DE2262968A1 - Kolbendichtung - Google Patents

Description

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The Home Engineering Company Limited, P.O. Box 7» Rankine Street, Johnstone, Renfrewshire, Schottland,

Großbritannien

Kolbendichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbendichtung für ein KoIben-Zylinder-Aggregat und insbesondere eine Kolbendichtung in einem ferngesteuerten Thermostatventil.

In einem bekannten ferngesteuerten Thermostatventil wird der Durchfluß des Heizmediums durch das Hauptsteuerventil durch eine Schließscheibe im Inneren des HauptSteuerventils gesteuert, und dieses Hauptventil wird durch ein entfernt angeordnetes thermostatisches Steuerventil betätigt, ^das die Temperatur des in seinem Durchfluß gesteuerten Mediums abfühlt. Die Schließscheibe wird dabei mittels eines Kolben-Zylinder-Aggregates verstellt, das benachbart dem,Hauptsteuerventil-Gehäuse angeordnet ist, wobei die Enden des Zylinders des Aggregates in kommunizierender Verbindung mit dem entfernt angeordneten Steuerventil stehen, so daß der Kolben des Aggregates in entsprechender Weise positioniert werden kann. Der Kolben wird in eine Ventilschließstellung mittels des unter Druck stehenden Mediums in einem, und zwar im inneren Ende des Zylinders bewegt. Wird das Druckmedium von dem entfernt angeordneten" Steuerventil zu dem ande-

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ren (äußeren) Zylinderende geleitet, werden die Drücke in den Zylinderenden ausgeglichen, so daß sich der Kolben demzufolge im Sinne der Öffnung des Ventiles bewegen kann. Befindet sich der Kolben in der Ventilschließstellung, ist es wichtig, daß dort keine Leckverluste an Druckmedium vom inneren Zylinderende zum äußeren Zylinderende vorkommen, da· sonst eine unerwartete und unerwünschte Öffnung des Ventiles geschehen kann. Es ist demzufolge eine Reibdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand erforderlich. Auf der anderen Seite wäre es für ein schnelles Ansprechen des Ventiles sehr wichtig, daß die nach innen gerichtete Öffnungsbewegung des Kolbens nicht übermäßig durch eine zu starke Reibung zwischen der Kolbendichtung und der Zylinderwand behindert würde.

Es ist bekannt, als Kolbendichtung bei derartigen Kolben-Zylinder-Aggregaten elastisch federnde O-Ringe zu verwenden. Diese O-Ringe haben Jedoch den Nachteil, daß sie eine beträchtliche Reibung bei der Kolbenbewegung hervorrufen. Es sind ferner Kolbendichtungsringe bekannt, die einen U-förmigen Querschnitt haben, wobei der halbe Spitzenwinkel der Dichtlippe im Bereich von 30° bis 5° liegt. Diese Dichtungen bestehen aus verstärktem Gummi oder verstärktem Kunststoff, so daß sie in einem größeren Maße nicht deformiert werden können. Das Haupteinsatzgebiet dieser U-Dichtungen liegt auf dem ö!hydraulischen Gebiet, d.h. bei niedrigen Kolbengeschwindigkeiten und sehr hohen Drücken, wo eine gute Abdichtung der Hauptzweck ist und der Reibwiderstand nur von untergeordneter Bedeutung ist. Derartige U-Dichtungen sind daher für die Verwendung bei der vorstehend beschriebenen- ferngesteuerten thermostatischen Ventilanlage nicht geeignet, da eine ganz beträchtliche Reibung zwischen der Dichtung und der Zylinderwandung bei der Kolbenbewegung auftreten würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbendichtung zu schaffen, die nicht nur eine einwandfreie

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Abdichtung, insbesondere in einer bezüglich der Abdichtung. wesentlichen Stellung, wie beispielsweise der Ventilschließstellung, gewährleistet, sondern die darüber hinaus auch eine leichtgängige Kolbenbewegung und damit ein rasches Ansprechen der Steuerung bzw. des Ventilyerschlusses gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Losung besteht darin, daß bei einer Kolbendichtung für ein Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem Ring zur Anordnung in einer der geeigneten Wandungen des Kolbenmantels oder auch in der Zylinderinnenwand und ferner mit mindestens einer am Umfang angeordneten Dichtlippe diese Lippe eine Wandungsflache hat, die in der Größenordnung von 55 his 85° zur Achse des Ringes geneigt ist, wobei die Lippe so ausgestaltet ist, daß sie durch die Kraft des Druckmediums auf die geneigte Wandungsfläche im Falle eines Druckdifferentiales auf den beiden Kolbenseiten deformierbar ist, derart, daß die Lippe in eine Dichtlage gegen die entsprechenden Gegenwandungen gedrückt ist.

