befindet sich Umgebungsluft und eine undefinierte Menge Schmiermittel.
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Problematisch ist hierbei, die Prozesssicherheit dieses Dichtungssystems im Dauerbetrieb sicherzustellen. Beispielsweise kann das Schmiermittel zwischen den Dichtungen aufgrund der wiederholten Hin- und Herbewegung unerkannt mit Abrieb kontaminiert werden. Eine Beschädigung der Dichtungen und ein Verlassen der Spezifikationen des Schmiermittels oder Schmiermittelfilms können die Folge sein. Mit nachlassender Dichtheit der Gasdichtung droht dann das Verschleppen des Schmiermittels in den Gasraum. Wenn das Gas verunreinigt wird, kann es die Anwendung beschädigen, weshalb geschmierte Gasdichtungen bei der Verdichtung von Wasserstoff keine Anwendung finden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Dichtungssystem für einen Verdichter eines Gases, insbesondere Wasserstoff, zu schaffen, das geschmiert ist und dessen Schmiermittelfilm mit hoher Prozesssicherheit ausbildbar ist. Des Weiteren besteht die Aufgabe darin, einen Verdichter mit geschmiertem Dichtungssystem zu schaffen, dessen Schmiermittelfilm mit höherer Prozesssicherheit ausbildbar ist.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Dichtungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die andere durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Dichtungssystems sind in den Patentansprüchen 2 bis 14 beschrieben.
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Ein Dichtungssystem ist für einen Verdichter vorgesehen, der mit hin und hergehendem Hub ein Gas, insbesondere Wasserstoff, komprimieren kann. Der Verdichter ist beispielsweise ein Kompressor oder ein Druckübersetzer. Das Dichtungssystem ist insbesondere ein Kolbenstangendichtungssystem des Druckübersetzers oder ein Kolbendichtungssystem eines Akkumulators oder Kolbenkompressors. Zur Verbesserung der Dichtheit, der Verringerung des Verschleißes und damit zur Erhöhung seiner Lebensdauer ist das Dichtungssystem geschmiert ausgebildet. Es hat wenigstens zwei in Hubrichtung beabstandete Dichtelemente, die jeweils in Anlage mit einer mit dem Hub hin und hergehenden Gegenfläche, insbesondere der Kolbenstange oder des Kolbens, sind. In Anlage sind insbesondere jeweils eine oder mehrere Dichtkanten der wenigstens zwei Dichtelemente. Diesseits eines ersten der beiden Dichtelemente, im folgenden Gasdichtung genannt, ist von der Gegenfläche ein Gasraum abschnittsweise begrenzt, in dem das Gas durch Volumenänderung verdichtet werden kann. Zwischen den beiden Dichtelementen ist von der Gegenfläche ein Zwischenraum und jenseits eines zweiten der beiden Dichtelemente, im Folgenden Schmiermittel- oder Schmierstoffdichtung, ist von ihr ein Druckmittelraum oder Schmiermittelraum abschnittsweise begrenzt. An wenigstens einem im Zwischenraum angeordneten Gegenflächenabschnitt ist, insbesondere durch Wirkung der wenigstens zwei Dichtelemente, ein aus dem Schmiermittelraum versorgbarer Schmiermittelfilm ausbildbar, der am ersten Dichtelement ansteht. Dieser sorgt für die genannte Schmierung der Dichtelemente. Erfindungsgemäß weist das Dichtungssystem wenigstens ein Mittel auf, über das eine Quantität, insbesondere eine Dicke, und/oder eine Qualität des Schmiermittelfilms, insbesondere eine Phasenzusammensetzung und/oder ein Alter des Schmiermittelfilms steuerbar ist oder sind.
