DE2458529A1

DE2458529A1 - Dichtungsanordnung mit schwenkbarer schleifdichtung

Info

Publication number: DE2458529A1
Application number: DE19742458529
Authority: DE
Inventors: Isiah Sherman Gauley; Henry Annis Traub
Original assignee: W S SHAMBAN AND Co
Current assignee: W S SHAMBAN AND Co
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1975-07-10
Also published as: US3909016A; JPS5533508B2; FR2256353A1; GB1496668A; FR2256353B1; AU7535474A; ES433338A1; IT1027626B; JPS5096748A

Description

PATENTANWÄLTE 89 iwgsburo ?2 den Io.12.1974

_,.__.». Rilkestraße 10

dr. ing. E. LIEBAU

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DIPL. ING. K3. Ll fc. D/\U (Bei Rückantwort bitte angeben)

Ihr Zeichen

W. S-, Shamban & Co.

11543 West Olympic Boulevard

West Los Angeles, California / USA

Dichtungsanordnung mit schwenkbarer Schleifdichtung

In vielen Anwendungsfällen dürfen Dichtungsanordnungen keine Leckage haben, Beispielsweise kann eine völlige Leckfreiheit bzw, Null-Leckage für Systeme erforderlich sein, bei denen kein Nachfüllfluid zur Verfügung steht.

Eine Null-Leckage ist in allen Fällen schwierig zu erzielen und noch schwieriger, wenn die Dichtungsanordnung wechselweise hohen und niedrigen FluiddrÜcken ausgesetzt

2 wird, Beispielsweise können Drücke unter 10,50 kp/cm

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Telefon (0821) 93077 . Telegr.-Adr.: ELPATENT — Augsburg Postscheckkonto München 86510-809 Deuhch· Bank AG Augsburg Kto.-Nr. 08/34

(ISO ρsi) als niedriger Druck betrachtet werden. Der Grund für die Schwierigkeiten besteht darin, daß eine Dichtung, die bei hohem Druck gute Dichtungseigenschaften hat, bei niedrigen Drücken nicht zufriedenstellend arbeitet und umgekehrt.

Eine dynamische Dichtungsanordnung, d,h, eine durch den Fluiddruck belastete Dichtungsanordnung, ergibt eine gute Hochdruckdichtung, Eine dynamische Dichtungsanordnung kann durch eine Schleifdichtung und ein elastisches Element, beispielsweise eine elastische Dichtung, gebildet werden. Die elastische Dichtung wird zusammengedrückt, um die Schieifdichtung gegen die abzudichtende Oberfläche zu belasten, Ausserdem wird die elastische Dichtung dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt, gegen welches die Dichtung arbeitet. Durch das unter Druck stehende Fluid wird die elastische Dichtung ferner druckbelastet, was eine noch höhere Belastung der Schleifdichtung gegen die abzudichtende Fläche zur Folge hat. Es wird daher, wenn der Fluiddruck zunimmt, die Schleifdichtung immer stärker gegen die abzudichtende Fläche belastet, aus welchem Grunde eine dynamische Dichtungsanordnung ausgezeichnete Hochdruckdichtung seigenschaften hat.

Leider kann eine gewisse Leckage bei einem verhältnismässig niedrigen Druck auftreten, da die dynamische Belastung der elastischen Dichtung dann am geringsten ist. Zur Lösung des Niederdruck-Leckproblems kann eine verhältnismässig schmale Rippe an der Schleifdichtung geformt werden. Die Rippe liegt gegen die abzudichtende Oberfläche an und da die Rippe schmal ist» ist die spezifische Belastung relativ hc-ch, Durch diese Bauform wird anfänglich der Dichtungswirkungsgrad bei niedrigem Druck verbessert, jedoch nimmt der Dichtungswirkungsgrad bei niedrigen Drücken im Gebrauch der

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Dichtungsanordnung fortschreitend ab.

Die Erfindung beruht zum Teil auf der Kenntnis einiger der Faktoren, die zur Folge haben, daß eine Dichtungsanordnung dieser Art ihren Dichtungswirkungsgrad bei niedrigen Drücken nach einer Betriebsperiode verlieren. Im besonderen besteht bei einer Schleifdichtung, die mit einer Rippe für günstige Niederdruck-Dichtungseigenschaften geformt ist, die Gefahr des Kaltfliessens bei hohen Fluiddrücken als Folge ihrer dynamischen Belastung. Unter hohen Fluiddrücken werden die Rippe und die benachbarten Teile der Schleifdichtung stark verformt. Wenn der hohe Druck abnimmt, kann die Erholung der Schleifdichtung geringer als vollständig sein, d,h,, ein gewisser Teil der Verformung ist bleibend. Dies hat eine Zunahme des Querschnitts zwischen der Schleifdichtung und der abzudichtenden' Fläche zur Folge, wodurch die spezifische Belastung herabgesetzt wird und ein Verlust an Dichtungswirkungsgrad die Folge ist, Ausserdem kann der Fall eintreten, daß die elastische Dichtung nicht mehr- in die bevorzugte Lage zurückkehrt, wenn wieder Niederdruckbedxngungen eintreten.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Schaffung einer Schleifbzw, Gleitdichtung mit einer Dichtungsrippe, die im Gebrauch nicht zerstört wird. Die Dichtungsrippe besteht bei hohem Druck nicht, während sie immer dann besteht, wenn die Dichtungsanordnung Niederdruckbedxngungen ausgesetzt wird, Das Entstehen und Eliminieren der Dichtungsrippe, wenn sich die Druckbedingungen verändern, führt jedoch nicht zu einer bleibenden Zerstörung der Dichtungsrippe, Mit anderen Worten, das Entstehen und Eliminieren der Dichtungsrippe entsprechend den Druckbedingungen geht in natürlicher Weise vor sich, und ohne daß zerstörende Kräfte an der Schleifdichtung wirksam werden,

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Die Dichtungsrippe kann dadurch gebildet werden, daß eine Ecke der Schleifdichtung in die Dichtungsrippe umgewandelt wird. Die Dichtungsrippe hat einen verhältnismässig schmalen Berührungsbereich mit der abzudichtenden Fläche, so daß die spezifische Belastung der Dichtungsrippe gegen die abzudichtende Fläche verhältnismässig hoch sein kann.