Der wesentliche-Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, daß im Betrieb des Zylinder-Kolben-Aggregates dann, wenn das Druckdifferential zu beiden Seiten des Kolbens reduziert wird und sich ggf.' ausgleicht, die Lippe aus der an die entsprechende Gegenwandung angepreßten Lage zurückweicht und somit eine Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder durch eine deutlich herabgesetzte Reibung wesentlich erleichtert ist.

Vorzugsweise'sind zwei sich radial von dem Ringkörper erstreckende Lippen vorgesehen. Die geneigte Wandungsfläche hat vorzugsweise eine kegelstumpfförmige Form.

Vorzugsweise besteht die Dichtung aus Po iyte traf luoräthyl en.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein ferngesteuertes thermostatisches Ventil im Querschnitt,

Fig. 2 eine in dem Ventil nach Fig. 1 verwendete Kolben- ^! dichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt,

Fig. 3 eine TeilSchnittdarstellung der Kolbendichtung nach Fig. 2 in vergrößertem Maßstab.

Die in Fig. 1 dargestellte ferngesteuerte thermostatische Ventilanordnung beinhaltet ein Hauptventil 1 mit einem Hauptventilgehäuse 2, das Einlaß- und Auslaßleitungen 3 und 4· sowie eine Durchgangsöffnung 5 hat. Ferner ist eine Ventilschließscheibe 6 vorgesehen, die in Eingriff mit einem Ventilsitz 7 gebracht werden kann, der die Durchgangsöffnung 5 umgibt. Das Hauptventil 1 dient zur Steuerung der Strömung von heißem Dampf zu den Heizspiralen eines Wärmeaustauschers (nicht dargestellt).

Die Bewegung der Schließscheibe 6 wird durch den Kolben 9 eines Kolben-Zylinder-Aggregates 8 gesteuert, das mit einem Halsabschnitt 10 in das Hauptventilgehäuse 2 eingeschraubt ist. Eine Spindel 11 erstreckt sich durch eine Bohrung 12 in dem Halsabschnitt 10 und sie verbindet die Schließscheibe 6 mit dem Kolben 9· Die Anordnung ist so getroffen, daß unter hohem Druck stehender Dampf, der in das Hauptgehäuseventil 2 einströmt, durch die Bohrung 12 des HalsStückes 10 zum inneren Ende 13a des Zylinders 13 strömen kann, um den Kolben 9 in eine Ventilschließstellung zu drücken. Das innere Ende 13a und das äußere Ende 13b des Zylinders 13 zu beiden Seiten des

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Kolbens 9 sind durch Leitungen 15 und 16 mit einem thermo statischen Steuerventil 14- verbunden.

Das nachfolgend naher beschriebene Steuerventil 14· regelt den Druck in dem äußeren Ende IJb des Zylinders zur Steuerung der Stellung des Kolbens 9 in dem Zylinder 13· Es ist dabei entscheidend wichtig, daß das unter hohem Druck stehende innere Ende 13a des Zylinders in der Ventil schließ st ellung des Kolbens 9i-gegenüber dem unter niedrigem Druck stehenden äußeren Ende 13b- des Zylinders abgedichtet ist, um eine uner-, wartete und ungewünschte öffnung des Hauptventiles 2 zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist ein Dichtring 17 spezieller Ausgestaltung vorgesehen. Der Dichtring 17 (s. Pig. 2 und 3)» beinhaltet einen ringförmigen Nabenkörper 18 für die Unterbringung in einer Ausnehmung am Umfang des Kolbens 9 sowie zwei sich von dem Nabenkörper 18 im wesentlichen radial nach außen erstreckende Lippen 19» die jeweils über ihre Erstrekkung nach außen die gleiche Dicke haben, sowie Wandungsflächen 20 und 21 von kegelstumpfförmiger Form haben, wobei der Außenumfang der Lippen 19 für eine wirksame Anlage an der Innenwand des Zylinders 13 bogenförmig ausgestaltet ist. Die Dichtung 17 ist so ausgelegt, daß die Scheitelspitze der kegelstumpfförmigen Wandungsflächen 20 und 21 auf das mit niedrigerem Druck beaufschlagte Ende 13b des Zylinders 13 gerichtet ist. Ferner sind die Wandungsflächen 20 und 21 in einem Winkel von 80° zur Nabenachse angeordnet, d.h. der Scheitelwinkel oC beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 80°. Es kann hier aber ein halber Scheitelwinkelbereich von 55 bis 85° benutzt werden. Auf diese Weise ist eine kranzförmige Wandungsfläche 20 geschaffen, die dem mit hohem Druck beaufschlagten Ende 13a des Zylinders gegenüberliegt und ihm gegenüber geneigt ist. Der Dichtring besteht aus elastisch federndem Material, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, und ist so ausgestaltet, daß bei einer Druckdifferenz zwischen den Enden 13a und 13b des Zylinders 13 die Lippe 19 durch den

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Mediumdruck in dem Zylinderende 13a in Richtung auf eine genau radiale Lage deformiert wird, wobei sie an die Zylinderinnenwandung angedrückt wird und damit die Dichtwirkung der Lippe gegenüber der Innenwandung des Zylinders 13 beträchtlich und in dem gewünschten Ausmaß gesteigert wird.

