-
Abdichtung eines hin- und hergehenden zylindrischen Teils.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abdichtung zwischen einem axial
hin- und hergehenden Teil und der umgebenden Bohrung eines feststehenden Gehäuses,
dessen Innenraum ein unter Druck, insbe= sondere unter wechselndem Druck stehendes
Medium enthält, wobei das zylindrische Teil gegenüber der umgebenden Bohrung durch
eine Balgdichtung und mindestens eine Gleitdichtung abgedichtet ist, von denen die
Letztere zwischen dem Innenraum und der Balgdichtung liegt und als Pumpglied ausgebildet
ist, welches das über die Gleitdichtung leckende Medium aus dem Zwischenraum zwischen
Balg= dichtung und Gleitdichtung mindestens so lange in den Innenraum zurückzubefördern
vermag, als das zylindrische Teil in Bewegung ist.
-
Abdichtungen der vorgenannten Art sind schon an Verdichtern ange=
wendet worden (OS 1 962 245). Sie können jedoch in dieser bekann= ten Ausführung
die Aufgabe der Erfindung nicht lösen., die darin besteht, eine hermetische Abdichtung
eines hin- und hergehenden zylindrischen Teiles, z.B. einer Kolbenstange unter Vermeidung
der Nachteile der bekannten hierfür verwendeten,Rollbalgdichtungen zu bewirken.
Eine derartige Rollbalgdichtung ist z.B. in der DT-PS 1 198 626 beschrieben und
dargestellt. Dort wird die für die Abdichtung höherer Drücke an sich ungeeignete
Rollbalgdichtung dadurch für den vorgesehenen Zweck brauchbar gemacht, daß sie durch
eine Druckflüssigkeit an der Außenseite abgestützt wird, wobei der Abstützdruck
dem Innendruck-zu folgen hat, wenn der Rollbalg keinen Schaden leiden-soll. Dies
ist insbesondere bei schnell wechselnden Innendrücken eine kaum lösbare Aufgabe,
wes=
halb diese Abdichtungen in solchen Fällen z.B-. bei Heißgasmotoren
keine für den praktischen Betrieb genügende Lebensdauer haben.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge in der Vermeidung der
geschilderten Nachteile. Insbesondere soll die aufwendige und störanfällige Abstützung
der Rollbalgdichtung durch Druck= flüssigkeit völlig vermieden werden.
-
Man hat zwar schon eine Abdichtung bestehend aus einer Rollbalg= dichtung
mit vorgeschalteter Gleitdichtung ohne Abstützung mit Druckflüssigkeit vorgeschlagen
(OS 2016 542). Diese bekannte Lösung benötigt aber einen weiteren druck erfüllt
en Raum an der Außenseite der Rollbalgdichtung, der den Antrieb der Kolbenstange
enthält, welcher wiederum nur unter Schwierigkeiten an den Wellen= austritten abgedichtet
werden kann.
-
Der Verdichter gemäß der OS 1 962 245 kann die vorstehend erläu= terte
Erfindungsaufgabe schon allein deshalb nicht lösen, weil der Zwischenraum zwischen
Balgdichtung und Gleitdichtung nicht nach außen abgedichtet ist. Deshalb ist dort
auch die Balgdichtung mit der gemäß der Erfindung zu vermeidenden Druckflüssigkeitsab=
stützung versehen.
-
Demgegenüber wird die geschilderte Aufgabe an einer Abdichtung der
eingangs beschriebenen Bauart erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zwischenraum
nach außen abgeschlossen ist. Dadurch wird es möglich, den Zwischenraum zumindest
so lange praktisch druck= los zu halten, als das zylindrische Teil in Bewegung ist,
so daß die Balgdichtung in diesem Zustand keiner nennenswerten Druck= differeiiz
mehr ausgesetzt ist und somit keiner Abstützung mehr durch Flüssigkeitsdruck bedarf.
-
Um zu vermeiden, daß in dem Zwischenraum ein unter dem Um-gebungs=
luftdruck liegender Druck entsteht, der die Balgdichtung umstülpen könnte, ist vorteilhaft
vorgesehen, daß der Druck im Zwischenraum durch eine Regelvorrichtung zumindest
so lange etwas höher als der
Umgebungsluftdruck einstellbar ist,
als das zylindrische Weil in Bewegung ist, wobei die Regelvorrichtung eine Verbindung
zwischen dem Innenraum und dem Zwischenraum beherrscht.
