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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckdichtung für Ver-
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drängerkolben von Kolbenpumpen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bei Kolbenpumpen entsteht zwischen dem unter Druck stehenden Verdrängungsraum
und der Außenseite entlang dem den Kolben umgebenden Spalt eine nach außen gerichtete
Spaltströmung, deren Ausströmmenge mit der dritten Potenz der Spalthöhe zunimmt
und dem Dichtungsmesser proportional und der dynamischen Zähigkeit des gepumpten
Mediums und der Dichtlänge umgekehrt proportional ist.
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>nv dieser Spaltströmung - in partieller Betrachtungsrv'eise -
entgegengerichtete Schleppströmung mindert die durch den Druck bedingte Ausströmmenge
der Spalt strömung.
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Zur Vermeidung einer Umspülung der Dichtelemente müssen diese mit
Vorspannung eingebaut werden. Auf der anderen Seite kann jedoch die Reibung zwischen
dem hin- und hergehenden Verdrängungskolben und den Dichtelementen zu erheblichem
Verschleiß führen. Lufteinschlüsse im Fördermedium, abrassive Stoffe und Kavitationen
führen insbesondere bei höheren Drücken zu außerordentlich hohem Verschleiß.
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Es sind bereits Versuche mit schwimmenden, metallischen Dichtungen
unternommen worden, die jedoch eine Reihe von Nachteilen hatten. Die Dichtungen
waren nicht zugleich zur Kolben führung geeignet und arbeiteten mit Leckage, so
daß Wirkungsgradverluste unvermeidbar waren.
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Zur Ausnutzung der Schleppströmung mußten besonders lange Dichtstrecken
und hohe Kolbengeschwindigkeiten verwandt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbendichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine zuverlässige Dichtung ohne Leckage
ermöglicht und im wesentlichen verschleißlos arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dichtung der eingangs
genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine metallische Hülse, die den
Verdrängungskolben in einer Pumpenkopfbohrung mit Abstand zu der Wand der Pumpenkopfbohrung
umgibt und am druckabwärtigen Ende einen Führungsflansch aufweist, der in einer
in Bezug auf die Pumpenkopfbohrung erweiterten Einstichbohrung des Pumpenkopfes
liegt, und durch einen am äußeren Umfang des Führungsflansches von diesem koaxial
zu und in Richtung der Hülse bis zum Boden der Einstichbohrung vorspringenden Dichtring.
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Die Hülse und der Dichtring ermöglichen eine Abdichtung gegenüber
dem Verdrängerkolben einerseits und dem Pumpenkopf andererseits. Darüber hinaus
ergibt sich eine ganze Reihe von weiteren Vorteilen. Die Dichtung ermöglicht gleichzeitig
eine dynamische und eine statische Abdichtung und dient zugleich zur Kolbenführung
bzw.
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Kolbenzentrierung. Sie ist für selbstschmierende und nichtselbstschmierende
Fördermedien bei gebräuchlichen Kolbengeschwindigkeiten geeignet. Sie liefert eine
zuverlässige Abdichtung bei Arbeitsdrücken bis ca. 6500 bar und ist insbesondere
auch geeignet zur Abdichtung von Förderströmen mit abrasiven Schwebstoffen.
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Weiterhin ist die Dichtung leicht zu wechseln und ohne Pumpenkopfdemontage
zu reinigen. Dies spielt insbesondere bei aseptischen Fördermedien, bei der Homogenisation
von Lebensmitteln etc. eine Rolle.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läuft
die Hülse zum freien Ende hin konisch zusammen, und der Dichtring ist vorzugsweise
auf der Innenfläche konkav ausgespart.
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Die Pumpenkopfbohrung kann annähernd parallel zu der Hülse konisch
zusammenlaufen.
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Die Anordnung aus Hülse mit Führungsflansch und Dichtring besteht
vorzugsweise aus einem Stück, jedoch kann der Dichtring auch getrennt ausgeführt
sein.
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Vorzugsweise weist die Hülse auf der Seite des Führungsflansches im
Inneren eine gegenüber der übrigen Hülsenbohrung erweiterte Einstichbohrung auf,
so daß dieser Bereich im Abstand zu dem Verdrängerkolben liegt. Die übrige Hülsenbohrung,
die den Verdrängerkolben unmittelbar umgibt, ist vorzugsweise mit im Querschnitt
V-förmigen, umlaufenden Nuten versehen, die in Abständen hintereinander entlang
der Hülsenbohrung angeordnet sind.
