DE1956759B2 - Spaltdichtung zwischen einer Flache und einem relativ zu dieser Flache beweglichen und mit der Flache einen abgeschlossenen Innenraum bil denden Korper mit einer der Flache ge genuberhegenden Dichtleiste - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem der »dichtung von Hohlräumen, die von einer Fläche und einem relativ zu dieser Fläche beweglichen Körper gebildet werden. Dabei soll es gleichermaßen möglich sein, Flüssigkeits- oder Gasdurchtritt zu verhindern.

Für die meisten Fälle von Abdichtungen an beweglichen Teilen kamen bisher mechanische Elemente, wie Dichtringe. Manschetten usw. zur Verwendung. Bei ihnen allen aber müssen — soll Dichtwirkung vorhanden sein — die Teile der Lichtelemente an der abzudichtenden Stelle miteinander in Berührung stehen. Damit ist aber Reibung mit allen Nachteilen, wie Energieverlust, Erwärmung, Abrieb usw. unvermeidlich.

Darüber hinaus sind auch berührungsfreie DichtL.igen bekannt, die als Spalt- oder Labyrinthdichtungen mit oder ohne Sperrmedien für die Abdichtung von Wellen oder Stangen dienen. Hierzu zählen auch Flüssigkeitsdichtungen, deren Flüssigkeitsring entweder durch die Welfendrehung und/oder durch die Einwirkung unabhängiger äußerer Kräfte, z. B. elektrische oder elektromagnetische äußere Führungsfelder nach dem Prinzip des Kurzschlußläufer-Drehstrommotors oder nach dem Prinzip der elektromagnetische Pumpe, gebildet und aufrechter-

halten wird (schweizerische Patentschrift 409 554).

Bei diesen Richtungen ist Voraussetzung, daß die Teile derjenigen Bauteile, die relativ zueinander beweglich sind, körperlich ineinandergreifen und einen Käfig bilden. Diese bekannte Anordnung von Flüs-

sigkeitsringdichtungen ist daher nur für Drehbewegungen möglich und nicht anwendbar, wenn z. B. ein Hohlraum gegenüber einer ebenen oder gekrümmten Fläche abgedichtet und der den Hohlraum bildende Körper relativ zu dieser Fläche verschiebbar sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spaltabdichtung zu schaffen, die nicht nur bei reinen Drehbewegungen, sondern auch '.p' Translationsbewegungen brauchbar ist und die mit einer Reibung

verbundenen Nachteile vermeidet. Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß entlang der inneren und äußeren Begrenzung des von der Dichtleiste des Körpers gebildeten Dichtspaltes Elektroden angeordnet sind und an sie ein elektrisches Potential sol-

eher Polarität angelegt ist, daß nach dem Prinzip dei elektrokinetischen Pumpe eine elektrokinetisch wirksame Flüssigkeit am Austritt aus dem Dichtspalt gehindert wird.

Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung bestehi wenigstens eine Wand des Dichtspaltes, z.B. die \or der Dichtleiste des Körpers gebildete Wand, au: elektrokinetisch wirksamem Material. Vortelhafter weise ist die Wand bzw. sind die Wände des Spalte: mit elektrokinetisch wirksamem Material beschichtet Die Beschichtung kann beispielsweise durch Be dampfung mit Bariumtitanat erfolgen.

Auf diese Weise wird mit Hilfe einer Sperrflüssigkeit ein dichtender Flüssigkeitsring an der Spaltdich tung erzeugt, der unabhängig von den Bewegunger

der gegeneinander abzudichtenden Bauteile ist. Di< Spaltdichtung ist also sowohl im Stillstand als aucl bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten brauchba und arbeitet völlig reibungslos. Ferner ist diese Spalt dichtung auch unabhängig von der Art der Bewe gung und nicht nur auf reine Drehbewegungen be schränkt, sondern ebensogut bei Translationsbewe gungen auf ebener oder gekrümmter Fläche ver wendbar.