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Aufgrund der Steuerung über das wenigstens eine Mittel ist der Schmiermittelfilm, der an der Gasdichtung ansteht, mit höherer Prozesssicherheit in seiner Quantität und/oder Qualität ausbildbar und die Schmierung des Dichtungssystems erfolgt mit hoher Reproduzierbarkeit. Gegenüber trockenen Dichtungssystemen, aber auch gegenüber Dichtungssystemen mit ungesteuertem Schmiermittelfilm, ist so der Verschleiß verringerbar und die Lebensdauer erhöhbar, was auch die Wartungskosten verringert. Gegenüber herkömmlichen, geschmierten Dichtungssystemen besteht der Vorteil, dass die Steuerung des anstehenden Schmiermittelfilms mehr Kontrolle über die von der Gasdichtung abzustreifende Schmiermittelmenge bringt. So kann die bei einem Verdichtungshub an der Gegenfläche in den Gasraum bewegte Schmiermittelmenge gezielt minimiert werden, bis hin dazu, dass sich Schmiermittel nur noch in der mikroskopischen Oberflächenstruktur der Gegenfläche befindet. So ist eine Kontamination des Gases minimierbar. Ein weiterer Effekt ist, dass aufgrund der prozesssichereren Schmierung die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten vermieden werden kann.
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In einer Weiterbildung ist das Dichtungssystem derart abgestimmt, insbesondere durch eine Ausgestaltung des Mittels, einer Auswahl, Dimensionierung und Vorspannung der Dichtelemente, einer Rauigkeit der Gegenfläche und/oder des verwendeten Schmiermittels inklusive seiner Eigenschaften, oder dergleichen, dass das Schmiermittel seitens des Gasraumes lediglich in den Rauigkeiten der dortigen Gegenfläche abgesetzt ist und/oder dass ein Überstand des Schmiermittelfilms über die Rauigkeit hinaus von der Gasdichtung beim Hub, Insbesondere Verdichtungshub, abstreifbar ist (Abstreiffunktion). Auf diese Weise ist die Quantität oder Dicke des Schmiermittelfilms in beiden Hubrichtung immer derart bemessen, dass die Gasdichtung und die Gegenfläche ausreichend geschmiert sind, und dass zudem eine in den Gasraum verschleppte Schmiermittelmenge, und damit auch eine potentielle Kontamination des Gases, minimal ist.
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Um das Risiko der Verschleppung von Schmiermitteldampf ins Gas zu verringern, weist das im Dichtungssystem verwendete Schmiermittel vorzugsweise eine geringe Flüchtigkeit auf. Beispielhaft sind synthetische Öle oder weniger schädliche Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, zu nennen.
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Um die Schmiermittelfilmdicke im Zwischenraum besser kontrollieren zu können, weist das im Dichtungssystem verwendete Schmiermittel vorzugsweise einen niedrigen Viskositätsindex auf.
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Zur Verbesserung der Abstreiffunktion ist die Gasdichtung in einer Weiterbildung mit mehr als zwei Dichtkanten in Anlage mit der Gegenfläche.
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Vorzugsweise hat das Mittel wenigstens eine Steuereinrichtung, über die die Quantität und/oder Qualität des Schmiermittelfilms steuerbar ist.
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In einer Weiterbildung weist die Steuereinrichtung ein Steuermittel auf, über das ein Schmiermitteldruck auf einen Wert geringfügig unterhalb eines Gasdrucks steuer- oder regelbar ist. Auf diese Weise kann eine reduzierte Schmierfilmdicke erzielt werden. Diese Weiterbildung betrifft vorzugsweise das Dichtungssystem einer Kolbenstangendichtung.
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Eine Schmiermittelquelle ist entweder von einem Druckmittel des Verdichters oder separat davon gebildet. Insbesondere im Falle des Druckübersetzers als Verdichter ist vorzugsweise das Schmiermittel ein anderes als das verwendete Druckmittel. Somit sind auch ein Schmiermittelkreislaufkreislauf und Druckmittel- oder Hydraulikmittelkreislauf getrennt. So können Kosten für die Bereitstellung des Druckmittels gesenkt werden.