-
Den Verhältnissen beim Stillstand des zylindrischen Teils, wenn der
Druck im Zwischenraum infolge von Leckage von Druckmedium aus dem Innenraum über
die Gleitdichtung in den Zwischenraum in diesem ansteigt, wird vorteilhaft dadurch
Rechnung getragen, daß die Balgdichtung durch einen elastischen Rollbalg gebildet
wird, der sich beim Ansteigen des Druckes in dem Zwischenraum ausdehnt und in diesem
Zustand an einer Stützwand des Gehäuses zur Anlage kommt. Dabei nimmt der Rollbalg
im Stillstand keinen Schaden, da er in diesem Zustand nicht abrollen muß, und bewirkt
weiterhin eine hermetische Abdichtung. Andererseits wird der Rollbalg, ins= besondere
wenn der Zwischenraum so klein wie möglich ausgebildet wird, beim Anlaufen nach
wenigen Hüben des zylindrischen Teiles durch Auspumpen des Zwischenraumes wieder
entlastet und bleibt somit den dynamischen Anforderungen des Betriebes gewachsen.
-
Um zu vermeiden, daß der Rollbalg im- Stillstand in den Spalt zwi=
schen dem zylindrischen Teil und der Stützwand gequetscht wird, ist vorteilhaft
an dem Spalt zwischen dem zylindrischen Teil und der Stützwand ein elastischer Lippenring
angebracht, der durch den auf dem Rollbalg lastenden Druck derart deformierbar ist,
daß er den Spalt schließt.
-
Um jegliche Überbeanspruchung des Rollbalges während der Periode zu
vermeiden, in welcher der Zwischenraum drucklos gepumpt wird, kann die Stützwand
mit Vorteil als bewegliches Stützglied ausge= bildet sein, so daß es den Bewegungen
folgt, die der Umlenkbogen des Rollbalgs im entlasteten Zustand ausführt. Dadurch
entfällt die vorstehend erwähnte Ausdehung des Rollbalgs im Stillstand und somit
jegliche Überbeanspruchung aus diesem Anlaß.
-
Zweckmäßig wird dabei. das Stützglied durch einen einarmigen Hebel
bewegt, dessen eines Ende um einen Festpunkt am Gehäuse drehbar ist und dessen anderes
Ende mit dem zylindrischen Teil oder mit einem an diesem befestigten Teil verbunden
ist, wobei das Stützglied derart etwa in der Mitte des Hebels angelenkt ist, daß
es etwa den halben Hub des zylindrischen Teiles ausführt, In besonders vorteilhafter
Weise wird die erfindungsgemäße Ab dichtung dadurch für die Verwendung an Kolbenstangen
z.B. für Heißgasmotoren geeignet, -daß die als Pumpglied ausgebideteGleit= dichtung
aus einem das zylindrische Teil dichtend umgebenden ersten ringförmigen- Ventilglied
besteht, das durch das Gehäuse nahezu vollständig daran gehindert ist, die Bewegungen
des zylin= drischen Teiles mitzumachen, -sowie aus einem zweiten ringförmigen Ventilglied,
das die Bewegungen des zylindris6hen Teiles nahezu vollständig mitmacht und an der
umgebenden Gehäusebohrung dich= tend anliegt, wobei das erste Ventilglied zwischen
dem Innenraum und dem zweiten Ventilglied liegt, das ebenso wie das erste Ven= tilglied
das abzudichtende Medium daran hindert, aus dem Innen= raum in den Zwischenraum
zu fließen, eine Strömung aus dem Zwi= schenraum in den Innenraum jedoch zuläßt.
Dadurch, daß die als Gleitdichtung wirkenden beiden Ventilglieder lediglich am Umfang
des zylindrischen Teiles liegen, sind die stirnseitigen Enden dieses Teiles z.B.
zur Befestigung von Kolben oder Triebwerks teilen frei, d.h. das zylindrische Teil
kann mit Vorteil als Kolbenstange von Heißgasmotoren oder für ähnliche Zwecke Verwen
det werden.
-
In der Zeichnung sind Verschiedene Ausführungsarten der Erfindung
dargestellt.
-
Fig. 1 zweigt die erfindungsgemäße Abdichtung in dem Zustands in dem
der Zwischenraum drucklos ist.
-
i!'ig. 2 zeigt die gleiche Abdichtung auf der linken Seite mit
drucklosem
Zwischenraum, während auf der rechten Seite der Zustand bei druckbeaufschlagtem
Zwischenraum gezeigt ist, wobei gleichzeitig die Funktion des elastischen Lippenringes
veranschaulicht wird.