Diese vorteilhaften Ergebnisse lassen sich durch die Schaffung einer Schleif- bzw. Gleitdichtung erzielen, die eine erste Umfangsflache aufweist, welche ihrerseits einen ersten und einen zweiten Abschnitt besitzt, welche Abschnitte eine Ecke bilden. Die Ecke umgibt die abzudichtende Fläche. Die Schleif- bzw, Gleitdichtung ist im wesentlichen um diese Ecke zwischen einer Hochdruckstellung, in welcher der erste Abschnitt der Umfangsf lache an der abzudichtenden F3ä:he zumindest über einen Teil seiner Länge zur Anlage gebracht werden kann, und einer Niederdruckstellung schwenkbar, in welcher der erste Abschnitt an der abzudichtenden Fläche längs eines geringeren Teils der Länge des ersten Abschnitts zur Anlage gebracht werden kann. Diese Schwenkwirkung der Schleifdichtung wandelt die Ecke in eine verhältnismässig schmale Dichtungsrippe um, die an der abzudichtenden Fläche dichtend zur Anlage gebracht werden kann.

Der erste Abschnitt der ersten Umfangsfläche erstreckt sich vorzugsweise mit einer im wesentlichen geraden Linie, gesehen im axialen Querschnitt im spannungsfreien Zustand der Schleifdichtung, Der erste Abschnitt kann an der abzudichtenden Jllche über die volle Länge des ersten Abschnitts in der Hochdruckstellung zur Anlage gebracht werden. Die Schleifdichtung weist auf derjenigen Seite der Ecke eine Endfläche auf, die der Richtung entgegengesetzt ist, in welcher der Fluiddruck auf die Dichtungsanordnung wirksam wird. Der erste Abschnitt ist der einzige Teil der ersten Umfangsfläche

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zwischen der Ecke und der Endfläche, der an der abzudichtenden Fläche in der Hochdruckstellung anliegt. Daher entstehen, wenn die Schleifdichtung in ihre Hochdruckstellung verschwenkt wird, keine Hinterschneidungen oder Hohlräume in der ersten Umfangsfläche, die ein Kaltfließen der Schleifdichtung ermöglichen, so daß keine Gefahr besteht, daß die Rippe in der Hochdruckstellung zerstört wird. Mit anderen Worten, der erste Abschnitt der ersten Umfangsfläche paßt sich in natürlicher Weise der abzudichtenden Fläche allein schon daraufhin an, daß er in die Hochdruckstellung bewegt wird. Wenn der erste Abschnitt der ersten Umfangsfläche eingekerbt oder in anderer Weise uneben wäre, könnte er sich der abzudichtenden relativ glatten Fläche nicht anpassen, ohne daß eine wesentliche radiale Verformung eintritt.

Vorzugsweise überschneiden sich der erste und der zweite Abschnitt zur Bildung einer verhältnismässig scharfen Ecke. Eine scharfe Ecke dient als Wischer und ergibt ausserdem eine scharfe Dichtungsrippe unter Niederdruckbedingungen,

Obwohl sich der erste Abschnitt etwas radial erstrecken kann, erstreckt er sich vorzugsweise in einer im wesentlichen axialen Richtung. Wenn die radiale Komponente zum ersten Abschnitt zunimmt, nimmt die Wahrscheinlichkeit, daß die Schleifdichtung unter hohem Druck eine bleibende Verformung erfährt, zu. Um eine scharfe Ecke für Wischzwecke sicherzustellen, bildet der zweite Abschnitt vorzugsweise einen Winkel von mindestens 90° mit der Achse der Dichtungsanordnung, welcher Winkel im wesentlichen in der Richtung offen ist, aus welcher der Fluiddruck auf die Dichtungsanordnung wirksam wird. Der erste und der zweite Abschnitt bilden an der Ecke einen eingeschlossenen Winkel, der nicht grosser als etwa 90° ist.

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Die Erfindung liefert auch die Antriebskraft zum Verschwenken der Schleifdichtung unter Niederdruckbedingungen. Obwohl eine gesonderte Schwenkeinrichtung vorgesehen werden kann, wird erfindungsgemäß das elastische Element dazu ausgenutzt, die Kraft'zum Verschwenken der Schleifdichtung zu erzeugen.

Bei einer typischen bekannten Bauform wird das elastische Element radial zwischen der Schleifdichtung und der einen Wand der Dichtungsnut radial gequetscht. Als Folge dieses radialen Quetschens wirkt eine resultierende statische Kraft gegen die Schleifdichtung, um die Dichtungsrippe gegen die abzudichtende Fläche zu belasten. Bei bekannten Bauformen wirkt diese resultierende statische Kraft direkt über die Dichtungsrippe, Dies gewährleistet, daß die maximale Kraft, die infolge der Druckbelastung des elastischen Elements entsteht, auf die Dichtungsrippe wirkt. Die Erfindung weicht von der herkömmlichen Praxis in der Weise' ab,* daß die resultierende statische Kraft nicht durch die Dichtungsrippe hindurchtritt. Dies ermöglicht, daß das elastische Element über die resultierende statische Kraft ein Drehmoment an der Sohleifdichtung um die Ecke herum erzeugt, um die Schleifdichtung zu verschwenken und die Ecke in eine Dichtungsrippe umzuwandeln.