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Ein Druck des Schmiermittels, insbesondere im Zwischenraum und/oder Schmiermittelraum, ist in einer Weiterbildung über die Steuereinrichtung steuer- oder regelbar, sodass Druckgleichgewicht mit dem Gasraum erreicht oder erreichbar ist. Der Druck des Schmiermittels kann zur dynamischen Steuerung der Schmiermittelfilmdicke verwendet werden.
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In einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung stromlos oder deren Betrieb erfolgt stromlos. Das hat insbesondere bei Verdichtung leicht entzündlicher Gase, wie beispielsweise des eingangs erwähnten Wasserstoffs, einen großen Vorteil. Die Steuereinrichtung kann hierbei vollständig stromlos sein oder sie ist es zumindest in einem sicherheitsrelevanten Bereich mit Bezug zum Gasraum.
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In einer Weiterbildung weist die Steuereinrichtung wenigstens ein hydraulisches Mittel oder hydraulische und pneumatische Mittel auf, die insbesondere einen prozesssicheren stromlosen Betrieb der Steuereinrichtung ermöglichen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung hat die Steuereinrichtung wenigstens einen sich vom Zwischenraum hin zu einer Schmiermittelsenke oder einem Schmiermittelreservoir erstreckenden Schmiermittelströmungspfad mit einem steuerbaren Strömungsquerschnitt. Insbesondere ist der Strömungsquerschnitt zusteuerbar. So ist eine Möglichkeit geschaffen, den Inhalt des Zwischenraumes - und damit den dortigen Schmiermittelfilm - kontrolliert abströmen zu lassen. Hierdurch, beispielsweise mit einem nächsten Dekompressionshub, kann der Schmiermittelfilm gesteuert abgeführt und in Folge erneuert werden, was die Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Schmierung der Gasdichtung weiter erhöht.
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Der abgeströmte Schmiermittelfilm kann in einer Weiterbildung einer nachgelagerten Mess- und/oder Analyseeinrichtung des Dichtungssystems oder einer derartigen, externen Einrichtung bereitgestellt werden. Vorzugsweise erfolgt über diese eine Analyse einer Zusammensetzung, eines Abriebgehaltes, einer Phasenzusammensetzung und/oder einer Alterung des Schmiermittels oder dergleichen. In Abhängigkeit des Ergebnisses sind Maßnahmen, insbesondere Wartungsmaßnahmen, Schmiermitteltausch oder Reparaturen oder dergleichen, planbar.
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Der steuerbare Strömungsquerschnitt ist mit Vorteil von einem betätigbaren Ventilkörper, insbesondere dem eines Schalt-, Wege- oder Rückschlagventils, begrenzt.
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Um den Schmiermittelfilm zu steuern, ist der Ventilkörper in einer Weiterbildung in Abhängigkeit einer Hubstellung, einer Hubrichtung, einer Hubgeschwindigkeit und/oder eines Druckes im Gasraum oder Schmiermittelraum betätigbar. So kann die Schmiermittelfilmsteuerung an den zyklischen Verlauf der Hin- und Herbewegung des Verdichters oder dessen Hub gekoppelt werden und erfolgt somit im Wesentlichen durchgängig oder zumindest periodisch.
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Insbesondere um die stromlose Ausgestaltung der Steuereinrichtung zu realisieren, ist in einer Weiterbildung der Ventilkörper hydraulisch oder pneumatisch oder mechanisch betätigbar ausgestaltet.
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Zur hydraulischen oder pneumatischen Betätigung hat der Ventilkörper vorzugsweise eine in eine Schließstellung des Ventilkörpers wirksame Steuerfläche. Diese ist in einer Variante fluidisch mit dem Gasraum verbunden, sodass der Druck des Gases den Strömungsquerschnitt des Schmiermittelströmungspfades zusteuert. In Gegenrichtung, also in Öffnungsrichtung des Strömungsquerschnitts des Schmiermittelströmungspfades, ist der Ventilkörper vorzugsweise vom Druck im Zwischenraum beaufschlagt.