Wächst jedoch infolge entsprechender Steuerung der Druck in dem in der Ventilschließstellung unter niedrigem Druck stehenden äußeren Ende 13b des Zylinders auf die Größe des Druckes im inneren Ende 13a des Zylinders an, weicht die Lippe 19 von der Zylinderinnenwandung zurück, so daß die Reibung wesentlich reduziert ist und damit eine leichtgängige Bewegung des Kolbens 9 in dem Zylinder 13 ermöglicht ist, wodurch ein schnelles Ansprechen des Ventiles erreicht wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die äußere bzw. untere Lippe der beiden Lippen 19 als Hilfsdichtung für den Fall, daß die innere bzw. obere Lippe einmal versagen sollte. Es versteht sich, daß der Sicherheitsfaktor durch Verwendung von mehr als zwei Lippen gesteigert werden kann. Um die erforderliche Flexibilität der Lippe 19 zu gewährleisten, hat sie in radialer Richtung gesehen eine Länge, die beträchtlich größer ist als ihre Dicke. Beispielsweise könnte die radiale Länge der Lippe zumindest das Zweifache ihrer Dicke betragen. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 beträgt die radiale Länge etwa das Dreifache der Lippendicke. Ferner sind die Enden 23 der Innenbohrung des Nabenkörpers 18 abgeschrägt, um ein besseres Einpassen der Dichtung 17 in. den Außenumfang des Kolbens 9 zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße Dichtung stellt somit eine Dichtung mit geringer Reibung bei mittleren Drücken in jedem beliebigen Medium dar, was durch einen halben Scheitelwinkel -χ in dem Größenbereich von 55 bis 85° erreicht.

Das thermostatische Steuerventil 14 (Fig. 1) wird von einem thermostatischen Element 24 betätigt. Das Steuerventil 14

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kann an dem Wärmeaustauscher befestigt, werden oder einer der leitungen des Wärmeaustauschers.zugeordnet werden, so daß das Element 24 auf die Temperatur des erhitzten Hediums anspricht. Das Element 24-trägt einen zylindrischen Ventilkopf 25 mit einer Öffnung 26, die bei entsprechender Bewegung des Kopfes 25 in kommunizierende Verbindung mit der leitung 16 gebracht wird.

Das Steuerventil 14 weist ferner eine einstellbare Stange 27 zur Einstellung der Temperatur des Heizmediums auf. Die leitungen 15 und 16 sind mit dem Steuerventil 14 derart verbunden, daß bei vorbestimmter Stellung der erhitzte Dampf durch die Öffnung 26 strömen kann. Der Kolben 9 weist an seinem unteren Ende eine kleine Ablaßöffnung 28 auf, die zum äußeren Ende 13b des Zylinders weist und die mit der Auslaßzone des Ventilkörpers durch eine Bohrung 28 in Verbindung steht, die sich durch die Spinel 11 erstreckt. Die Ablaßöffnung 28 ist im Durchmesser kleiner als die Öffnung 26 in dem Steuerventil 14, so daß ein Druckaufbau in dem Ende 13b des Zylinders möglich ist.

Beim Betrieb des ferngesteuerten Hauptventiles 1, mit der Sehließscheibe- 6 in Schließstellung, tritt der Dampf, der in das Hauptventilgehäuse 2 eintritt, in das innere Ende 13a des Zylinders, wodurch das Ventil in Schließstellung gehalten wird. Der Dampf deformiert dabei die innere lippe 19 derart, daß sie in dichtenden Eingriff gegen die Zylinderinnenwand gedrückt wird. Der Dampf strömt auch durch die leitung 15 zu dem Steuerventil 14, von wo er durch die Öffnung 26 des Steuerventiles zu dem äußeren Ende 13b des Zylinders strömt und von dort gelangt er auf die Ablaßseite des Hauptventiles durch die kleine Ablaßöffnung 28.. Demzufolge baut sich ein Druck in dem äußeren Zylinder ende 13b auf und die Schließscheibe 6 bewegt sich in die Offenstellung und erlaubt somit den Durchtritt des Heizdampfes zu den Heizspiralen. Im Gleieh- ^ev/ichtszustand ist der Druck im äußeren Zylinderende fast

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gleich dem im inneren Zylinderende, und die Schließscheibe öffnet sich durch die Einwirkung der Kraft des einströmenden Dampfes auf die Schließscheibe 6 selbst. Gleichzeitig weicht dank der Reduktion des Druckdifferentials zu beiden Seiten des Kolbens 9 die Lippe 19 bzw. die Lippen 19 von der Zylinderinnenwand zurück, so daß während der nach innen gerichteten Bewegung des Kolbens, die Reibung beträchtlich herabgesetzt ist.