Die resultierende statische Kraft soll sich vorzugsweise in einer Richtung erstrecken, bei der die Möglichkeit einer Fluidkeilwirkung zwischen der Rippe und der abzudichtenden Fläche als Folge der Verschwenkung der Schleifdichtung ausgeschaltet ist. Das durch die resultierende statische Kraft erzeugte Drehmoment soll den Mindestbetrag haben, der zur Umwandlung der Ecke in die Dichtungsrippe unter Niederdruckbedingungen nötig ist,

Die Richtung, in welcher die resultierende statische Kraft

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wirkt, kann auf verschiedene Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann die Richtung der resultierenden statischen Kraft dadurch.verändert werden, daß die axiale Stellung der Dichtungsrippe mit Bezug auf die anderen Teile der Schleifdichtung verändert wird und/oder die Neigung der Fläche der Schleifdichtung verändert wird, an der das elastische Element anliegt.

Beim Verschwenken wird die Schleif- bzw, Gleitdichtung einer Verdrehungsverformung unterzogen. Die Schleifdichtung muß daher aus einem Material hergestellt sein, das in dieser Weise νerformt werden kann, Die Verdrehungsverformung der Schleifdichtung führt jedoch nicht zum Kaltfliessen oder zu einer bleibenden Verformung der Schleifdichtung.

Die Querschnittgestaltung der Schleifdichtung muß nicht nur die Ecke ergeben, sondern auch eine Abstützfläche für das elastische Element und das Verschwenken der Schleifdichtung ermöglichen. Um dies zu erreichen, kann die Schleifdichtung vorteilhaft eine Rippe und einen mit der Rippe aus einem Stück geformten Flansch aufweisen, der sich im wesentlichen axial zu dieser in der Richtung erstreckt, von welcher Druck auf die Dichtungsanordnung ausgeübt wird. Der Flansch bildet zumindest einen Teil der notwendigen AbStützfläche für das elastische Element, Der Flansch befindet sich ferner in einem radialen Abstand von der abzudichtenden Fläche, zumindest unter Hochdruckbedingungen, so daß der Flansch nicht als Anschlag dient, um eine Schwenkbewegung der Schleifdichtung von der Art zu verhindern, welche die Ecke in die Dichtungsrippe umwandelt.

Unter Hochdruck-Dichtungsbedingungen wird dieses Verhältnis zwischen der resultierenden statischen Kraft und der Ecke verlagert, wodurch der Dichtungswirkungsgrad der Dichtung

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unter Hochdruckbedingungen jedoch nicht beeinträchtigt wird.

Um sicherzustellen, daß die resultierende statische Kraft des elastischen Elements im richtigen axialen Verhältnis zur Ecke unter Niederdruckbedingungen steht, ist die Schleifdichtung mit einer zweiten Umfangsflache versehen, die in der axialen Querrichtung geneigt ist. Eine Funktion der Neigung der zweiten Umfangsflache besteht darin, daß sie das elastische Element zu dem einen Ende der Nut drängt oder belastet, in welcher sich die Dichtungsanordnung befindet, Daher kann die Stellung des elastischen Elements unter Niederdruckbedingungen genau vorausgesagt werden. Vorzugsweise ist die zweite Umfangsflache radial zur Rippe geneigt, da sie sich von dem freien Ende des Flansches axial zur Rippe erstreckt. Dies ist entgegengesetzt zur Richtung, in welcher man normalerweise erwartet, daß sich die Neigung erstreckt, da unter Hochdruckbedingungen der dynamische Druck das elastische Element axial in einen Bereich von fortschreitend radial zunehmenden Abmessungen drängt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise beschrieben und zwar zeigen:

Fig, 1 eine Teilansicht im Schnitt nach einer axialen Ebene, welche eine Form der erfindungsgemäßen Dichtung beim Bestehen eines relativ niedrigen Druckes darstellt;

Fig, 2 eine Teilansicht im Schnitt in vergrössertem Maßstab eines Teils der in Fig, I gezeigten Dichtung;

Fig, 3 eine Teilansicht im Schnitt ähnlich der Fig. 2, bei welcher die Dichtungsanordnung durch ein Fluid unter hohem Druck belastet ist;

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Fig, 4 eine Teilansicht im axialen Schnitt einer erfindungsgemäßen Schleif- bzw. Gleitdichtung.

In Fig, 1 ist eine Dichtung 11 dargestellt, die durch eine ringförmige Dichtungsanordnung 13, ein ausseres Glied 15 mit einer ringförmigen Dichtungsnut 17, in welcher sich die Dichtungsanordnung 13 befindet, und ein inneres Glied 19 gebildet wird. Fluid unter Druck wird der Dichtungsanordnung 13 in der Richtung des Pfeils P zugeführt. Das Fluid tritt durch einen ringförmigen Spielraum 20 hindurch und wirkt unmittelbar auf die Dichtungsanordnung 13, Hierbei ist zu erwähnen, daß die Glieder bzw. Elemente 15 und nur als Beispiel für eine Umgebung dargestellt sind, in welcher die Dichtungsanordnung 13 mit Vorteil verwendet werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Bauelemente 15 und 19 in geeigneter Weise zur relativen axialen und/oder Drehbewegung gelagert.

Obwohl das äussere Bauelement 15 mehrere unterschiedliche Formen haben kann, weist es bei der dargestellten Ausführungsform axial voneinander in Abstand befindliche und sich radial erstreckende Wände 21, 23 auf, die durch eine axiale Wand 25 miteinander verbunden sind, um eine Dichtungsnut 17 zu begrenzen. Die Dichtungsnut 17 umgibt das innere-Bauelement 19 vollständig. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Dichtungsnut 17 im axialen Schnitt eine im wesentlichen rechteckige Form, Das äussere Bauelement weist einen Kanal 27 auf, der sich durch dieses hindurch erstreckt und in welchem das innere Bauelement 19 angeordnet ist.