-
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Abdichtung in der Ausführungs= -art
mit einer Regelvorrichtung, die den Druck im Zwischen= raum überwacht.
-
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsart, bei der die Stützwand als beweg=
liches Stützglied ausgebildet ist, im Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 5.
-
Fig. 5 zeigt den Antrieb des beweglichen Stützgliedes in Ansicht in
Richtung des Pfeiles V in Fig. 4 gesehen.
-
Die Abdichtung des axial hin- und hergehenden zylindrischen Teiles
1 gegenüber der umgebenden Bohrung des Gehäuses 2 geschieht durch eine Balgdichtung
3, der eine Gleitdichtung vorgeschaltet ist,- die aus dem ersten ringförmigen Ventilglied
4-und dem zweiten ringför= migen Ventilglied 5 besteht. Die Ventilglieder 4 und
5 liegen zwischen dem Innenraum 6 des Gehäuses 2, der mit einem Medium wech= selnden
Druckes, z.B. mit dem Arbeitsmedium eines Heißgasmotors angefüllt ist, und der Balgdichtung
3. Zwischen dem Ventilglied 5 und der Balgdichtung 3 liegt der Zwischenraum7, der
bei einer Hin- und Herbewegung des Teiles 1 in Richtung seiner Achse 9 druck= los
gepumpt wird. Da die Ventilglieder 4 und 5 das im Raum 6 be= findliche abzudichtende
Medium infolge der Ausnehmungen 10 ledig= lich daran hindern von dem Raum 6 in den
Raum 7 zu strömen, eine Strömung in umgekehrter Richtung jedoch zulassen, wirken
sie als Pumpglieder, die das von dem Raum 6 über die Ventilglieder 4 und 5 in den
Raum 7 leckende Medium von dem Raum 7 in den Raum 6 zurück pumpen, so lange das
Teil 1 in Bewegung ist. Bei diesem Vorgang arbeitet, wie weiter unten noch genauer
erläutert ist, das Ventil= glied 4 wie das Druckventil und das Ventilglied 5 wie
das Saug=*
ventil bzw. der Kolbenring einer Kolbenpumpe. Von den
Ventilglie=-dorn 4und 5, dem Teil 1 und dem Gehäuse 2 wird ein Pumpenraum 11 gebildet,
der beim Hochgang des Teiles 1 verkleinert und beim Niedergang des Teiles 1 vergrößert
wird. Dasselbe trifft auf den Zwischenraum ? zu. Die Ventilglieder 4 und 5 bestehen
aus Ringen mit rechteckigem Querschnitt, die nach Art eines Kolbenringes geschlitzt,
aber auch ungeschlitzt sein können. Im letzteren Fall können sie etwas übermaß gegenüber
der Bohrung des Gehäuses 2 haben, um den notwendigen VoranpreHdruck an ihrer zylindrischen
Dichtfläche zu erzeugen. Die Ventilglieder 4 und 5 können eigen= federnd wie normale
Kolbenringe sein, können aber auch aus ver= formbarem Kunststoff, auch mit Selbstschmierungseigenschaften
bestehen und durch nicht dargestellte Spannringe zur Anlage an den abzudichtenden
Flächen gebracht werden." Auch die Verwendung von Lippendichtungen für die Ventil
glieder 4 und 5 an Stelle der dargestellten Rechteckringe ist möglich. Das erste
Ventilglied 4 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, da es mit Spiel in der Ringnutl2
liegt, mit seiner dem Pumpenraum 11 zugewandten Seitenfläche an der entsprechenden
Flanke der Ringnut 12 zur Anlage gebracht, wenn der Druck im Raum 6 höher ist als
im Raum 11. Da dieser Zu= stand bei einer Bewegung des Teiles 1 in Abwärtsrichtung
eintritt, wirkt die Reibung des Ventilgliedes 4 an dem Umfang des Teiles 1 im gleichen
Sinne wie die Druckdifferenz zwischen den Räumen 6 und 11. Der Druck im Raume 6,
der über die abgehobene obere Sei= tenfläche des Ventilgliedes 4 hinter dieses gelangt,
wirkt auf den Außendurchmesser des Ventilgliedes 4 und preßt dieses dich= tend an
das Teil 1. Ist der Druck im Raum 11 höher als im Raum 6, so wird das Ventilglied
4-mit -seiner dem Raum 11 zugewandten Seitenfläche durch die Druckdifferenz von
der entsprechenden Flanke der Ringnut 12 abgehoben. Da dieser Zustand bei einer
Bewegung des Teiles1 nach oben eintritt, wirkt die Reibung des Ventilgliedes 4 an
dem Teil 1 im gleichen Sinne wie die- Druck= differenz. Das Ventilglied 4 wird demnach
