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Beschreibungseinleitung
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Die Erfindung bezieht sich auf Dichtungen mit paketförmig angeordneten
scheiben- bzw. ringförmigen Dichtungselementen von der Art, wie sie gelegentlich
als "Packungen" bezeichnet werden. Solche Dichtungen sollen eine fluiddichte Abdichtung
zwischen zwei einander gegenüberliegenden Flächen ergeben, die relativ zueinander
oder in ihrer Gesamtheit gegenüber einer Gehäusewand verstellbar sind und im Regelfall
aus Metall bestehen.
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Solche Dichtungen haben im allgemeinen die Form eines Ringes oder
einer kreisförmigen Scheibe und bestehen aus Gummi, Plastikmaterial oder anderen
natürlichen oder künstlichen Polymeren.
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Die Dichtungen sind dicht zwischen den einander gegenüberliegenden
vorzugsweise metallischen Flächen angeordnet und erhöhen durch Deformation die Dichtwirkung
mit ansteigender Druckdifferenz zwischen den beiden Bereichen zu beiden Seiten der
Dichtung. Solche Dichtungen sind oft elastisch vorgespannt, z.B. durch eine geeignete
Feder, um eine gute Dichtwirkung auch bei niedrigen Drücken zu ergeben.
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Auf eine hohlzylindrische Packung wirkt der Fluiddruck in Achslängsrichtung
des Zylinders. Da sich die Packung in dieser Richtung jedoch nicht über das Maß
ihrer Kompressibilität
hinaus verformen kann, erhöht sich bei größeren
Drücken unter dem axialen Fluiddruck der Radialdruck der Packung gegen die Flächen,
zwischen denen die Packung angeordnet ist. Dabei ist der Druck des Fluids natürlich
am einen Ende der Packung bzw. Dichtung höher als am anderen, und die Druckverteilung
ist nicht über die Länge der Dichtung gleich.
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Der Radialdruck ist dabei am Ende der Packung mit hohem Fluiddruck
am niedrigsten und steigt exponential zum anderen Packungs- bzw. Dichtungsende an.
Dieses Phänomen ist dargestellt und beschrieben auf Seite 143 von maschine Design"
vom 20. Januar 1977.
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Die nicht-gleichmäßige Verteilung des radialen Druckes in der Dichtung
ist gewöhnlich nicht ein Problem bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken
(z.B. unter 3 000 psi), weil die elastomere Natur des Dichtungswerkstoffes sich
dabei anpassen kann. Werden jedoch Polymer-Dichtungen bei hohen Temperaturen angewendet,
so reduzieren diese höheren Temperaturen die physikalischen Eigenschaften des Dichtungsmateriales
erheblich, so daß sie sich weniger an die nichteinheitliche radiale Druckverteilung
anpassen können. Das kann dann zu Dichtungsfehlern führen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung dieses Problemes durch
Anwendung einer Dichtung bzw. Packung, bei
der die radiale Druckverteilung
wesentlich gleichförmiger ist, so daß die Dichtung in einem weiten Druckbereich
anwendbar ist, in dem der Polymer der Dichtung stabil ist.
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Diese Wirkung soll auch bei sehr hohen Druckdifferenzen und in einem
weiten Druckbereich vorliegen, z.B. vom Vakuum bis zu 40 000 psi.
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Die Erfindung ist auf die Kenntnis gestützt, daß der Kompressions-Modul
eines Polymerstückes proportional dem Konturfaktor dieses Stückes ist. Diese Beziehung
ist auf Seite 34 von "Engineering Design With Natural Rubber", 4. Auflage 1974 der
"The Malaysian Natural Rubber Producer's Research Association", London, England,
erörtert. Der Ausdruck "Konturfaktor" bezeichnet das Verhältnis des belasteten Bereiches
des Polymerstückes, d.h. der Oberfläche quer zur Längsrichtung der Dichtung zu dem
von Kräften freigehaltenen Bereich des Stückes, d.h. den Flächen parallel zur Längsrichtung
der Dichtung. Das bedeutet, daß für den gleichen belasteten Bereich der Kompressions-Modul
umso größer ist, je dünner die Dichtung in axialer Richtung ist.