Die Elektroden brauchen bei der Spaltdichtung nicht selbst die Begrenzung des Dichtspaltes zu bilden. sondern können je nach Erfordernissen auch in einem mehr oder weniger großen Abstand des Dicht-Spaltes verlaufen. Es spielt dabei auch keine Rolle, ob die Elektroden äquidistant zur Begrenzung angeordnet sind oder nicht. Der elektrokinetische Effekt ist im Prinzip schon lange bekannt. Er beruht im wesentlichen darauf, daß sich an der Grenze zwisehen den Wänden eins Kapillarsystems und einer Flüssigkeit tine elektrische Doppelschicht bildet. Wird an den Enden der Kapillaren über dort angeordnete Elektroden eine Spannung angelegt, so wandern die Flüssigkeitsionen zu einer der beiden Elektroden und nehmen dabei weitere Flüssigkeiisteilchen mit. Es findet also ian Flüssigkeitstransport statt. Im umgekehrten Fall kann an den Elektroden eine elektrische Spannung abgenommen werden, wenn die Flüssigkeit auf irgendeine Weise durch das Kapillarsystem hindurchgedrückt wird. Praktische Anwendungen fand dieses elektrokinetische Prinzip schon für Pumpen und Generatoren. Bei der vorliegenden Erfindung wird nun dieses Prinzip für einen neuen Zweck eingesetzt, nämlich um eine Flüssigkeit am Austritt aus einem Dichtspalt zu hindern. Diese Forderung wird erfüllt, in dem man diesem Spalt die Eigenschaften eines elektrokinetisch wirksamen Kapillarsystems gibt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die elektrokinetische Pumpwirkung auf die Flüssigkeit den Innendruck des Flüssigkeitsbehälters im Bereich der Dichtgrenze kompensiert. Die Flüssigkeit kann daher nicht durch den Spalt nach außen austreten. Eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, daß man die Ränder eines Flüssigkeitsbehälters als Dichtleiste ausbildet und auf die vorgeschlagene Weise nach außen abdichtet. Dabei kann die Behälterflüssigkeit selbst als Dichtflüssigkeit verwendet werden, wenn sie elektrokinetisch aktiv i.t. Es ist aber auch möglich, auf dem vorgeschlagenen Weg einen Gasbehälter abzudichten. Hierfür werden gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung zwei ineinanderliegende Dichtgrenzen vorgesehen und zwischen ihnen ein Hohlraum mit gesunderter elektrokinetischer aktiver Sperrflüssigkeit angeordnet. Die Polarität an den beiden, z.B. konzentrisch liegenden Dichtgrenzen ist dabei so gewählt, daß ein Austritt der Sperrflüssigkeit nach beiden Seiten der kombinie^rten Dichtgrenze hin gegen den dort herrschenden Gasdruck verhindert wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Dichtung völlig berührungslos funktioniert und daß daher weder Reibungsverluste noch Verschleiß avftreten. Es lassen sich somit sehr hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden Körpern bzw. Flächen erreichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es keine Leckverluste für die Dichtflüssigkeit gibt.

Nachstehend seien einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt 6d

F i g. 1 schematisch die Dichtgrenze zwischen Fläche und Hohlkörper,

F i g. 2 die Dichtgrenze größer herausgezeichnet,

F i g. 3 einen möglichen Grundriß für die Dichtgrenze des Hohlkörpers, Fig. 4 eine Dichtgrenze für kugelige Flächen,

F i g. 5 eine Dichtgrenzc für kegelige Flächen,

Fig. 6 eine elastische Dichtgrenze,

F i g. 7 eine Dichlgrenze für einen Hohlkörper mit gasförmigem Inhalt,

F i g. 8 eine Abwandlung zur F i g. 7,

F i g. 9 Abdichtung eines zylindrischen Körpers,

Fig. 10 Abwandlung der Ausbildung gemäß F i g. 9.

Der Einfachheit halber sind gleiche oder einander entsprechende Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist der schematische Aufbau der Dichtgrenze gezeigt. Es ist eine ebene Fläche 1 angenomnien, auf der eh. Hohlkörper 2 nach allen Seiten verschiebbar sein soll. Die Verschiebbarkeit ist durch die Pfeile angedeutet. Innerhalb der Wand des Hohlkörpers 2 befindet sich eine Flüssigkeit 3. die am Austritt an den Dichtspalten gehindert werden soll. Der Füllstand des Hohlkörpers ist für die Erfindung nicht von Bedeutung. Er kann ganz oder nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt sein. Die unteren Flächen des Hohlkörpers 2 bilden gegenüber der Fläche 1 eine Dichtleiste, oie müssen daher parallel zur Fläche 1 verlaufen. Einzelheiten der Dichtleiste bzw. Dichtgrenze sind besser aus F i g. 2 zu ersehen. Dort ist deutlich zwischen der Fläche 1 und der Dichtleiste des Hohlkörpers! der Spalt5 zu erkennen. Die Dichtleiste des Hohlkörpers 2 weist an ihren Enden Elektroden 4 und 5 auf. An diese Elektroden wird, wie angedeutet ist, eine elektrische Spannung angelegt. Falls die Flüssigkeit elektrokinetisch aktiv ist, bildet sich hier an den Wänden des Spaltes S, der als Kapillare aufgefaßt werden kann, eine elektrische Doppelschicht, und nach dem elektrokinetischen Prinzip findet ein Flüssigkeitstransport in Pfeiirichtung statt. Selbstverständlich ist dabei auf die Polaritat der angelegten Spannung zu achten, da die Transportrichtung hiervon abhängig ist. Die elektrokinetisehe Pumpwirkung steht im Druck der Flüssigkeit 3 im Inneren des Hohlkörpers 2 entgegen. Es findet somit eine Abdichtung statt.