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Beispielsweise ist bei einem Hülsenbohrungsdurchmesser von 30 mm eine
tiefe der Nuten von 0,3 mm und ein Abstand der Nuten in Axialrichtung von 5 mm zweckmäßig.
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Als Material für die Anordnung aus Hülse, Führungsflansch und Dichtungsring
kommen verschiedene Metalle, heispielsweise 3bronze (CuSn 8), Bauståhle, nichtrostende
Stähle etc. in Betracht.
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Weitere vorteilhafte Fortbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Gesamtschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Dichtung
in einem Pumpenkopf;
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Dichtungs-Hül
se; Fig. 3 ist eine Stirnansicht von rechts in Fig. 2; Fig. 4 ist eine vergrößerte
Detaildarstellung entsprechend dem Kreis A in Fig. 2.
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In Fig. 1 ist ausschnittweise ein Pumpenkopf 10 angedeutet, der in
nicht näher gezeigter Weise mit einem Flansch 12 verbunden ist. Auf Einzelheiten
der gesamten Kolbenpumpe kommt es hier nicht an. In einer insgesamt durchgehenden
Bohrung ist in dem Pumpenkopf 10 und dem Flansch 12 ein hin- und hergehend beweglicher
Verdrängerkörper oder Verdrängerkolben 14 geführt.
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Die erwähnte Bohrung in dem Pumpenkopf 10 und dem Flansch 14 weist
Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers auf, die zur Verdeutlichung im folgenden
mit unterschiedlichen Bezeichnungen belegt sind. Der Verdrängerkolben 14 liegt mit
einem Radialabstand in einer Kolbenbohrung 18, die sich zur Außenseite des Pumpenkopfes
10 hin zu einer Pumpenkopfbohrung 20 erweitert, die ihrerseits wiederum in eine
erweiterte Einstichbohrung 22 übergeht, die von der Außenfläche 24 des Pumpenkopfes
10 eintritt. Alle erwähnten Bohrungen liegen koaxial zueinander und sind miteinander
ausgerichtet.
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Innerhalb des zwischen dem Verdrängerkolben 14 einerseits und der
Pumpenkopfbohrung 20 und der Einstichbohrung 22 andererseits gebildeten ringförmigen
Hohlraums liegt eine erfindungsgemäße Dichtung 26, die den Verdrängerkolben
14
konzentrisch umgibt und zugleich führt und gegenüber dem Pumpenkopf abdichtet, wie
anschliessend näher erläutert werden soll.
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Die Dichtung 26 umfaßt eine langgestreckte Hülse 28 aus Metall, die
den Verdrängerkolben 14 unmittelbar umgibt und innerhalb der Pumpenkopfbohrung 20
mit Abstand zu dieser liegt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Hülse
28 zum freien, links in Fig. 1 liegenden Ende hin konisch zusammenlaufend ausgebildet,
und sie endet im Abstand von dem Ende der Pumpenkopfbohrung 20. Die Hülse 28 kann
auch auf andere Weise, beispielsweise mit einer eingewölbten oder ausgewölbten Mantellinie
zum freien Ende hin zusammenlaufen. Der sich verjüngende Bereich der Hülse 28 ist
in Fig. 1 und 2 mit 16 bezeichnet.
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Die nach rechts in Fig. 1 und 2, d.h. zur druckabgewandten Seite hin
zunehmende Wandstärke der Hülse 28 ist deshalb vorgesehen, weil die Hülse auf der
druckabgewandten Seite am stärksten beansprucht wird. Dies beruht darauf, daß die
Hülse auf der Außenseite über die gesamte Länge konstant dem radial nach innen wirkenden
Systemdruck ausgesetzt ist, während sie auf der Innenseite durch den Spaltdruck
im Dichtspalt beaufschlagt wird, der links in Fig. 1 und 2 dem Systemdruck entspricht
und von dort aus etwa linear zum rechten Ende des Dichtspaltes hin im wesentlichen
auf den Wert 0 abnimmt. Dadurch ergibt sich ein resultierender, radial nach innen
wirkender Druck auf die Hülse 28, der am linken Ende des Dichtspaltes etwa bei dem
Wert 0 liegt und bis zum rechten Ende des Dichtspaltes im wesentlichen auf den Wert
des Systemdrucks ansteigt. In diesem Bereich ist die Hülse daher den höchsten Belastungen
ausgesetzt und mit der größten Wandstärke versehen. Der Konuswinkel muß um so größer
sein, je größer
der Systemdruck ist. Da der Druck im Dichtspalt
etwa linear abfällt, ist eine konische Hülse zweckmäßig, damit sich eine gleichmäßige
Spaltverengung über die Dichtlänge ergibt.