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Eine unmittelbare oder mittelbare Druckmittelquelle zur Betätigung des Ventilkörpers ist in einer bevorzugten Weiterbildung das Gas im Gasraum. Da dieses ohnehin einer zyklischen Druckschwankung unterliegt, die an den Hub und die Hubrichtung gekoppelt ist, kann so auf einfache Weise die Betätigung des Ventilkörpers und somit die Steuerung des Schmiermittelfilms erfolgen.
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Hierzu weist das Dichtungssystem in einer Weiterbildung wenigstens einen Steuerströmungspfad auf, über den der Gasraum fluidisch mit der, insbesondere schließend wirksamen, Steuerfläche des wenigstens einen Ventilkörpers verbindbar oder verbunden ist. Mit dem Verdichterhub steigt der Druck im Gasraum und damit auch der an der Steuerfläche anstehende, insbesondere schließend wirksame, Druck. Fällt der Druck ab, beispielsweise bei Dekompression, kann der Schmiermittelpfad vom Druck im Zwischenraum aufgesteuert werden und eine Drainage des Zwischenraumes, inklusive des dortigen Schmiermittelfilms, kann erfolgen.
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Um die Steuerung des Schmiermittelfilms weiter zu verbessern, ist der Zwischenraum in einer Weiterbildung von wenigstens einem dritten Dichtelement unterteilt. Vorzugsweise ist dieses baugleich mit dem zweiten Dichtelement. So kann ausgehend vom Schmiermittelraum ein stufenweiser und ein damit noch besser zu kontrollierender Abbau der Schmiermittelfilmdicke hin zur Gasdichtung erfolgen.
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Um wenigstens eins der Dichtungselemente - zumindest dasjenige mit der potentiell größten Druckdifferenz - zu schonen, ist dieses in einer Weiterbildung druckausgeglichen. Insbesondere ist dies die Gasdichtung, an der bei unausgeglichener Ausführung einerseits der hohe Gasdruck und andererseits der potentiell bedeutend niedrigere Schmiermitteldruck anstehen würde.
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In einer Weiterbildung ist wenigstens eins der Dichtelemente, vorzugsweise das zuvor genannte mit der größten Druckdifferenz, von einem Bypassströmungspfad durchsetzt oder umgangen. Hierdurch kann der zuletzt genannte Druckausgleich erfolgen. Je nach Anforderung kann die Bauform „durchsetzt“ oder „umgangen“ gewählt werden. Die Lösung der Umgehung ist dabei bevorzugt.
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Um zu verhindern, dass Schmiermittel über den Bypassströmungspfad in eine unerwünschte Richtung strömt - was im Falle der Gasdichtung vom Zwischenraum in den Gasraum und die unerwünschte Kontamination des Gases, und im Falle der Schmiermitteldichtung vom Schmiermittelraum in den Zwischenraum und die unkontrollierte Verdickung des Schmiermittelfilms bedeuten würde - weist wenigstens einer der Bypassströmungspfade in einer Weiterbildung ein Mittel auf, über das er in Richtung vom Gasraum zum Zwischenraum, beziehungsweise vom Zwischenraum zum Schmiermittelraum, aufsteuerbar und in entgegengesetzter, unerwünschter Strömungsrichtung sperrbar oder gesperrt ist. Hierfür ist im Bypassströmungspfad vorzugsweise eine Rückschlagventileinrichtung vorgesehen.
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Zum Schutz vor Eintrag von Partikeln hin zum ersten oder zweiten Dichtelement, ist wenigstens einem der beiden ein als Abstreifer ausgestaltetes Dichtelement vorgelagert. Der Abstreifer der Gasdichtung ist gasraumseitig, derjenige der Schmiermitteldichtung schmiermittelraumseitig vorgelagert.
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Ist wenigstens ein Abstreifer vorgesehen und ist der Bypassströmungspfad „umgehend“ ausgestaltet, weist dieser in einer Weiterbildung wenigstens einen Abzweig auf, der in einen Lückenraum zwischen dem Abstreifer und dem ersten Dichtelement oder zwischen Abstreifern mündet. So ist auch der wenigstens eine Abstreifer druckausgeglichen. Ausgestaltungen mit von einem Bypassströmungspfad durchsetzten Abstreifer sind natürlich auch möglich.