Da bekanntlich der elektrokinetische Effekt von den Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit und des Werkstoffes für das Kdpiilarsystem abhängig ist, können zunächst nur elektrokinetisch aktive Flüssigkeiten auf diese Weise abgedichtet werden. Man kann die Wirksamkeit der Dichtgrenze dadurch verbessern, daß wenigstens eine Wand des Spaltes S mit elektrokinetisch aktivem Werkstoff beschichtet ist oder eventuell ganz aus einem solchen Werkstoff besteht. Es sind hierfür z. B. ferroelektrische Stoffe, wie Bariumtitanat, zu nennen. Eine derartige Schicht ist in der F i g. 2 durch die Schicht 6 an der Dichtleiste des Hohlkörpers 2 und durch die Schicht 7 auf der ebenen Fläche angedeutet. In welcher Weise diese Schichten aufgebracht sind, ist lü^r das Wesen der Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Sie können z.B. aufgedampft sein.

Wie oben erwähnt, ist in F i g. 1 die Verschiebbarkeit des Hohlkörpers durch einen Pfeil angedeutet. Diese Verschiebbarkeit besteht selbstverständlich nach allen Richtungen und schließt auch eine Drehbewegung ein. Die Verschiebbarkeit selbst ist nochmais in F i g. 3 angedeutet. Hier ist außerdem noch gezeigt, d;.ß der Grundriß des Hohlkörpers nicht ar bestimmte Formen gebunden ist, sondern beliebig ausgebildet sein kann. Voraussetzung ist nur, daC zwischen Fläche 1 und der Dichtleiste des Hohlkör· pers 2 ein sehr enger, als Kapillare wirksamer Spal vorhanden ist. Hier ist ferner noch angedeutet, dat