auf seiner mit den Ausnehmungen 10 versehenen Seitenfläche an der entsprechenden
Flaike der Ringnut 12 zur Anla-ge gebracht und das aus dem Raum. 11
verdrängte
Medium gelangt über die untere Seite, den Spalt zwi= schen dem Ventilglied 4 und
dem Grund der Ringnut 12 und über die Ausnehmungen 10 inden Raum 6. Das Ventilglied
4 wirkt dem= nach wie d-as Druckventil einer Kolbenpumpe. Das zweite Ventil= glied
5 wird, da es ebenfalls mit Spiel in der Ringnut 13 liegt, mit seiner dem Zwischenraum
7 zugewandten Seitenfläche, wie in Fig. 1 gezeigte an der entsprechenden Flanke
der Ringnut 13 zur Anlage gebracht, wenn der Druck im Raum 1-1 höher ist als im
Raum 7. Da dieser Zustand bei- einer Aufwärtsbewegung des Teiles 1 ein= tritt, wirkt
die Reibung des Ventilgliedes 5 an der Bohrung des Gehäuses 2 im gleichen Sinne
wie der Differenzdruck. Der Druck im Raum 11- der über die abgehobene obere Seitenfläche
des-Ventil= gliedes 5 in den Spalt zwischen dem Grund der Ringnut 13 und dem Innendurchmesser
des Ventilglieds 5 gelangt und dort auf dieses wirkt, preßt das Ventilglied 5 dichtend
an die Bohrung des Gehäu= ses 2 Ist der Druck im Raum 7 höher als im Raum 11+ so
wird das Ventilglied 5 mit seiner unteren Seitenfläche von der entsprechen= den
Flanke der Ringnut 13 abgehoben. Da dieser Zustand bei einer Bewegung des Teiles
1 nach unten eintritt, wirkt die Reibung des Ventilgliedes 5 an der Bohrung des
Gehäuses 2 im gleichen Sinne wie die Druckdifferenz. Das Ventilglied 5 wird demnach
auf der -mit den Ausnehmungen versehenen Seitenfläche an der entsprechen= den flanke
der Ringnut 13 zur Anlage gebracht und das aus dem Raum 7 durch die Abwärtsbewegung
des Teiles 1 angesaugte Medium gelangt über die abgehobene Seite, den Spalt zwischen
dem Innen= durchmesser des Ventilgliedes 5 und dem Grund der Ringnut 13 sowie über
die Ausnehmungen 10 in den-Raum 11. Das zweite Ventilglied 5 wirkt demnach wie das
Saugventil bzw. Wie der Kolbenring einer Kolbenpumpe. Auf diese Weise wird der Raum
7 laufend leer= gepumpt Damit der Druck im Raum 7 dabei nicht unter den Umgebungsluftdruck
sinkt, der die Balgdichtung 3 umstülpen könnte, kann durch die in Fig. 3 dargestellte,
im wesentlichen aus der Druckmeßeinrichtung 14 und dem Ventil 15 bestehende regelvorrich=
tung bewirkt werden daß Druckmedium ctils dem Raum - über das gerade geöffnete Ventilglied
4 und den Raum 1 1 zurück In den Raum 7 fließt. Hierzu öffnet die federbelastete
Membrane 16 das
Ventil 15 über das Gestänge 17, so daß die Verbindungsleitung
8 geöffnet wird. Auf diese Weise kann so lange Druckmedium aus den Räumen 6 und
11 in den Raum 7 fließen, bis dort der gewünschte, geringfügig über dem Umgebungsluftdruck
liegende Druck eingestellt ist. Ein bedeutender Fortschritt dieser Lösung gegenüber
den be= kannten Regelvorrichtungen von Druckflüsstgkeitsabstützungen von Rollbälgen
liegt darin, daß der Druck im Raum 7 von den Druck= schwankungen im -Raum 6 praktisch
unberührt bleibt, weil zwei Gleit dichtungen dazwischen geschaltet sind, so daß
die Regelung von dynamischen Einflüssen nicht gestört wird. Ein weiterer Fortschritt
gegenüber den bekannten Druckflüssigkeitsabstützungen besteht darin, daß der Rollbalg
3 nur von gasförmigen Medien umgeben ist, die selbst bei schnellen Bewegungen des
Rollbalges keine nennens= werten Beschleunigungskräfte ergeben, die dem Rollbalg
gefährlich werden könnten. Aus Fig. 2 rechts ist das Verhalten des Rollbalgs 3 im
Stillstand erkennbar. Die linke Seite von Fig.i2 zeigt den Zustand-wahrend des Betriebes,
wenn der Druck im Raum 7 etwas über dem Umgebungsluftdruck eingestellt ist, so daß
der an dem FTeil- 1 und an dem Gehäuse 2 an den Stell-en 19 und 20 befestigte Rollbalg
3 frei abrollen kann, wobei der Umlenkbogen 21 nahezu während des gesamten Hubes
des Teiles 1 von der Stützwand 8 abgehoben ist.