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Das Verhältnis von Dichtungslänge zu Kolbendurchmesser liegt vorzugsweise
über 1,5 , und die Spalthöhe beträgt ca. 0,1 - 0,3 EO des Kolbendurchmessers.
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Die Wandstrke der Hülse 28 muß mit zunehmenden Systemdruck vergrößert
und derart gewählt werden, daß sich im druckabgewandten Bereich der Dichtung 26
eine angemessene Spalthülsenverengung zwischen dem Kolben 14 und der Hülsenbohrung
42 ergibt.
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Die Pumpenkopfbohrung 20 kann links in Fig. 1 einen sich verjüngenden,
insbesondere konisch zusammenlaufenden Abschnitt 30 aufweisen, so daß sie insgesamt
im wesentlichen parallel zu der Außenfläche der Hülse 28 verläuft und mit dieser
einen ringförmigen Hohlraum 32 bildet.
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Nach rechts in Fig. 1 geht die Hülse 28 in einen breiten Führungsflansch
34 über, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Einstichbohrung 22 entspricht.
Der Führungsflansch 34 seinerseits geht an der linken Stirnfläche in Fig. 1 im Umfangsbereich
in einen Dichtring 36 über, der somit die Hülse 28 konzentrisch umgibt, jedoch einen
Abstand zu dieser aufweist. Die Innenfläche des Dichtringes 36 ist konkav ausgespart.
Die Außenkonturen des Dichtringes 36 entsprechen dem Boden- oder Endbereich der
Einstichbohrung 22 und liegen glatt gegen diesen an. Wie aus Fig. 2 in Verbindung
mit Fig. 3 hervorgeht, weist der Führungsflansch 34 auf seinem Umfang achsparallele
Entlastungsnuten 34 auf, die jedoch nicht in den Dichtring eintreten.
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Die Hülsenbohrung 42 innerhalb der Hülse 28, die diese in Axialrichtung
durchzieht, erweitert sich im Bereich des Führungsflansches 34 geringfügig zu einer
Einstichbohrung 44, so daß in diesem Bereich ein Abstand zu dem Verdrängerkolben
14 besteht.
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Wie aus Fig. 2 und 4 hervorgeht, befinden sich im Inneren der Hülsenbohrung
42 hintereinander mehrere umlaufende, V-förmige Nuten 46,48,50..., die in Fig.
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2 nur durch Bezugslinien angedeutet sind, in Fig. 4 jedoch in einer
Detaildarstellung genauer gezeigt sind.
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Die Nuten weisen beispielsweise eine Tiefe a von 0,3 mm und einen
Abstand in Achsrichtung von b = 5 mm auf. Der Spitzenwinkel ß beträgt beispielsweise
600. Die Nuten begünstigen die Druck- und Schleppströmungsverhältnisse bei der Abdichtung
des Dichtungsringspaltes.
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Wie aus Fig. 2 und auch aus Fig. 1 hervorgeht, weist der Führungsflansch
34 am umlaufenden Rand der rechten, äußeren Stirnfläche eine Abschrägung 52 auf,
der eine gleiche, entgegengesetzte Abschrägung 54 am angrenzenden Rand der Außenfläche
24 des Pumpenkopfes 10 entspricht.
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In die auf diese Weise gebildete ringförmige, V-förmige Nut tritt
ein ringförmiger Vorsprung 56 ein, der von der angrenzenden Oberfläche des Flansches
12 ausgeht. Auf diese Weise ergibt sich eine Zentrierung von Pumpengehäuse und Flansch.
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Die erfindungsgemäße Dichtung ist im übrigen auch auf neue Anwendungstechnologien
anwendbar, wie zum Beispiel die Kondensatförderung, die Homogenisation von Lebensmitteln,
zum Beispiel Milch, Cetchup, Kakao, die Förderung von Aluminiumoxyd und aseptischer
Produkte.
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