Mit Anwachsen der Temperatur der Heizflüssigkeit im Wärmeaustauscher bewegt das fenno statische Element 24 das Steuerventil 14 in Richtung auf die Schließstellung, und der Zustrom von heißem Dampf zum Außenende 13h des Zylinders wird reduziert, was bewirkt, daß sich die Schließscheibe 6 auf den Ventilsitz 7 zu bewegt und auch der Zustrom von Heißdampf zu dem Wärmeaustauscher reduziert wird. In der Ventilschließstellung wird der Zustrom von Dampf von dem mit hohem Druck beaufschlagten inneren Ende 13a zu dem dann mit niedrigem Druck beaufschlagten äußeren Ende 13t> des Zylinders durch den Dichtring 17 verhindert. Das Ausmaß der zu erreichenden Dichtwirkung des Ringes 17 kann modifiziert werden, indem man die Dimensionierung der Dichtung ändert, insbesondere bezüglich der Länge der Lippen, der Anzahl der lappen, der Dicke der Lippen, des halben Scheitelwinkels o^ der Lippen sowie der Form der Außenkante der Lippen. Beim Einbau in den Zylinder 13 soll zweckmaßxgerweise die Lippe 19 der Dichtung leicht an der Zylinderwandung anliegen, und der Dichteffekt wird wesentlich mehr erreicht durch den Mediumdruck im inneren Ende 13a des Zylinders als durch die elastische Federung der Lippe. Dies steht im klaren Gegensatz zu den bekannten U-Dientungen, bei denen die Dichtung nur durch die federnde Andrückung der Dichtungslippe erreicht wird.

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Während im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Lippen an dem Nabenkörper der Dichtung vorgesehen sind, versteht es sich, daß es auch möglich wäre, nur eine Lippe zu verwenden. Es können aber auch mehr als zwei Lippen an dem Nabenkörper angebracht werden, um einen größeren Sicherheitsfaktor und demzufolge eine längere Lebensdauer für die Dichtung zu erreichen. Der Druckbereich, für den die Dichtung einsetzbar ist, kann durch Anwachsen der Anzahl der Lippen ausgedehnt werden, ohne daß man den Vorteil eines geringen Reibwiderstandes verliert, da in Fällen geringer Geschwindigkeit der Reibwiderstand praktisch unabhängig vom Kontaktbereich ist. Anstatt die Dichtung in dem Kolben anzuordnen, ist es auch möglich, eine Dichtung gemäß der Erfindung in der Innenwand des Zylinders anzuordnen, so daß die Lippe bzw. die Lippen der Dichtung dann an der Mantelwand des Kolbens anliegen. In ihrer Ausgestaltung als Innendichtung ist die erfindungsgemäße Dichtung insbesondere als Drehdichtung geeignet, da jegliche erzeugte Reibungswärme darauf abzielt, den Zwischenflächen-Druck abfallen zu lassen, so daß ein Selbstkompensations-Effekt erreicht wird.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   ' 1fy Kolbendichtung für ein Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem ^-^ Ringkörper für die Anbringung in einer geeigneten Wandung des Kolbenumfanges oder aber in der Zylinderinnenwandung, mit mindestens einer federnden am Umfang des Ringkörpers vorgesehenen Lippe, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe (19) eine Wandungsfläche (20) hat, die im Bereich von 55° his 85° zur Achse des Ringkörpers (17) geneigt ist, wobei die Lippe (19) derart ausgestaltet ist, daß sie durch die Kraft eines Druckmediums auf die geneigte Wandungsfläche (20) im Falle eines Druckdifferentiales zu beiden Seiten des Kolbens (9) deformierbar ist, derart, daß die Lippe (19) in dichtende Anlage an die entsprechende Gegenwandung gepreßt ist.
2. 2. Kolbendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) in der Mantelwand des Zylinders (13) angeordnet ist.
3. 3. Kolbendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Lippen (19) vorgesehen ist.
4. 4. Kolbendichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lippen (19) vorgesehen sind.
5. 5- Kolbendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungsfläche (20) in einem Bereich von 75° bis 85° zur Achse des Ringkörpers (17) geneigt ist.
6. 6. Kolbendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippe über Ihre radiale Erstreckung eine gleichmäßige Dicke hat.

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7. 7. Kolbendichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge der Lippe (19) mehr als das Zweifache der Lippendicke beträgt.
8. 8. Kolbendichtung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge der Lippe (19) ca. das Dreifache der Lippendicke beträgt.

   9- Kolbendichtung nach einem oder mehreren der irorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Polytetrafluoräthylen besteht.

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