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Davon ausgehend ist es ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine
Packung aufzuzeigen, bei der der Kompressions-Modul exponential mit der Entferung
vom Bereich des hohen Druckes ansteigt, um den radialen Druckanstieg, den die Packung
erfährt, kompensieren zu können.
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Die dadurch definierte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß eine Dichtung nach der Art von Packungen die Zusammenfassung
elastomerer Ringe mit einem Konturfaktor aufweist, der mit zunehmendem Abstand vom
Bereich hohen Druckes progressiv ansteigt. Für Ringe mit gleichbleibendem Flächenbereich
werden progressiv ansteigende Konturfaktoren durch die Verwendung von Ringen erreicht,
deren Dicke progressiv geringer wird. Als ein Ergebnis hiervon wird jeder Ring nach
außen um etwa das gleiche Maß gedehnt, wodurch wiederum vermieden bzw. die Gefahr
verringert wird, daß die Dichtung über ihre Länge ungleich trägt.
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Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung von
Hochdruckmodul-Versteifungen, z.B. Metallringen zwischen je zwei aufeinanderfolgende
Elastomer-Ringe, so daß die Mehrzahl der elastomeren Ringe sich nicht wie eine einzige
Elastomer-Packung mit der üblicherweise nicht-einheitlichen radialen Druckverteilung
verhält. Das Ergebnis der Verwendung der steiferen Metallringe wird verbessert,
wenn sie ständig mit den Elastomer-Ringen verbunden sind, mit denen sie sich berühren,
so daß eine Baueinheit aus einem einstückigen Stapel abwechselnder Elastomer-Ringe
und steiferer Ringe entsteht.
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Figurenbeschreibung Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel und dessen
nachfolgender Beschreibung. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung
einen Längsschnitt durch eine flüssigkeitsbetätigte Kolbenzylindereinheit, die Dichtungen
gemäß der Erfindung aufweist, und Fig. 2 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung
in größerem Maßstab und mit zur Verdeutlichung der dargestellten Teile weggebrochenen
Teilen eine Dichtung gemäß der Erfindung.
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Zur Illustration der Erfindung ist in Fig. 1 der Einbau von Dichtungen
gemäß der Erfindung in eine Kolbenzylindereinheit dargestellt. Jede Dichtung weist
einen Stapel bzw. ein "Paket" von scheiben- bzw. ringförmigen Dichtelementen auf.
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Es versteht sich, daß solche Dichtungen bei sehr unterschiedlichen
Vorrichtungen zur Anwendung kommen können, und zwar insbesondere als "bewegliche"
Dichtungen zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Teilen, die vorzugsweise
aus Metall bestehen. Die Bewegungen können, wie im Ausführungsbeispiel angenommen,
translatorische Bewegungen oder Rotationsbewegungen sein.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit schließt einen Zylinder 10 mit einer Innenbohrung
11 und zwei öffnungen 12,13 in der Seitenwand ein. In der Bohrung 11 ist ein Kolben
14 axial verstellbar gelagert, der auf dem Ende 15 einer Kolbenstange 16 gelagert
ist, dessen Querschnitt gegenüber der übrigen Kolbenstange verringert ist. Das im
Querschnitt verringerte Kolbenende 15 ist mit einem Gewinde versehen, so daß der
Kolben mittels einer auf die Kolbenstange aufgeschraubten Mutter 17 gegen die Schulter
18 der Kolbenstange in Anlage gehalten ist, die der Übergang zwischen den Kolbenstangenteilen
mit verschiedenen Querschnitten bildet. In einem erweiterten Bohrungsteil des Kolbens
14 ist eine O-Ring-Dichtung 21 angeordnet, die das Kolhenstangenende 15 umgibt und
verhindert, daß sich eine Leckströmung zwischen den beiden Kolbenseiten entlang
dem Bereich zwischen Kolben 14 und Kolbenstangenende 15 ausbildet.
