DE202007012050U1 - Dichtungselement, insbesondere Sekundärdichtungselement einer Gleitringdichtung - Google Patents

Abstract

Dichtungselement, insbesondere Sekundärdichtungselement einer Gleitringdichtung, mit einem Basiskörper (11) aus nachgiebigem Material mit unter einem Winkel zueinander stehenden Flächenbereichen (12, 13), von denen wenigstens einer einen Dichtungsbereich vorsieht, und einer Verstärkung mit erhöhter Steifigkeit an einem Eckbereich (15) des Dichtungselementes, der von den Flächenbereichen definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der versteifte Eckbereich (15) integraler Teil des Basiskörpers (11) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement, insbesondere Sekundärdichtungselement einer Gleitringdichtung, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine mit einem derartigen Sekundärdichtungselement ausgestattete Gleitringdichtungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
• Die Erfindung betrifft insbesondere ein Sekundärdichtungselement zur Verwendung bei einer Gleitringdichtungsanordnung, die für den Einsatz zur Abdichtung gasförmiger und flüssiger Medien mit hohen bis sehr hohen Drücken ausgelegt ist, wo die Gefahr eines Fliessens oder Extrudierens von Material des Sekundärdichtungselementes in enge abzudichtende Spalte zwischen benachbarten gegeneinander abzudichtenden Bauteilen besteht, deren Beweglichkeit relativ zueinander gewährleistet sein muss. Die Beweglichkeit des befederten Gleitringes einer Gleitringdichtungsanordnung in axialer Richtung über die gesamte veranschlagte Betriebszeit ist eine wichtige Voraussetzung für eine gute Dichtwirkung und hohe Betriebssicherheit, insbesondere bei der Abdichtung von Gasen. Mangelnde Beweglichkeit kann erhebliche schädliche Umgebungsauswirkungen haben.
• Es wurden schon Sekundärdichtungselemente vorgeschlagen ( DE 29518119 U1 , DE 29612203 U1 ), bei denen zur Vermeidung eines derartigen Extrudierens ein starres separates Stützelement aus einem steifen Kunststoffmaterial in einem Basiskörper aus einem nachgiebigen Kunststoffmaterial aufgenommen ist. Das Stützelement deckt einen Zugang zu einem abzudichtenden Spalt praktisch ab und hindert damit das Material des Sekundärdichtungselementes an einem Fliessen in den Spalt. Das starre Stützele ment übernimmt dabei keine Dichtungsfunktion. Ein anderes derartiges Sekundärdichtungselement ist aus der WO 2004/046591 A1 bekannt, bei dem zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens das separate Stützelement aus einem Kohlenstoffmaterial geformt ist. Ein gemeinsames Merkmal der bekannten Massnahme zum Verhindern von Extrusion ist die Mehrteiligkeit der Anordnungen und der damit verbundene erhöhte Aufwand bei der Bereitstellung, Lagerhaltung und Montage bzw. Wartung.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dichtungselement der gattungsgemässen Art zu schaffen, das bei vergleichsweise einfachem Aufbau und damit einhergehender günstiger Fertigungsmöglichkeit eine gute Dichtfunktion und hohe Betriebssicherheit infolge zuverlässiger Vermeidung von Extrusion und eingeschränkter Beweglichkeit in sich vereint.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demnach wird die gefürchtete Extrusion erfindungsgemäss dadurch wirksam vermieden, dass ein Eckbereich des Dichtungselementes, der beim Einsatz einem Spalt zwischen gegeneinander abzudichtenden Bauteilen an nächsten liegt, als integraler versteifter Teil des Basiskörpers des Dichtungselementes ausgebildet ist. Die versteifende Wirkung kann auf verschiedene Weise, vorzugsweise mittels eines faser- oder teilchenförmigen Vertärkungsmaterials erhalten werden, das dem Matrixmaterial, aus dem das Dichtungselement geformt ist, am Eckbereich zugegeben ist. In der bevorzugten Ausgestaltung stellt das Dichtungselement ein Kunststoffformteil dar, das in wirtschaftlicher Weise durch Zwei-Komponenten-Spritzgiessen hergestellt werden kann, wobei eine Kunststoffkomponente mit und die andere ohne Vertärkungsmaterial versehen ist. Gemäss einer anderen Weiterbildung kann ein die tribologischen Eigenschaften des Eckbereichs verbesserndes Verstärkungsmaterial vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang erweist sich besonders geeignet partikelförmiges Diamantmaterial, das vorzugsweise mit einer Partikelgrösse im Nanobereich im Matrixmaterial eingebettet wird.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine mit einem Dichtungselement der vorgenannten Art ausgestattete Gleitringdichtungsanordnung gemäss den Ansprüchen 13 und 14.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 in längsgeschnittener Teilansicht eine Gleitringdichtungsanordnung mit einem Sekundärdichtungselement gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, und
• 2 in vergrösserter geschnittener Ansicht ein Detail in 1.