Das innere Bauelement 19 kann viele verschiedene Formen haben, hat jedoch bei der dargestellten Ausführungsform die Form einer zylindrischen Welle, Das innere Bauelement besitzt eine zylindrische Aussenflache 29,· die eine der

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abzudichtenden Flächen bildet.

Die Dichtungsanordnung 13 wird durch eine Schleif- bzw. GleJÜichtung 31 und ein ringförmiges elastisches Element gebildet, das bei der dargestellten Ausführungsform die Form eines O-Ringes 33 hat. Die Schleifdichtung 31 isoliert den O-Ring 33 gegen eine Gleitberührung mit der Fläche 29 und bildet mit dieser einen Gleitsitz. Die Schleifdichtung 31 kann aus einem der gewöhnlich für einen solchen Zweck verwendeten Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann ein geeigneter Kunststoff, wie ein Fluorplastikmaterial, verwendet werden« Polytetrafluoräthylen ist ein Beispiel eines Fluorplastxkmaterxals, das verwendet werden kann.

Die Ausbildung der Schleifdichtung 31 ergibt sich am besten aus Fig. 4, welche die Schleifdichtung in einem entspannten bzw, unbelasteten Zustand zeigt, Die Schleifdichtung 31 hat im wesentlichen eine ringförmige Gestalt und weist eine Rippe 35 auf, mit der ein Flansch 37 aus einem Stück besteht. Die Schleifdichtung 31 besitzt eine innere Umfangsflache 3 9 und eine äussere Umfangsf lache bzw. umgebende Fläche 4-1. Die innere Umfangsflache 3 9 besitzt einen ersten Abschnitt bzw, eine Umfangsdichtflache 4 3 und einen zweiten Abschnitt 45, welche Abschnitte beide an der Rippe 35 vorgesehen sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der erste Abschnitt 13 zylindrisch und zur Achse 46 (Fig. 1) der Dichtungsanordnung 13 gleichachsig. In ähnlicher Weise ist der zweite Abschnitt 4-5 ringförmig und sich radial erstreckend. Die Abschnitte 43 und 4-5 überschneiden sich, um eine Ecke 4 7 zu bilden, welche das innere Element 19 vollständig umgibt.

Der erste Abschnitt 43 braucht nicht zylindrisch zu sein, und der zweite Abschnitt 45 braucht sich nicht genau radial erstrecken, Jede Neigung des ersten Abschnitts 4 3 soll jedoch

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verhältnismässig gering sein. Eine Neigung von 10 am ersten Abschnitt 43 kann zulässig sein. Vorzugsweise soll der Winkel χ (Fig. 4), der durch den zweiten Abschnitt 45 und die Achse 46 der Dichtungsanordnung 13 begrenzt wird, im entspannten Zustand der Schleifdichtung 31 zumindest 90° betragen. Der Abschnitt 4'5 kann jedoch axial nach links geneigt sein, um den Winkel χ zu vergrössern. Bei Beachtung dieser Parameter ist die Ecke 47 verhältnismässig scharf, so daß sie als Wischer dienen kann.

Die innere Umfangsflache 3 9 hat einen dritten Abschnitt bzw. eine Umfangsflache 49, die kegelstumpfförmig ist und sich radial nach innen erstreckt, da sie sich axial vom freien Ende 51 des Flansches 3 7 axial zur Rippe 3 5 erstreckt. Obwohl es nicht wichtig ist, daß der dritte Abschnitt in dieser Weise gestaltet ist, ist· es wichtig, daß sich der dritte Abschnitt 49 in radialem Abstand von der Fläche 29 befindet, zumindest, wenn hohe Fluiddrücke auf die Dichtungsanordnung 13 (Fig. 3) wirksam sind.

Die äussere Umfangsflache 41 ist kegelstumpfförmig und ist radial nach innen geneigt, da sie sich von dem freien Ende 51 zur Rippe 35 erstreckt. Obwohl die Neigungen der Fläche 41 und des dritten Abschnitts 49 verschieden,sein.können, sind bei der dargestellten Ausführungsform diese Flächen, im axialen Schnitt gesehen, zueinander parallel. Dies erleichtert die Gestaltung der Schleifiichtung 31, da hierdurch erreicht wird, daß der Flansch 37 über seine volle Länge von gleichbleibender radialer Dicke ist. Die Schleif- bzw, Gleitdichtung 31 weist eine ringförmige Fläche bzw, Endfläche 53 auf, die sich radial erstreckt und das andere Ende der Schleifdichtung begrenzt. Obwohl die ringförmige Fläche 53 verschieden gestaltet sein kann, läßt sich die

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Ausbildung der Schleifdichtung dadurch vereinfachen, daß die in Fig, 4 gezeigte Form verwendet wird»

Der O-Ring 33 ist aus einem elastischen verformbaren Material, beispielsweise aus einem Elastomeren hergestellt. Obwohl der O-Ring 33 gezeigt ist, könen natürlich auch andere elastische Elemente anstelle des O-Ringes verwendet werden. Beispielsweise kann ein Ring aus elastomerem Material von nicht kreisförmigem Querschnitt vorgesehen werden,