ζ. B. die Elektrode 4 die innere Begrenzung des sein. Hier im Beispiel ist angenommen, daß der Be-Dichtspaltes bildet, wogegen die Elektrode 5 in hälter 2 eine Gasfüllung 11 enthält. Die beiden Spaleinem gewissen, gegebenenfalls sogar unterschiedli- ten S1 und S 2 bilden zusammen mit dem Flüssigehen Abstand von der äußeren Begrenzung des keitsring der Sperrflüssigkeit eine Gasabdichtung für Dichtspaltes verläuft. Selbstverständlich sind auch 5 den Behälter 2. Für die Sperrflüssigkeit kann am Beandere Möglichkeiten für die Ausbildung von Fläche hälter 2 ein Vorratsraum 10 vorgesehen werden. Ge- und verschiebbarem Hohlkörper gegeben. So zeigt gebenenfalls ist zwischen dem Vorratsraum 10 und die F i g. 4 eine Abwandlung des Prinzips gemäß dem Dichthohlraum 9 eine Pumpe eingeschaltet. F i g. 1 für eine kugelige Fläche 1. In diesem Falle F i g. 8 zeigt vergrößert herausgezeichnet eine solche müssen die Dichtgrenzen zwischen den beiden Elek- io doppelte Dichtgrenze mit gesonderter Sperrflüssigtroden 4 und S ebenfalls der Kugelform angepaßt keit und als Beispiel eine elektrokinetische Pumpe 12 sein. Die Form des Hohlkörpers selbst ist wieder un- zwischen Vorratsraum 10 und Dichtraum 9. Der erheblich. Sie ist hier im Ausführungsbeispiel als Ku- Flüssigkeitsdruck im Hohlraum 9 ist zumindest so gelform dargestellt, kann aber selbstverständlich hoch, wie der höhere der beiden außerhalb der ohne weiteres auch Zylinderform haben. Eine wei- 15 Dichtleiste herrschenden Drücke, d. h. der Drücke im tere Möglichkeit ist in F i g. 5 dargestellt. Dort ist als Hohlraum 11 und im umgebenden Außenraum,
ruhende Fläche eine Kegelform 1 angenommen. Die In den vorangehenden Ausführungsbeispielen sind Dichtgrenzen des Körpers 2 müssen also der Kegel- ebene, kugelige oder kegelige Flächen vorausgesetzt, form angepaßt sein. In diesem Ausführungsbeispiel auf denen der Hohlkörper verschoben bzw. abgeist auf die allseitige Verschiebbarkeit des Körpers2 zo dichtet werden soll. Die Fig. 9 und 10 zeigen Abverzichtet, jedoch ist Rotation um die Symmetrie- Wandlungen dieses Prinzips, bei dem der Dichtspalt achse möglich. Die F i g. 5 zeigt außerdem noch, daß zylindrisch ausgebildet ist. In der F i g. 9 ist angeder von der Dichtgrenze umschlossene Raum nicht nommen, daß eine Wandung 21 einen Zylinder bilunbedingt ein allseits geschlossener Hohlkörper sein det, in dem ein Kolben 22 verschiebbar sein soll. Zymuß, sondern daß der Körper 2 ohne weiteres z. B. 25 linder und Kolben bilden zusammen den abzudichnach oben offen sein kann. Wichtig ist nur, daß die tenden Raum 23. Der Dichtspalt S zwischen Kolben Dichtgrenze entlang der Fläche 1, also hier im Bei- 22 und Wand 21 ist somit zylinderförmig. Der Kolspiel entlang des Kegelmantels, geschlossen ist und ben 22 tragt — in der Art von Kolbenringen — ein daß innerhalb der Dichtgrenze das abzudichtende Elektrodenpaar 4 bzw. 5. Zwischen den beiden Elek-Medium sich befindet. 30 troden befindet sich gegebenenfalls wieder eine elek-

Die F i g. 6 zeigt eine Weiterbildung der Erfin- trokinetisch aktive Beschichtung 6. In der F i g. 9 ist

dung. Bei ihr ist angenommen, daß die Didiigtciue diese Beschichtung mit den Elektroden im Unken

nicht direkt am Hohlkörper 2 liegt, sondern daß sie Teil des Kolbens im Schnitt dargestellt, während im

selbst elastisch bzw. flexibel ausgebildet sein kann. rechten Teil die Schicht in Draufsicht zu erkennen

Die Flexibilität ist hier durch den schmalen Fuß 8 35 ist. Im inneren Teil der F i g. 9 ist ein Querschnitt

angedeutet. Dieser Fuß bildet mit der Fläche 1 wie- durch den Zylinder 21 dargestellt. Kolben 22 mit

der den Dichtspalt S und trägt die Elektroden 4 und 5 Elektrode 4 und Dichtspalt S sind zu erkennen. Ge-

sowie eine elektrokinetisch wirksame Schicht 6. Es ist strichelt ist der Fall eingezeichnet, daß der Kolben

auch möglich, nicht die gesamte Dichtgrenze flexibel nicht vollständige Kreisform aufweist, sondern auch

auszubilden, sondern nur eine flexible Verbindung 40 anders ausgebildet sein kann. Als Beispiel ist hier