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In einer Weiterbildung ist eine Erfassungseinrichtung zur Erkennung von Schmiermittelleckage, insbesondere bei der Anwendung als Kolbenstangendichtungssystem, vorgesehen.
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Eine besonders gute Steuerung des Schmiermittelfilms ist möglich, wenn sich in einer Weiterbildung die Gegenfläche in Schwerkraftrichtung erstreckt und der Gasraum mit Bezug zur Schwerkraft oben und der Schmiermittelraum unten angeordnet sind.
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Unterstützt wird die Steuerung des Schmiermittelfilms auch durch eine Weiterbildung, in der eine der Gegenfläche gegenüberliegende Rand- oder Mantelfläche des Zwischenraumes zumindest abschnittsweise konisch oder trichterförmig verjüngt ist. Die Rand- oder Mantelfläche verjüngt sich vorzugsweise in Hubrichtung vom ersten hin zum zweiten oder dritten Dichtelement, beziehungsweise in Schwerkraftrichtung,
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Ein Anschluss der oben genannten Erfassungseinrichtung zur Erkennung von Schmiermittelleckage mündet vorzugsweise in die verjüngte Rand- oder Mantelfläche. So kann die Funktion des Dichtungssystems prozesssicher überwacht werden.
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In einer Weiterbildung hat das Dichtungssystem ein Trägermodul, insbesondere in Hülsen oder Buchsenform, in dem zumindest die Dichtelemente aufgenommen sind und bei entsprechender Weiterbildung der oder die Abstreifer aufgenommen sind und/oder der oder die umgehenden Bypassströmungspfade ausgebildet sind
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Ein besonderer Vorteil des vorgestellten Dichtungssystems ist, dass es, insbesondere bei Verwendung in einem als Kompressor ausgestalteten Verdichter, über einen sehr weiten Bereich skalierbar ist.
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Ein erfindungsgemäßer Verdichter hat einen volumenveränderlichen Gasraum zur Verdichtung des Gases mittels einem Kolben oder einer Kolbenstange. Bauformen können Druckübersetzer oder Kompressoren oder dergleichen sein. Vorgesehen ist zu dem ein geschmiertes Dichtungssystem, das gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgestaltet ist. Die Gegenfläche des Dichtungssystems ist von einer Außenmantelfläche des Kolbens oder der Kolbenstange gebildet.
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Offenbart ist ein geschmiertes Dichtungssystem für einen Verdichter mit einem oder einer hin und hergehenden Kolben oder Kolbenstange, das wenigstens zwei in Hubrichtung beabstandete Dichtungselemente in Anlage mit einer gemäß dem Hub hin und hergehenden Gegenfläche hat. Ein erstes der Dichtelemente begrenzt einen volumenveränderlichen Gasraum und das zweite einen Schmiermittelraum, jeweils abschnittsweise. Das Dichtungssystem hat zudem wenigstens ein Mittel, über das ein Schmiermittelfilm oder Schmierstofffilm zwischen den beiden Dichtelementen derart beeinflussbar oder steuerbar ist, dass die Schmierung der Dichtflächen gesichert und eine Verschleppung des Schmiermittels oder Schmierstoffs in den Gasraum derart verhindert ist, dass eine Kontamination null oder innerhalb einer Spezifikationsgrenze ist.
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Offenbart ist weiterhin ein Verdichter mit dem Dichtungssystem.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein Dichtungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt,
- 2 ein Dichtungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt,
- 3 einen Verdichter mit Dichtelementen eines Dichtungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt, und
- 4 den Verdichter gemäß 3 mit Mitteln zur Steuerung eines Schmiermittelfilms des Dichtungssystems.