Der Schleifring 31 und der O-Ring 33 können in der Dichtungsnut 17 in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Weise angeordnet werden, Bei einer solchen Anordnung wird der O-Ring 33 einer radialen Druckbelastung zwischen der axialen Wand 25 und der äusseren Umfangsflache 41.unterzogen. Dies hat zur Folge, daß der O-Ring 33 eine resultierende statische Kraft F nach innen gegen die Schleifdichtung 31 in einer Richtung senkrecht zur äusseren Umfangsfläche 41 ausübt. Die Kraft F wird allein durch die radiale Druckbelastung des O-Ringes 33 erzeugt und ist nicht das Ergebnis des Fluiddruckes, der auf die Dichtungsanordnung 13 wirkt. Die Neigung der äusseren Umfang sELäche 41 drängt den O-Ring axial nac h links und in Anlage an die sich radial erstreckende Wand 21,

Der O-Ring 33 hat einen Druckmittelpunkt 55 von mittiger Lage im O-Ring in der radialen Richtung, durch welchen die Kraft F₀ wirkt. Die Kraft F_ hat zwei wichtige Funk-

S S

tionen. Erstens belastet sie die Schleifdichtung 31 radial nach innen gegen die Fläche 29, um eine Niederdruckdichtung zu erhalten, Zweitens wird durch die Kraft F_ die Schleifdichtung 31 aus der in Fig. 4 gezeigten Stellung im Uhrzeigersinn in die in Fig, 2 dargestellte Niederdruckstellung

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verschwenkt. Dies hat z,ur Wirkung, daß die Ecke 47 in eine Dichtungsrippe 57 umgewandelt wird.

Die Kraft F., ist gewöhnlich um einen Abstand L_ von einer Bezugslinie 5 8 axial versetzt, die zur äusseren Umfangsfläche 41 senkrecht ist und durch die Dichtungsrippe 57 verläuft. Die mit dem Abstand L wirkende Kraft F_ hat

s s

das Bestreben, die Schleifdichtung 31 zu der in Fig.2 gezeigten Niederdruckstellung zu verschwenken. Die Schleifdichtung 31 erfährt eine TorsioHsverformung als Folge der Verschwenkung zu der in Fig. 2 gezeigten Niederdruckstellung, Der radiale Abstand zwischen dem Flansch 3 7 und der Fläche 29 ermöglicht diese Schwenkbewegung der Schleifdichtung 31» Der in Fig, 2 gezeigte Zustand der Dichtungsanordnung wird unter Niederdruckbedingungen und bei keinem Druck aufrechterhalten .

Wenn angenommen wird, daß etwas Fluid unter Druck in der Richtung des Pfeils P an der rechten Fläche der Dichtungsanordnung 13 wirkt, wird eine resultierende dynamische Kraft F erhalten, welche gegen die Schleifdichtung 31 nach innen in einer Richtung wirkt, die zur äusseren Umfangsflache 41 senkrecht ist, Die Kraft F wird allein durch'die dynamische Belastung der Dichtungsanordnung erzeugt und ist nicht das Ergebnis einer sistischen radialen Druckbelastung des O-Ringes 33. Die Kräfte F_ und F sind

s ρ

daher gegenseitig exkluxiv. Die Kraft F ist zur Bezugslinie 58 im wesentlichen axial um einen Abstand L versetzt. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Kräfte F_g und F entgegengesetzt gerichtete Drehmomente um die Dichtungsrippe 57 herum erzeugen, Unter Bedingungen relativ niedrigen

Druckes ist F_ χ L_ ausreichend größer als F_n χ L_n, um ss ρ - ρ

den Torsionswiderstand der Schleifdichtung 31 zur Verschwenkung der letzteren zu der in Fig. 2 gezeigten Niederdruck-

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Stellung zu überwinden.

Es ist wichtig, die Richtung zu steuern, in welcher die resultierenden Kräfte F und F wirken» Es kann eine oder

s ρ

mehrere verschiedener bekannter Wege beschritten werden, um die Richtung einer resultierenden Kraft zu verändern. Beispielsweise wirken die Kräfte F_ und F senkrecht zur

s ρ

Fläche 41, so daß eine Veränderung in der Neigung dieser Fläche eine Änderung in der Richtung der Kräfte F_ und F_ zur Folge hat. Zweitens können die Abstände L und L

P . ^s P

dadurch verändert werden, daß die Ecke 47 bewegt wird, d.h. der Schwenkpunkt bewegt wird. Drittens kann die Lage der Kraft F_s dadurch verändert werden, daß die Größe und/oder die Form des O-Ringes 33 verändert wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten besonderen Beispiel trennt die Bezugslinie 60 die Rippe 35 von dem Flansch 37. Die dynamischen Kräfte am Flansch 37 sind ausgeglichen, da die Fläche 41, der Abschnitt 4 9 und der O-Ring 33 dem gleichen Fluiddruck ausgesetzt sind. Die resultierende Kraft F wirkt daher links von der Bezugslinie 60 und liegt etwa in der Mitte zwischen der Bezugslinie 60 und einer Linie 62 (Fig. 2), längs welcher sich der O-Ring 3 3 von der Fläche 41 trennt.

In der in Fig. 2 gezeigten Niederdruckstellung ist der erste Abschnitt 43 so geneigt, daß er im wesentlichen keinen Kontakt mit der Fläche 29, ausgenommen an der Rippe 57, hat. Der Abschnitt 45 ist ferner aus der in Fig. 4 gezeigten Stellung im Uhrzeigersinn verschwenkt, jedoch ist die Rippe 57 in der Richtung, die dem ausgeübten Druck P zugekehrt ist, immernoch ausreichend scharf zur Bildung eines Wischers, Da der einzige Teil der Schleifdichtung 31, der an der Fläche 29 anliegt, die schmale Dichtungsrippe 5 7 ist, ist die spezifische Belastung der Dichtungsrippe gegen

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die Fläche 29 relativ hoch. Dies trägt wesentlich zu ausgezeichneten Niederdruck-Dichtungseigenschaften bei.