zwischen Hohlkörper und Dichtgrenze vorzusehen. eine elliptische Form 22' eingezeichnet.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen war an- Die Fig. 10 stellt eine Weiterbildung der Fig.9 genommen, daß die abzudichtende Flüssigkeit 3 im dar, bei der in Anlehnung an die Ausführungsbei-Behälterinneren selbst elektrokinetisch aktiv sei und spiele der F i g. 7 und 8 doppelte Dichtspalte S1 und daher als Sperrflüssigkeit verwendet werden kann. Es 45 SI mit dazwischenliegenden Hohlraum 9 und gesonüt aber auch möglich, elektrokinetisch inaktive Flüs- derter Sperrflüssigkeit vorgesehen sind. Diese Art der sigkeiten oder auch Gase auf die vorgeschlagene Abdichtung eignet sich wieder für gasförmigen Inhalt Weise abzudichten. Die Fig.7 zeigt hierfür eine oder für elektrokinetisch inaktive Flüssigkeiten im Möglichkeit. Der Hohlkörper 2 weist an seiner der Hohlraum 23. Selbstverständlich ist noch eine yoße Fläche 1 gegenüberliegenden Begrenzung zwei Dicht- 5° Anzahl weiterer Variationen dieser Ausbildungsforleisten auf, die z.B. konzentrisch ineinanderliegen men möglich, z.B. eignen sich diese hier gezeigten und durch einen Hohlraum 9 voneinander getrennt Dichtungen auch für WeUendurchführungen.
sind. Es werden somit zwei Spaltenil und 52 gebil- In allen Fällen ergibt die Erfindung eine reibungsdet. Im dazwischenliegenden Hohlraum 9 ist eine ge- lose Abdichtung von Hohlräumen, die an ebene Fläsonderte elektrokinetisch aktive Sperrflüssigkeit vor- 55 chen, Kugelflächen, Kegel oder Zylinder grenzen, gesehen. Beide Dichtgrenzen an den Spalten 51 und Dabei können die abzudichtenden Hohlräume Flüs- S 2 tragen Elektroden 4 und 5, sowie gegebenenfalls sigkeiten oder Gase enthalten. Wie erwähnt, braueine elektrokinetisch aktive Beschichtung 6. Die Po- chen die Flüssigkeiten selbst nicht unbedingt elektrolarität an den Elektroden der beiden Spalten ist so kinetisch aktiv zu sein. Auch bei einem hohen Diffegelegt, daß die Flüssigkeiten am Austreten sowohl 60 renzdruck kann nach diesem Vorschlag ein Austrenach außen als auch nach innen zum Behälterinneren ten von Flüssigkeit, sei es nun die abzudichtende verhindert wird, d. h., die Polarität am einen Spalt Flüssigkeit selbst oder eine gesonderte Sperrflüssigmuß der Polarität am anderen Spalt entgegengesetzt keit, aus dem Dichtspalt verhindert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Spaltdichtung zwischen einer Fläche und einem relativ zu dieser Fläche be-veglichen und mit der Fläche einen abgeschlossenen Innenraum bildenden Körper mit einer der Fläche gegenüberliegenden Dichtleiste. dadurch gekennzeichnet, daß entlang der inneren und äußeren Begrenzung des von der Dichtleiste des Körpers (2) gebildeten Dichtspaltes (S) Elektroden (4, 5) angeordnet sind und an sie ein elektrisches Potential solcher Polarität angelegt ist, daß nach dem Prinzip der elektrokinetischen Pumpe eine elektrokinetisch wirksame Flüssigkeit (Sperrflüssigkeit) am Austritt aus dem Dichtspalt gehindert wird.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wand des Dichtspaltes, i. B. die von der Dichtleiste des Körpers gebildete Wand (6), aus elektrokinetisch wirksamem Material (z. B. aus ferroelektrischem Stoff) besteht.

3. Spaltdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand bzw. Wände (6 bzw. 7) mit elektrokinetisch wirksamem Material beschichtet ist bzw. sind.

4. Spaltdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand bzw. Wände (6 bzw. 7) des Dichtspaltes mit Bariumtitanat bedampft ist bzw. s'".d.

5. Spaltdichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei getrennten, ineinanderliegenden yi.B. konzentrischen) elektrokinetisch wirksamen Dichtspalten (51, 52) mit einem dazwischenliegenden, die Sperrflüssigkeit enthaltenden Hohlraum (9) besteht, wobei die Elektrodenpaare (4, S) der beiden Dichtspalten durch gegensinnige Polarität einen Austritt der Sperrflüssigkeit nach beiden Seiten der Spaltdichtung hin verhindern.

6. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste des beweglichen Körpers (2) flexibel (8) ausgebildet ist.

7. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtleiste am beweglichen Körper (2) flexibel bzw. elastisch nachgiebig angeordnet ist.

8. Verfahren für den Betrieb einer Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrokinetisch wirksame Sperrflüssigkeit von einem Vorratsraum (10) aus unter Druck in den zwischen den Dichtspalten (51, 52) befindlichen Hohlraum (9) gefördert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck im Hohlraum (9) zwischen den Dichtspalten (51, 52) zumindest so hoch ist wie der höhere der beiden außerhalb der Spaltdichtung herrschenden Drücke.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsförderung durch eine elektrokinetische Pumpe (12) erfolgt.