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Ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem hat die Aufgabe, bei der Verdichtung eines Gases oder überkritischen Dampfes - im folgenden Gas - einen volumenveränderlichen Raum, in dem das Gas verdichtet wird, prozesssicher abzudichten. Dabei wird durch Schmierung von Dichtelementen die Reibung zwischen den Dichtungspartnern minimiert und die Lebensdauer auch bei maximaler Hubgeschwindigkeit erhöht.
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Gemäß 1 hat ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dichtungssystems 1 eine gemäß einem Hub (Doppelpfeil) hin und her bewegbare Gegenfläche 2 und zwei in Hubrichtung beabstandet angeordnete Dichtelemente 4, 6. Ein erstes Dichtelement 4 begrenzt zusammen mit der Gegenfläche 2 einen Gasraum 8, ein zweites Dichtelement 6 begrenzt einen Schmiermittelraum 10, jeweils abschnittsweise. Zwischen den Dichtelementen 4, 6 ist ein Zwischenraum 12 angeordnet. Der Schmiermittelraum 10 ist mit Schmiermittel oder Schmierstoff gefüllt, der Gasraum 8 mit dem zu verdichtenden Gas, insbesondere Wasserstoff.
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Die Dichtelemente 4, 6 sind jeweils bezüglich ihrer Vorder- und Rückseite mittels einem Bypassströmungspfad 14, 16 druckausgeglichen. In den Bypassströmungspfaden 14, 16 ist jeweils ein Rückschlagventil 18 angeordnet, das im Bereich der Gasdichtung 4 dafür sorgt, dass vom Zwischenraum 12 kein Schmierstoff unter Umgehung der Gasdichtung 4 in den Gasraum 8 gelangt. Analog verhindert das Rückschlagventil 18 im Bereich der Schmiermitteldichtung 6, dass vom Schmiermittelraum 10 Schmierstoff unter Umgehung der Schmiermitteldichtung 6 in den Zwischenraum 12 gelangt.
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Von einem Hub der Gegenfläche 2 in 1 nach links, die beispielsweise eine Umfangsfläche einer Kolbenstange eines Druckübersetzers oder eines Kolbens eines Kompressors ist, wird Schmiermittel aus dem Schmiermittelraum 10 unter der Schmiermitteldichtung 6 in den Zwischenraum 12 gefördert. Es stellt sich ein Schmiermittelfilm 20 an der Gegenfläche 2 im Zwischenraum 12 ein. Beim gleichen Hub streift die Gasdichtung 4 den an ihr anstehenden Schmierstofffilm 20 ab, sodass im Gasraum 8 Schmiermittel 20' oder Schmierstoff lediglich in den mikroskopischen Vertiefungen der Oberflächenstruktur der Gegenfläche 2 verbleibt.
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Bewegt sich die Gegenfläche 2 in die entgegengesetzte Richtung, also in 2 nach rechts, verhindert der an der Gegenfläche 2 vorhandene Schmierstoff das Eindringen der Gasdichtung 4 in die Oberflächenstruktur der Gegenfläche 2. Reibung und Verschleiß sind somit minimal, während die Dichtungsfunktion der Gasdichtung 4 erhalten bleibt.
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Die Schmierstoffdichtung 6 weist wenigstens eine in stumpfem Winkel zur Gegenfläche 2 angestellte Dichtlippe auf, sodass der Schmierstofffilm bei einem Rückhub der Gegenfläche 2 entgegen dem Verdichtungshub durchgelassen wird. So ist ein Rückpump-Effekt ermöglicht und der Schmiermittelfilm kann zyklisch erneuert werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dichtungssystems 1, wobei lediglich auf die Abweichungen zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird. Gleichbleibende Komponenten weisen dabei die gleichen Bezugszeichen wie in 1 auf. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel hat das Dichtungssystem 1 ein drittes Dichtelement 22, das baugleich mit dem zweiten Dichtelement 16 ist und eine weitere Schmiermitteldichtung darstellt. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist die Gasdichtung 5 mit mehreren Dichtkanten zur Verbesserung der Abstreiffunktion ausgestaltet. Der Gasdichtung 5 und der in 2 rechten Schmiermitteldichtung 6 ist jeweils ein als Abstreifer 24 ausgestaltetes Dichtelement vorgeschaltet, das jeweils verhindert, dass Verunreinigungen oder Abrieb vom jeweiligen Gasraum 8, beziehungsweise. Schmiermittelraum 10 zur Gasdichtung 5, beziehungsweise Schmiermitteldichtung 6 gelangt. So sind diese 5, 6 beispielsweise besser gegen Beschädigung durch einzutragende Partikel geschützt. Gemäß 2 ist der Bypassströmungspfad 14 der Gasdichtung 4 verzweigt, wobei ein Zweig vor dem Abstreifer 24 in den Gasraum 8 und ein anderer zwischen dem Abstreifer 24 und der Gasdichtung 5 mündet. So ist auch die Druckausgeglichenheit des Abstreifer 24 gegeben.