Wenn die Dichtungsanordnung 13 einem Fluid unter hohem Druck ausgesetzt wird, tritt.das Fluid zwischen dem freien Ende 51 und der sich radial erstreckenden Wand 23 hindurch und drängt den O-Ring 3 3 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung nach links in die in Fig, 3 gezeigte Stellung. Ausserdem wirkt das Druckfluid auf die Abschnitte 45 und 49,"Die Gesamtwirkung ist die Schwenkbewegung der Schleifdichtung 31 im Gegenzeigersinn um die Dichtungsrippe 57 aus der in Fig, 2 gezeigten Niederdruckstellung in die in Fig. 3 dargestellte Hochdruckstellung. Hierdurch wird die Dichtungsrippe 57 in die Ecke 47 verwandelt.

Der hohe Fluiddruck ändert das Nettodrehmoment, das auf die Schleifdichtung 31 wirkt. Zuerst nimmt die Kraft F anteilmässig mit der Zunahme des Fluiddruckes zu und dies erhöht das Drehmoment, welches das Bestreben hat, die Schleifdichtung 31 zur Hochdruckstellung zu verschwenken» Zweitens wird der O-Ring 33 axial nach links in die in Fig. 3 gezeigte Stellung gedrückt. Hierdurch wird der Druckmi.ttelpunkt 55 nach links bewegt, um die Abmessung L mit Bezug auf die-zu verringern, die bestehen würde, wenn der Druckmittelpunkt nicht bewegt worden wäre. Durch die Bewegung des O-Ringes 33 nach links wird auch die Linie nach links bewegt und der Abstand L vergrössert, wodurch eine weitere Zunahme des Drehmoments erhalten wird, welches das Bestreben hat, die Schleifdichtung 31 zur Hochdruckstellung zu verschwenken. Die Kräfte F_ und F bleiben daher

s ρ

senkrecht zur äusseren Umfangsflache 41, Das Verschwenken der Schleifdichtung 31 und der äusseren Umfangsflache hat eine Änderung in der Richtung der Kräfte F und- F zur Folge,

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Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß die beschriebenen Wirkungen auftreten, wenn der auf die Dichtungsanordnung 13 wirkende Fluiddruck zunimmt. In ähnlicher Weise wird, wenn wieder Niederdruckbedingungen eintreten, durch den O-Ring 3 3 die Schleifdichtung 31 zur Niederdruckstellung verschwenkt. Obwohl die Kräfte F und F_ und die Abstände

s ρ

L und L im Vorangehenden als in einer einzigen Ebene s ρ

liegend beschrieben wurden, ist natürlich diese Kräfteanalyse typisch für alle axialen Ebenen der Dichtungsanordnung 13,

Während der Hochdruckbedingungen ist die Schleifdichtung 31 im wesentlichen torsionsspannungsfrei, da sie im wesentlichen zur gleichen Gestalt zurückkehrt, die sie im entspannten Zustand eingenommen hat. Die Abschnitte 4 3 und 45 und die Rippe 5 7 werden daher durch den hohen Druck nicht einem raschen Verschleiß oder einer bleibenden Verformung unterworfen. In der Tat wirkt sich jeder Verschleiß des Flächenabschnitts 43 an der Ecke 4 7 zu einer Verschärfung dieser Ecke aus.

Beim Absenken des hohen Druckes hat die innewohnende Elastizität des O-Ringes 3 3 das Bestreben, diesen in die in Fig. 1 und 2 gezeigte Niederdruckstellung zurückzuführen. Wegen der Neigung der Umfangsflache 41 ist die Lage des O-Ringes 33 genau vorhersagbar. Hierdurch wird der Abstand L ausreichend vergrössert, um eine Uhrzeigersinn-Schwenkbewegung der Schleifdichtung 31 um die Ecke 4 7 herbeizuführen und die letztere in die schmale Dichtungskante 5 7 umzuwandeln.

Bei der dargestellten Bauform erfährt die Schleifdichtung 31 nur dann eine Torsionsverformung, wenn sie relativ niedrigen Drücken ausgesetzt wird, welche die Schleifdichtung nicht bleibend verformen können. Umgekehrt wird,

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wenn die Schleifdichtung 31 relativ hohen Drücken ausgesetzt wird, praktisch nicht verformt, da sie die gleiche Gestalt annimmt, wie sie im entspannten Zustand annimmt.

Natürlich können die Druckpegel, bei welchen die Schleifdichtung 31 ihre Schwenkbewegung aus der Niederdruckstellung zur Hochdruckstellung und aus der Hochdruckstellung zur Niederdruckstellung beginnt, durch den Fachmann ohne weiteres verändert werden. Die hier verwendeten Bezeichnungen "niedriger Fluiddruck" und "hoher Fluiddruck" sind lediglich beschreibend für relative Druckpegel zu verstehen und beziehen sich nicht auf irgendwelche besondere Druckwerte, Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Gestalt der Schleifdichtung 31 im entspannten Zustand der Gestalt der Schleifdichtung in der Hochdruckstellung im wesentlichen identisch. Die Schleifdichtung 31 kann jedoch im entspannten Zustand andere Gestaltungen haben. Beispielsweise kann die SchleiJöLchtung 31 im entspannten Zustand die Gestalt haben, die sie in der Niederdruckstellung einnimmt, in welchem Falle die Schleifdichtung in der Hochdruckstelle eine leichte Verdrehungsverformung aufweist.