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Zwischen dem Kolben 14 und der Schulter 18 ist eine Scheibe 19 angeordnet,
deren Außendurchmesser gleich dem oder etwas geringer als der Durchmesser der Zylinderbohrung
11 ist. Die Kolbenstange 16 ist verschiebbar durch eine Bohrung 20 in einer Endplatte
des Zylinders 10 hindurchgeführt.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird der öffnung 12 ein Hochdruck-Fluid,
wie Luft oder öl, zugeführt und an der Öffnung 13 Fluid abgeführt, um den Kolben
14 und die Kolbenstange 16
in der Darstellung der Fig. 1 nach rechts
zu verstellen.
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Dabei handelt es sich um eine konventionelle Funktion.
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Am Ende 23 ist der Querschnitt des Kolbens 14 etwa gleich dem oder
geringfügig kleiner als der Querschnitt der Bohrung 11. Zwischen diesem Kolbenende
und der Scheibe 19 ist der Kolbendurchmesser verringert, um eine Ringnut 24 zur
Aufnahme einer Dichtung 25 zu ergeben. Der Durchmesser der Bohrung 20 ist auf dem
größten Teil ihrer Länge etwas größer als der Durchmesser der Kolbenstange 16, um
eine weitere Ringnut zur Aufnahme einer weiteren Dichtung 26 zu bilden.
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Die Dichtungen 25 und 26 sind entsprechend der Erfindung ausgebildet.
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Wie es sich am besten aus Fig. 2 ergibt, schließt jede Dichtung einen
Stapel 29 aus Elastomer-Ringen 30-36 ein, die mit Ringen 37 eines Ringstapels aus
einem gegen Druck in hohem Maße widerstandfähigen Material, wie Metall, abwechselnd
angeordnet sind. Obwohl für das gewählte Ausführungsbeispiel sieben Elastomer-Ringe
gewählt sind, können auch mehr oder weniger solcher Ringe gewählt werden. Vorzugsweise
sind die Ringe 30-37 durch einen geeigneten Kleber dauerhaft miteinander verbunden,
so daß die Ringe zusammen als bauliche Einheit zur Dichtung verwendet werden können.
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Darüberhinaus ist es vorteilhaft, daß die beiden Endringe des gesamten
Ringstapels 29 Metallringe 37 sind, so daß der Ringstapel an seinen beiden Enden
starr und abriebfest ist. Die Elastomer-Ringe 30-36 werden in Längsrichtung des
Ringstapels zunehmend dünner, d.h. Ring 31 ist dünner als Ring 30, Ring 32 ist dünner
als Ring 31, Ring 33 ist dünner als Ring 32 usw. Die Metallringe 37 können demgegenüber
alle die gleiche Dicke haben.
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Die auf dem Kolben 14 angeordnete Dichtung 25 besteht aus zwei Ringstapeln
29 in Tandemanordnung. Zwischen den Ringstapeln ist ein konventioneller O-Ring 39
aus einem Elastomer und zwischen diesem O-Ring und jedem Stapel ist ein Sicherungsring
40 aus relativ steifem Material, beispielsweise entsprechendem Plastikmaterial angeordnet.
Der O-Ring 39 erhöht, wenn überhaupt, nur geringfügig den Dichtungseffekt der Stapel
29; der hauptsächliche Zweck des O-Ringes ist es, auf die Stapel 29 eine federnde
axiale Belastung aufzubringen.
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Deshalb könnte der O-Ring 39 durch jedes geeignete Federmittel ersetzt
werden, das den Federstapeln 29 eine gewünschte Vorspannung zu vermitteln vermag.