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Durch die Redundanz der Schmiermitteldichtungen 6 kann die Dicke des Schmiermittelfilms 20 gezielter gesteuert werden, indem über die in 2 rechts angeordnete Schmiermitteldichtung 6 das Schmiermittel zunächst auf einen vergleichsweise dicken Schmiermittelfilm 20" und dann über die in 2 linke Schmiermitteldichtung 6 (bzw. das dritte Dichtelement) auf den Schmiermittelfilm 20 reduziert wird, der an der Gasdichtung 5 ansteht.
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Der Zwischenraum 13 ist abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel in Richtung des Gegenhubes hin zum dritten Dichtelement 6 radial verjüngend ausgestaltet. Bei vertikaler Anordnung, das heißt der Gasraum 8 ist in Schwerkraftrichtung oben angeordnet, kann sich so Schmiermittel schwerkraftunterstützt im verjüngten Teil des Zwischenraumes 13 sammeln. Dadurch steht der Schmiermittelfilm 20 bereits mit vergleichsweise stark reduzierter und definierter Dicke an der Gasdichtung 5 an.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters 26 mittels einem Ausschnitt eines entlang einer Hochachse 28 geführten Längsschnitts, wobei das hier verwendete Dichtungssystem 1 in weiten Zügen auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 aufbaut. Dementsprechend werden zumindest die Unterschiede zu den beiden anderen Ausführungsbeispielen dargelegt.
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Der Verdichter 26 ist gemäß 3 als Druckübersetzer ausgestaltet, dessen Kolbenstange 30 in Schwerkraftrichtung angeordnet ist. Der Verdichtungshub erfolgt in 3 nach oben. Demnach ist der Gasraum 8 oben und der Schmiermittelraum 10 ist unten angeordnet.
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Als ein erfindungsgemäßes Mittel zur Steuerung des Schmiermittelfilms ist gemäß 4 eine hydraulische Steuereinrichtung 32 vorgesehen. Diese weist zwei in direkter Abhängigkeit des Drucks im Gasraum 8 steuerbare 2/2-Wege-Schaltventile 42, 42' auf.
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Alternativ kann die Ansteuerung natürlich über eine externe Steuerdruckmittelquelle erfolgen. Auch ist es möglich, dass die Ansteuerung nicht direkt vom Druck oder Hub der Kolbenstange erfolgt, sondern mittelbar über eine Steuereinheit, indem diese in Abhängigkeit des Drucks oder Hubes ein zeitliches Steuerprofil des Steuerdrucks abfährt, um so die Steuerung des Schmiermittelfilms zu optimieren.
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Die Schaltventile 42, 42` können beispielsweise jeweils als vorsteuerbares Rückschlagventil ausgestaltet sein. Dabei ist jeweils eine Steuerfläche der Ventilkörper vom Druck des Gases in Schließrichtung belastet.