• Obschon die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit einer Gleitringdichtungsanordnung beschrieben wird, ist die Erfindung auf diese Anwendung nicht eingeschränkt. Vielmehr kann die Erfindung immer dann erfolgreich zum Einsatz kommen, wenn die Gefahr besteht, dass bei relativ zueinander beweglichen, gegeneinander abzudichtenden Bauteilen Material des Dichtungselements in einen Spalt zwischen den Bauteilen unter den einwirkenden Betriebsbedingungen, wie Drücken oder Temperaturen, eindringen kann, so dass die Beweglichkeit der Bauteile relativ zueinander hierdurch eingeschränkt oder ggf. sogar verhindert wird. Das Dichtungselement kann eine ringförmige oder lineare Konfiguration haben, je nachdem wie die gegeneinander abzudichtenden Bauteil ausgebildet sind. Im Folgenden wird eine Ausführung mit ringförmiger Konfiguration näher beschrieben. Es versteht sich, dass die wesentlichen Merkmale dieser Ausführing analog auf eine lineare Konfiguration übertragbar sind.
• In 1 betrifft das Bezugszeichen 1 eine auf einer Welle 2 drehfest aufgesetzte rohrförmige Büchse mit einer Halterung 1' für einen Gleitring 3 eines Paares von zusammenwirkenden Gleitringen 3, 4. Der Gleitring 3 ist drehfest an der Halterung 1' montiert, so dass die sich zusammen mit der Welle 2 drehende Büchse 1 die Drehkraft auf den Gleitring 3 überträgt.
• An einem bei 5 angedeuteten stationären Dichtungsgehäuse ist der andere Gleitring 4 gehalten. Insbesondere sitzt der Gleitring 4 axial beweglich in Lossitz auf einem hülsenförmigen Ansatzteil 6, das, wie dargestellt, vom Dichtungsgehäuse 5 koaxial zur Buchse 1 bzw. Welle 2 absteht und ein separates Teil des Dichtungsgehäuses darstellen kann. Eine Vorspannfedereinrichtung 7, die mehrere umfänglich verteilt angeordnete Spiralfedern umfassen kann, ist vorgesehen, um den Gleitring 4 gegen den rotierenden Gleitring 3 mit einer geeigneten Vorspannkraft zu beaufschlagen, so dass die gegenüberliegenden Dichtflächen (nicht näher bezeichnet) der Gleitringe 3, 4 bei Stillstand der Welle 2 in einer dichtenden Beziehung zueinander gehalten sind. Jede Spiralfeder stützt sich mit einem Ende im Dichtungsgehäuse 5 und mit ihrem anderen Ende an einer starren Andruckplatte 8 ab. Die Vorspannkraft wird über die Andruckplatte 8, ein das allgemeine Bezugszeichen 10 aufweisende Sekundärdichtungselement und einen weiteren Stützring 9 auf den Gleitring 4 übertragen. Das Sekundärdichtungselement 10 bewirkt eine Abdichtung des Spaltes zwischen den in Gleitbeziehung miteinander stehenden Umfangsflächen des Stützringes 9 bzw. Gleitringes 4 und hülsenförmigen Ansatzteiles 6.
• Der Stützring 9 kann, wenn erwünscht, weggelassen werden. In diesem Fall überträgt das Sekundärdichtungselement 10 die Vorspannkraft unmittelbar auf den Gleitring 4. Im Übrigen ist der grundsätzliche Aufbau einer Gleitringdichtungsanordnung dem Fachmann bekannt, so dass sich eine Erläuterung weiterer Details erübrigt.
• 2 zeigt das Sekundärdichtungselement 10 nach der Erfindung mit weiteren Details. Wie dargestellt, umfasst das Sekundärdichtungselement 10 einen ringförmigen Basiskörper 11 aus nachgiebigem Material, der einen ersten radial ausgerichteten Flächenbereich 12 oder eine Stirnfläche, die dem Gleitring 4 zugewandt ist, und einen zweiten axial ausgerichteten Flächenbereich 13 oder einen inneren Umfangsflächenbereich aufweist, durch den sich der hülsenförmige Ansatzteil 6 hindurch erstrecken kann. Die ersten und zweiten Flächenbereiche 12, 13 bilden eine Ringkante 14 an der Stelle, an der sich die beiden Flächenbereiche treffen.