Jeder Sicherungsring 40 hat eine flache Seite 42, die mit dem Endring 37 des jeweiligen
Federstapels zusammenwirkt und eine konkave Seite 43, die einen guten Sitz für den
O-Ring 29 bildet.
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Bei der Dichtung 25 liegen die dicksten Ringe 30 der Stapel 29 dem
O-Ring 39 näher, während die dünnsten Ringe 36 der Endfläche 23 des Kolbens 14 und
der Platte 19 näher liegen. Wird der Kolben 14 in der Bildebene nach rechts bewegt,
d.h. wirkt Hochdruckfluid auf die linke Kolbenseite, dann wirkt der Stapel 29 rechts
vom O-Ring 39 als Hauptdichtung zwischen Kolben und Zylinderwand. Wird der Kolben
14 nach links bewegt, d.h. wirkt Hochdruckfluid auf die rechte Kolbenseite ein,
dann wirkt der Dichtungsstapel 29 links vom O-Ring 39 als Hauptdichtung. Auf diese
Weise ist während der Kolbenbewegung das Stapelende des jeweils wirksamen Stapels
mit dem dicksten Ring 30 näher dem Hochdruckbereich als das Kolbenende mit dem dünnsten
Ring 36. Auf diese Weise wird die ungleichmäßige radiale Druckwirkung, wie sie bei
solchen Anordnungen und üblichen Dichtungen üblicherweise vorliegt, kompensiert
und die radiale Druckwirkung ist innerhalb jedes Stapels im wesentlichen gleichmäßig.
Als Ergebnis hiervon wird keiner der Ringe 30-36 mehr als die anderen radial nach
außen gepresst und es wird keiner der Ringe bei Gleitbewegungen gegenüber der Wand
der Zylinderbohrung 11 mehr als die anderen Ringe tragen.
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Der Stapel 29 der Dichtung 26 ist in entsprechender Weise mit einem
O-Ring 39 und einem Sicherungsring 40 versehen, wobei auch hier der O-Ring dem Stapel
eine elastische Vorspannung
vermittelt. Mit einem Sprengring 46,
der in eine Ringnut in der Wand der Bohrung 20 eingesetzt ist, wird die Dichtung
26 an der ihr zugeordneten Stelle gehalten, wobei ein Abstandsring 47 zwischen dem
Sprengring 46 und dem Ende des Stapels 29 angeordnet ist. Innerhalb der Dichtung
26 ist das Endendes Stapels 29 mit dem dicksten Ring 30 das dem O-Ring 39 nähere
Ende, weil auf diese Weise der dickste Ring dem Hochdruckbereich der Bohrung 11
möglichst nahe ist.
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Die Abmessungen der Ringe 30-37 sind von dem Werkstoff abhängig, aus
dem sie bestehen und von den Bedingungen der Umgebung, in der die Dichtung verwendet
wird. Trotzdem soll zum besseren Verständnis der Erfindung eine Dichtung näher definiert
werden, wie sie sich als besonders brauchbar erwiesen hat. Die Elastomer-Ringe 30-36
bestanden dabei aus Nitrilkautschuk und hatten die folgenden Abmessungen: Außendurchmesser
1,87box 2,54 cm Innendurchmesser 1,505 x 2,54 cm Dicke: Ring 30 0,094 x 2,54 cm
Ring 31 0,047 x 2,54 cm Ring 32 0,032 x 2,54 cm Ring 33 0,023 x 2,54 cm Ring 34
0,019 x 2,54 cm Ring 35 0,016 x 2,54 cm Ring 36 0,014 x 2,54 cm
Die
Metallringe waren 0,03 x 2,54 cm dick und hatten die Innen- und Außendurchmesser
der Gummiringe.
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Damit wurde die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Trotzdem stellt die beschriebene Ausführungsform lediglich ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar, das im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen erfahren
kann und demgemäß die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung nicht
einschränken soll.