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Das Dichtungssystem 1 hat eine Trägerbuchse 34, an der radial innen die Dichtelemente, also die Gasdichtung 5 und die Schmiermitteldichtung 6, sowie die weitere Schmiermitteldichtung 22, inklusive ihrer Abstreifer 24, angeordnet sind. Vom Zwischenraum 13 erstrecken sich zwei Schmiermittelströmungspfade 36, 36' zum jeweiligen Arbeitsanschluss der Ventile 42, 42'. Vom Gasraum 8 erstrecken sich Steuerströmungspfade 38, 38' zur genannten Ansteuerung hin zu den Ventilen 42, 42'. Die Pfade 36, 36', 38, 38` durchsetzen ein Gehäuse 40, das die Trägerbuchse 34 abschnittsweise umfasst. Die Schmiermittelströmungspfade 36, 36' sind vom jeweiligen Ventilkörper 42, 42' verschlossen. Der Druck im Steuerströmungspfad 38, 38', also der Druck im Gasraum 8 oder ein davon abhängiger Druck, steht an einer schließend wirksamen Steuerfläche des Ventilkörpers 42, 42' an. Unterstützend ist er über eine Feder in diese Schließstellung vorbelastet.
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Bei einem Verdichtungshub der Kolbenstange 30 in den Gasraum 8 hinein steigt bestimmungsgemäß der Druck darin. Entsprechend werden die Ventilkörper 42, 42` zugesteuert und der Zwischenraum 13 bleibt geschlossen, sodass der darin befindliche Schmiermittelfilm unbeeinflusst wirksam ist.
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Sinkt der Druck im Gasraum 8, beispielsweise bei einem Dekompressionshub oder Rückhub, sinkt die an den Ventilkörpern 42, 42' resultierende Schließkraft und die Schmiermittelpfade 36, 36' werden von ihnen aufgesteuert. Dann kann im Zwischenraum 13 befindliches Schmiermittel und Gas über die Ventile 42, 42' beispielsweise in Richtung eines Tanks oder anderweitigen Reservoirs abströmen.
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Trotz dieser Drainage verbleibt im Zwischenraum 13 an der Gegenfläche 2 ein ausreichender Rest-Schmiermittelfilm für den notwendigen Rückhub.
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Beim nächsten Verdichtungshub erfolgt wiederum der Aufbau des Schmiermittelfilms 20 und 20" im Zwischenraum 13. Auf diese Weise kann zyklisch der Schmiermittelfilm 20, 20" in seiner Quantität und Qualität erneuert werden, was in der gleichbleibenden Qualität und Quantität des Schmiermittelfilms resultiert. Auf diese Weise ist über das Mittel 32 zur Steuerung des Schmiermittelfilms, die Funktion des Dichtungssystems 1 dauerhaft sichergestellt und insbesondere die Verhinderung von Kontamination des Gases mit Schmiermittel verhindert.
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Die Erfindung findet Anwendung in hin- und hergehenden linearen Dichtungssystemen zur Trennung von Gas und anderen Medien, genauer gesagt in Systemen zur Verdichtung von Wasserstoff, der in Brennstoffzellen eingesetzt werden soll. Dies kann z.B. das Kolbenstangendichtungssystem eines Druckübersetzers oder ein Kolbendichtungssystem eines Akkumulators oder Kolbenkompressors sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungssystems
- 2
- Gegenfläche
- 4; 5
- erstes Dichtelement
- 6
- zweites Dichtelement
- 8
- Gasraum
- 10
- Schmiermittelraum
- 12; 13
- Zwischenraum
- 14, 16
- Bypassströmungspfad
- 18
- Rückschlagventil
- 20
- Schmiermittelfilm
- 20'
- Schmiermittel
- 20''
- Schmiermittelfilm (Vorstufe)
- 22
- drittes Dichtelement
- 24
- Abstreifer
- 26
- Verdichter
- 28
- Hochachse
- 30
- Kolbenstange
- 32
- Steuereinrichtung
- 34
- Trägerbuchse
- 36, 36'
- Schmiermittelströmungspfad
- 38, 38'
- Steuerströmungspfad
- 40
- Gehäuseabschnitt
- 42, 42`
- Ventilkörper