-
Die rechte Seite von Fig. 2 zeigt den Zustand, der eintritt, wenn
-der Druck im-Raum 7 infolge von Leckage über die im Stillstand nicht mehr pumpenden
Ventilglieder 4 und 5 auf den im Raum 6 herr= schenden Wert angestiegen ist. Der
Rollbalg 3 wird dann gedehnt und gegen die Stützwand 8 gepreßtes wobei der elastische
Lippenring 22, wie im rechten Teil von Fig. -2 gezeigt, deformiert wird und den
Spalt 23 zwischen dem Teil 1 und dem Gehäuse 2 schließt. Da= durch wird verhindert,
daß'der Rollbalg 3 in den Spalt 23 ge= quetscht wird, was zu seiner Beschädigung
beim Wiederingangkommen der Bewegung von Teil 1 führen würde. Bei der Ausführung
gemäß Fig. 4 folgt ein bewegliches Stützglied 24 den Bewegungen , die der Umlenkbogen
21 des Rollbalge 3-im im entlasteten Zustand ausführt, wobei eine der Form des Umlenkbogens
angepaßte Partie 25 in jeder Stellung des Teiles 1 eine Abstützung bewirken kann.
Die Kanten
26 und 27 können ebenso wie der Lippenring 22 derart
elastisch ausgebildet sein, daß sie verhindern, daß der Rollbalg 3 in die Spalten
zwischen den Teilen 1, -24 und 2 gequetscht wird. Die Stütz= fläche 25 kann mit
Öl oder Fett geschmiert werden, damit der Um= lenkbogen 21 möglichst leicht darauf
läuft und damit die elasti= schen Kanten 26 und 27 möglichst reibungsfrei auf den
Gegenflächen an den Teilen 1 und 2 gleiten. Auch bei den Ausführungsarten nach Fig.
1, 2 und 3 kann die Außenseite des Rollbalgs 3 zum gleichen Zweck geschmiert werden.
Der Antrieb des beweglichen Stützgliedes 24 ist aus Fig. 5 erkennbar. Er besteht
im wesentlichen aus den beiden einarmigen: Hebeln 28, deren eines Ende 29 um den
Festpunkt 30 am Gehäuse 2 drehbar ist und deren anderes Ende 31 über den Anlenkbolzen
32 und die Stange 33 mit dem Kolben 34 eines nicht dargestellten Heißgasmotors verbunden
ist, der in nicht sichtbarer Weise an dem Teil 1 befestigt ist. Das bewegliche Stützglied
24 ist über die Bolzen 35 etwa in der Mitte der Hebel 28 angelenkt so daß es etwa
den halben Hub des Teiles 1 ausführt, was der Bewegung des Umlenkbogens 21 im entlasteten
Zustand entspricht. Der Roll= balg 3 wird demnach während der'Übergangsperiode'
des Auspumpens des Raumes 7 in seinem gesamten Bewegungsbereich abgestützt und kann
daher unter keinen Umständen überdehnt werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung des dargestellten Roll=
balges beschränkt. Auch die Verwendung von-Faltenbälgen ist denk bar, sofern es
gelingt, diese genügend druckfest und gleichzeitig so formänderungsfähig zu machen,
daß sie in der Lage sind die auf tretende Walkarbeit im Dauerbetrieb zu ertragen.
Das kann bei einem Faltenbalg aus einem elastomerischen Werkstoff z.B. Gummi z.B.
durch Ausbildung der Falten in Form eines fortlaufenden Ge= windes geschehen, in
dem eine Schraubenfeder liegt, die den: Falten balg von außen abstützt. In diesem
Fall wird die bewegliche Ab= stützung durchzd;ie Schraubenfeder gebildet.