Obwohl die Dichtungsnut 17 als durch das äussere Element begrenzt dargestellt ist, kann die Dichtungsnut natürlich im inneren Element 19 vorgesehen werden. In diesem Falle wird die Dichtungsanordnung 13 in das innere Element 19' eingesetzt und wird die Dichtungsrippe 5 7 am Aussenumfang der Dichtungsanordnung statt am Innenumfang, wie bei der dargestellten Ausführungsform gezeigt, vorgesehen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wurde gezeigt und beschrieben, es können jedoch innerhalb des Rahmens der Erfindung viele Abänderungen vorgesähen werden,

Patentansprüche; 509828/0184

Claims

Patentansprüche ;

/ 1,] Dichtungsanordnung zur Verwendung zwischen einem inneren und einem äusseren Element, die mit Bezug aufeinander beweglich sind, welche Dichtungsanordnung einem Fluid unter einem ersten und einem zweiten Fluiddruckpegel ausgesetzt wird, die in einer ersten Richtung gegen die Dichtungsanordnung wirken, welcher erste Druckpegel niedriger als der zweite Druckpegel ist, gekennzeichnet durch

eine Schleifdichtung, welche einen Bereich des inneren Elements umgibt und eine erste sowie eine zweite Umfangsfläche aufweist;

welche erste Umfangsflache durch einen ersten und einen zweiten Abschnitt ^ildet wird, welche Abschnitte eine Ecke bilden, die das innere Element umgibt und an einem der Elemente zur Anlage gebracht werden kann; welche Schleifdichtung im wesentlichen um die erwähnte Ecke zwischen einer Hochdruckstellung, in welcher der erste Abschnitt der Umfangsflache an dem einen Element längs mindestens eines Teils der Länge des ersten Abschnitts zur Anlage gebracht werden kann und einer Niederdruckstellung schwenkbar ist, in welcher der erste Abschnitt an dem erwähnten einen Element längs eines kleineren Teils der Länge des ersten Abschnitts zur Anlage gebracht werden kann und die erwähnte Ecke in eine verhältnismässig schmale Dichtungsrippe umgewandelt ■ wird, die dichtend an dem erwähnten einen Element zur

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Anlage gebracht- werden kann;

ein elastisches Element, welches das innere Element zumindest teilweise umgibt und der zweiten Umfangsflache gegenüberliegt, welches elastische Element zwischen der zweiten Umfangsflache und dem anderen der erwähnten Elemente zusammendrückbar ist, um eine resultierende statische Kraft auf die Schleifdichtung auszuüben, welche das Bestreben hat, die Schleifdichtung zur Niederdruckstellung zu verschwenken; und die Dichtungsanordnung dem zweiten Fluiddruckpegel ausgesetzt wird, um eine resultierende dynamische Kraft zu erhalten, welche gegen die Schleifdichtung wirkt, um diese zur Niederdruckstellung zu verschwenken.

2, Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umfangsflache zur Achse der Dichtungsanordnung geneigt ist.

3, Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umfangsflache radial zum ersten Abschnitt geneigt ist, wenn sie sich in der erwähnten ersten Richtung erstreckt.

M-, Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Abschnitt einen eingeschlossenen Winkel an der erwähnten Ecke bilden, der nicht größer als etwa 90° ist.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Schleifdichtung eine Rippe mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erwähnte Teil der Schleifdichtung einen Flansch umfaßt, der sich unter Hochdruckbedingungen in radialem Abstand von dem ersten Element befindet,

Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt der ersten Umfangsflache sich in einer im wesentlichen geraden Linie, gesehen im axialen Schnitt, im spannungslosen Zustand der Schleifdichtung erstreckt, welcher erste Abschnitt an dem erwähnten einen Element über die volle Länge des ersten Abschnitts in der Hochdruckstellung in Anlage gebracht werden kann, welche Schleifdichtung eine Endfläche aufweist, der erste Abschnitt der einzige Teil der ersten Umfangsflache zwischen der erwähnten Ecke und der erwähnten Endfläche ist, die an dem erwähnten einen Element in der Hochdruck siel lung zur Anlage gebracht werden kann,

7, Dxchtungsanordnung zur Verwendung zwischen einem inneren und einem äusseren Element, die zueinander relativ beweglich sind, welche Dichtungsanordnung einem Fluid unter einem ersten Druckpegel und einem zweiten Druckpegel ausgesetzt ist, welche Druckpegel in einer ersten Richtung gegen die Dichtungsanordnung wirken, der erste Druckpegel niedriger als der zweite Druckpegel ist, gekennzeichnet durch;

eine Schleifdichtung, die einen Bereich des inneren Elements umgibt und eine erste sowie eine zweite Umfangs-

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fläche aufweist;

welche erste Umfangsflache einen ersten und einen zweiten Abschnitt besitzt,, die eine Ecke begrenzen, welche das innere Element umgibt und an einem der Elemente zur Anlage gebracht werden kann; welche Schleifdichtung im wesentlichen um die erwähnte Ecke zwischen einer Hochdruckstellung, in welcher der erste Abschnitt der Umfangsflache an dem erwähnten einen Element über mindestens einen Teil der Länge des ersten Abschnitts zur Anlage gebracht werden kann, und einer Niederdruckstellung schwenkbar ist, in welcher der erste Abschnitt an dem erwähnten einen Element über einen kleineren Teil der Länge des ersten Abschnitts zur Anlage gebracht werden kann und die erwähnte Ecke in eine relativ schmale Dichtungsrippe umgewandeIt wird, die an dem erwähnten einen Element dichtend zur Anlage gebracht werden kann;

erste Mittel, die auf den ersten Druckpegel zum Verschwenken der Schleifdichtung zur Niederdruckstellung ansprechen , und

zweite Mittel, die auf den zweiten Druckpegel zum Verschwenken der Schleifdichtung zur Hochdruckstellung ansprechen,

8, Schleifdichtung, gekennzeichnet durch; eine ringförmige. Rippe mit einer reibungsarmen Umfangsdichtflache;

einen Flansch, der mit der ringförmigen Rippe aus einem Stück besteht und sich im wesentlichen axial zur Rippe erstreckt und mit einem freien Ende endet, welcher Flansch und welche Rippe zusammenhängend aus Kunststoff geformt sind;