• Durch eine Punktierung in 2 ist angedeutet, dass im Basiskörper 11 ein Eckbereich 15 mit erhöhter Festigkeit und Steifigkeit ausgebildet ist, der ausgehend von der Ringkante 14 sich strahlenartig über eine geeignete Wegstrecke ins Innere des Basiskörpers 11 ausbreitet, um den Basiskörper 11 an und seitlich nahe der Ringkante 14 so zu versteifen, dass am Eckbereich 15 einem Materialfliessen ein erhöhter Widerstand entgegengesetzt ist. Der Eckbereich 15 ist integraler Bestandteil der Basiskörpers 11.
• Während der Basiskörper 11 ein Formteil aus einem geeigneten nachgiebigen Material, wie einem Elastomer, insbesondere thermoplastischen Elastomer, oder einem anderen Kunststoffmaterial, insbeondere aus der Gruppe der Polyolefine wie Polythetrafluoräthylen (PTFE), sein kann, ist dem Kunstoffmatrixmaterial am Eckbereich 15 zusätzlich ein faser- oder teilchenförmiges Vertärkungsmaterial zugegeben.
• Ein bevorzugtes faserförmiges Verstärkungsmaterial umfasst Stapelfasern aus einem Glasmaterial, jedoch können, wenn erwünscht auch andere Verstärkungmaterialien wie Kohlenstofffasern oder metallische Fasern zum Einsatz kommen, insbesondere wenn eine erhöhte Steifigkeit gewünscht wird.
• Bevorzugte teilchen- oder pulverförmige Verstärkungsmaterialien umfassen solchen aus metallischen oder keramischen Materialien, wie Stahl, Wolframkarbid, Kohlenstoff.
• Besonders bevorzugt wird ein teilchenförmiges Diamantmaterial wegen dessen guter tribologischer Eigenschaft bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit. Infolge dessen unterstützen an den Flächenbereichen 12, 13 und der Ringkante 14 frei liegende Diamantpartikel das Gleitverhalten des Dichtungselementes rela tiv zu einer damit bei Betrieb in Kontakt tretenden Oberfläche eines Bauteils. Höchst vorzugsweise sollte die Teilchengrösse auf ein Mass im Nanobereich minimiert sein.
• Wenn erwünscht, kann auch das Material am restliche Querschnitt des Dichtungselementes in der erwähnten Weise und mit den genannten Verstärkungsmaterialien zu einem Verbundmaterial ausgebildet sein, wobei jedoch die versteifende Wirkung geringer als am Eckbereich 15 sein sollte, damit das Dichtungselement weiterhin eine ausreichende Nachgiebigkeit aufweist.
• Wie ferner 1 und 2 zu entnehmen ist, können vom Basiskörper 11 des Dichtungselementes 10 ein Paar stegförmige Ansätze 16, 17 an einer Seite axial abstehen, die vom ersten Flächenbereich 12 abgewandt ist. Die stegförmigen Ansätze 16, 17 begrenzen zwischen sich eine Ausnehmung 18, in der ein federndes Spreizelement 19 angeordnet sein kann, um die stegförmigen Ansätze 16, 17 in radialer Richtung voneinander weg zu spreizen und damit aussenseitige Dichtungsbereiche 20 bzw. 21 nahe den freien Enden der stegförmigen Ansätze 16, 17 in dichtendem Eingriff mit benachbarten Oberflächen eines abzudichtenden Bauteils vorzuspannen. Bei Einsatz eines tribologisch wirksamen Verstärkungsmaterials für den Eckbereich 15, wie ein teilchenförmiges Diamantmaterial, wird bevorzugt, dass wenigstens der Dichtungsbereich 20, der wie der zweite Flächenbereich 13 beim Betrieb eine Relativbewegung zu der benachbarten Bauteilfläche erfährt, vorzugsweise der gesamte zugehörige stegförmige Ansatz 16, ebenfalls mit dem tribologisch wirksamen Verstärkungsmaterial durchsetzt ist, um die Gleiteigenschaft zu verbessern.
• Eine Alternative zu einer Versteifung des Eckbereichs 15 mit einem Fremdmaterial besteht in einer chemisch-physikalische Behandlung, z.B. mittels UV-Licht oder durch Einwirken chemischer Substanzen, des Kunststofmaterials am Eckbereich 15, so dass dessen Polymerstruktur verändert wird, wodurch das Material eine erhöhte Steifigkeit erhält.