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der Flansch einen ersten und einen zweiten Umfangs~ flächenabschnitt aufweist, welche beide von der Umfangsdichtflache im entspannten Zustand der Schleifdichtung radial verlagert sind;

die Rippe eine ringförmige Fläche aufweist, die zur Achse der Umfangsdichtfläche im wesentlichen quergerichtet ist, die Ringfläche sich im wesentlichen zwischen der Umfangsdichtfläche und dem erwähnten ersten Umfangsflächenabschnitt erstreckt, wobei die ringförmige Fläche und die Umfangsdichtfläche eine ringförmige Ecke an der Rippe bilden; und

der zweite Umfangsflächenabschnxtt im axialen Schnitt so geneigt ist, daß er sich axial und radial zur Rippe erstreckt, wenn er sich in der Richtung vom freien Ende zu der erwähnten Rippe erstreckt.

9, Schleifdichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umfangsflächenabschnitt sich von dem freien Ende des Flansches axial und radial zu der erwähnten Rippe erstreckt.

10, Schleifdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Umfangsflächenabschnitt im wesentlichen parallel sind und die Rippe und die Schleifdichtung an dem Ende, das dem freien Ende abgekehrt ist, mit einer ringförmigen Fläche enden, die zu der Achse der zylindrischen Dichtungsfläche im wesentlichen senkrecht ist, welche Umfangsdichtungsflache und die ringförmige Fläche einen eingeschlossenen Winkel von

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nicht mehr als 90° bilden,

11. Dichtung, die Fluidhoch- und niederdruckbedingungen ausgesetzt sind, gekennzeichnet durch:

ein äusseres und ein inneres Element, die relativ beweglich sind und von denen das äussere Element das innere Element umgibt;

das eine dieser Elemente eine erste und eine zweite sich radial erstreckende Wand sowie eine axiale Wand aufweist, welche sich mit den radialen Wänden überschneidet, um eine Dichtungsnut zu begrenzen, die zu dem anderen der erwähnten Elemente hin offen ist, wobei der Fluiddruck in der Richtung von der ersten sich radial erstreckenden Wand zu der zweiten sich radial erstreckenden Wand gerichtet ist;

eine Schleifdichtung, die sich in der erwähnten Nut befindet und das innere Element umgibt und ferner eine Rippe sowie einen Flansch aufweist; welche Rippe einen ersten und einen zweiten Flächenabschnitt aufweist, die eine Ecke der Rippe bilden, welche Ecke das innere Element umgibt und an dem anderen der Elemente anliegt;

welche Schleifdichtung im wesentliehen um die erwähnte Ecke zwischen einer Hochdruckstellung, in welcher der erste Flächenabschnitt der Rippe an dem anderen Element über zumindest einen Teil der Länge des ersten Flächenabschnitts zur Anlage gebracht werdenkann und einer Niederdruckstellung schwenkbar ist, in welcher der erste Flächenabschnitt an dem erwähnten anderen Element über einen kleineren Teil der Lunge des ersten Flächenabschnitts zur Anlage gebracht werden kann und die erwähnte Ecke xn eine

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verhältnismässig schmale Dichtungsrippe umgewandelt werden kann, die dichtend gegen das erwähnte andere Element anliegtj welcher Flansch sich von der erwähnten Rippe in einer Richtung erstreckt, die eine axiale Komponente zu der ersten sich radial erstreckenden Wand hat, und welcher Flansch eine erste Umfangsflache aufweist, die zumindest unter Hochdruckbedingungen sich in einem radialen Abstand von dem erwähnten anderen Element befindet;

welche Sohleifdichtung eine zweite Umfangsflache aufweist, die im wesentlichen der erwähnten axialen Wand der Dichtungsnut zugekehrt ist;

ein elastisches Element, das sich In der Dichtungsnut befindet und radial unter Druckbelastung zwischen der zweiten Umfangsflache und der erwähnten axialen Wand steht, so daß eine resultierende statische Kraft auf die Schleifdichtung ausgeübt wird, um die erwähnte Rippe gegen das andere Element zu belasten, welches elastische Element das innere Element zumindest im wesentlichen umgibt; welche resultierende statische Kraft in einer Richtung wirkt, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches das Bestreben hat, die Schleifdichtung in die erwähnte Niederdruckstellung zu verschwenken; und wobei unter Bedingungen hohen Fluiddruckes die Schleifdichtung und das elastische Element eine resultierende dynamische Kraft bilden, die gegen die Schleifdichtung wirkt, um diese zur Niederdruckstellung zu verschwenken.

12,, Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element durch einen Ring aus einem elasto-

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meren Material gebildet wird und zumindest ein wesentlicher Teil der Umfangsflache im axialen Schnitt so geneigt ist, daß dieser sich radial zu dem erwähnten anderen Element erstreckt, da er sich von der ersten sich
radial erstreckenden Wand zu der zweiten sich radial
erstreckenden Wand erstreckt, der erste und der zweite Oberflächenabschnitt einen eingeschlossenen Winkel von nicht mehr als etwa 90° bilden und der zweite Oberflächenabschnitt sich im wesentlichen radial erstreckt und einen Winkel von mindestens etwa 90° mit der Achse der Dichtung, gesehen im axialen Schnitt, bildet, welcher letzterwähnte Winkel zu der ersten sich radial erstreckenden Wand hin offen ist.

13, Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch mit einem freien Ende endet, um das eine
Ende der Schleifdichtung zu bilden, deren anderes Ende durch eine ringförmige Fläche begrenzt wird, die sich
im wesentlichen radial erstreckt, welcher erste Oberflächenabschnitt im wesentlichen an der letzterwähnten radialen Fläche endet.

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