• Das Dichtungselement nach der Erfindung mit dem vorerwähnten Aufbau stellt vorzugsweise ein Formteil dar, das nach dem bekannten Zwei-Komponenten-Spritzgiessverfahren in preisgünstiger Weise hergestellt werden kann. Dazu wird in einem ersten Schritt der Eckbereich 15 aus dem verstärkten Kunststoffmaterial geformt und in einem zweiten Schritt daran das den restlichen Querschnitt des Dichtungselementes bildende Kunststoffmaterial angeformt. Das genannte Verfahren erlaubt, wenn erwünscht, die Verwendung unterschiedlicher oder unterschiedlich gefärbter Kunststoffmaterialien, um z.B. die Verstärkungsbereiche optisch hervorzuheben.
• Bei Einsatz des, wie vorbeschrieben, aufgebauten Dichtungselementes als Sekundärdichtungselement an der in 1 gezeigten Gleitringdichtungsanordnung zur Abdichtung des Gleitringes 4 gegenüber dem hülsenförmigen Ansatzteil 6 wird zur weiteren Verbesserung des Gleitverhaltens zwischen den Teilen bevorzugt, dass der hülsenförmige Ansatzteil 6 an seiner dem Sekundärdichtungselement 10 zugewandten Umfangsfläche 22 mit einer tribologisch wirksamen Diamantbeschichtung versehen ist. Nähere Details zu einer derartigen Beschichtung und den Methoden zum Aufbringen auf eine Substratfläche brauchen an dieser Stelle nicht erläutert zu werden, da sie dem Fachmann bekannt sind. Im Übrigen kann ferner auf die DE 20 2006 006 425 A Bezug genommen werden.

Claims (14)

1. Dichtungselement, insbesondere Sekundärdichtungselement einer Gleitringdichtung, mit einem Basiskörper (11) aus nachgiebigem Material mit unter einem Winkel zueinander stehenden Flächenbereichen (12, 13), von denen wenigstens einer einen Dichtungsbereich vorsieht, und einer Verstärkung mit erhöhter Steifigkeit an einem Eckbereich (15) des Dichtungselementes, der von den Flächenbereichen definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der versteifte Eckbereich (15) integraler Teil des Basiskörpers (11) ist.
2. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein wenigstens am Eckbereich (15) mit einem faser- oder teilchenförmigen Vertärkungsmaterial oder eine Kombination davon verstärktes Formteil aus einem Kunststoffmaterial ist.
3. Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eckbereich (15) einen erhöhten Anteil an Verstärkungsmaterial gegenüber dem Basiskörper (11) und/oder ein Verstärkungsmaterial umfasst, das sich von demjenigen des Basiskörpers unterscheidet.
4. Dichtungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige Verstärkungsmaterial metallische und/oder nicht-metallische, einschliesslich Diamantpartikel, letztere vorzugsweise mit einer Partikelgrösse im Nanobereich, und/oder keramische Materialien sowie eine Kombination davon umfasst.
5. Dichtungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das faserförmige Verstärkungsmaterial organische und nicht-organische Fasermaterialien sowie ein Kombination davon umfasst.
6. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffformteil durch Zweikomponenten-Spritzgiessen hergestellt ist.
7. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein am Eckbereich (15) durch eine versteifende chemisch-physikalische Behandlung in seiner Polymerstruktur verändertes Kunststoffmaterial umfasst.
8. Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgiebige Material ein die Elastomere, einschliesslich thermoplastischen Elastomere, und Thermoplaste, vorzugsweise die Polyolefine, höchst vorzugsweise PTFE umfassendes Kunststoffmaterial umfasst.
9. Dichtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Basiskörper (11) ein Paar im wesentlichen axial abstehende, radial beabstandete stegförmige Ansätze (16, 17) angeformt ist, an denen wenigstens ein weiterer Dichtungsbereich (20) vorgesehen ist.
10. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein die tribologischen Eigenschaften des Eckbereichs (15) verbesserndes Verstärkungsmaterial vorgesehen ist.
11. Dichtungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das tribologisch wirksame Verstärkungsmaterial partikelförmiges Diamantmaterial umfasst.
12. Dichtungselement nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das tribologisch wirksame Verstärkungsmaterial ferner an dem Dichtungsbereich (20) der stegförmige Ansätze (16, 17) vorgesehen ist.
13. Gleitringdichtungsanordnung mit einem Paar zusammenwirkender Gleitringe (3, 4), von denen einer zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil vorgesehen und der andere drehgesichtert montiert ist, wobei einer der Gleitringe durch ein Sekundärdichtungslement (10) gegenüber einem hülsenförmigen Ansatzeil (6) der Gleitringdichtungsanordnung abgedichtet und relativ zum Aansatzteil axial beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärdichtungslement (10) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
14. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung des Sekundärdichtungslement (10) der hülsenförmige Ansatzteil (6) wenigstens an seiner mit dem Sekundärdichtungslement in dichtendem Eingriff bringbaren Oberfläche (22) mit einem Diamantmaterial beschichtet ist.