DE2931603C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung gemäß dem Gattungs­ begriff des Anspruchs 1. Solche Dichtungen sollen eine fluid­ dichte 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.

Dichtungen generell haben im allgemeinen die Form eines Ringes oder einer kreisförmigen Scheibe und bestehen aus Gummi-, Plastik­ material oder anderen natürlichen oder künstlichen Polymeren. 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 of elastisch vorgespannt, z. B. durch eine geeignete Feder, um eine gute Dichtwirkung auch bei niedrigen Drücken zu ergeben.

Dichtungen mit einem Stapel von Ringen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sind ebenfalls bekannt, und bei ihnen haben alle Ringe eines solchen Stapels aus Polymer einerseits und alle Ringe des gleichen Stapels aus einem im Verhälnis dazu steiferen Mate­ rials andererseits jeweils eine gleiche Dicke, d. h. die Dicke der Elstomerringe ist anders als die der Ringe aus steiferem Material, bleibt aber über die Höhe des Stapels konstant (DE-GM 69 38 938, CH-PS 24 26 87).

Auf eine holzylindrische Packung mit einem gattungsgemäßen Stapel von Ringen 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. Der Radialdruck ist dabei am Ende der Packung mit hohem Fluid­ druck am niedrigsten und steigt exponential zum anderen Packungs- bzw. Dichtungsende an. Dieses Phänomen ist darge­ stellt und beschrieben auf Seite 143 von "Machine Design" vom 20. Januar 1977.

Die nicht-gleichmäßige Verteilung des radialen Druckes in der Dichtung ist gewöhnlich nicht ein Problem bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken (z. B. unter 3000 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 Dichtungs­ materials erheblich, so daß sie sich weniger an die nicht- einheitliche radiale Druckverteilung anpassen können. Das kann dann zu Dichtungsfehlern führen.

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. Diese Wirkung soll auch bei sehr hohen Druckdifferenzen und in einem weiten Druckbereich vorliegen, z. B. vom Vakuum bis zu 40 000 psi.

Die Erfindung ist auf die Kenntnis gestützt, daß der Kompressions- Modul eines Polymerstückes proportional dem Konturfaktor dieses Stockes 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 freige­ haltenen Bereich des Stückes, d. h. den Flächen parallel zur Längs­ richtung der Dichtung. Das bedeutet, daß für den gleichen bela­ steten Bereich der Kompressions-Modul umso größer ist, je dünner die Dichtung in axialer Richtung ist.

Davon ausgehend soll bei der Lösung der Aufgabe mit der Erfin­ dung eine Packung aufgezeigt werden, bei der der Kompressions- Modul exponential mit der Entfernung vom Bereich des hohen Druckes ansteigt, um den radialen Druckanstieg, den die Packung erfährt, kompensieren zu können.

Die dadurch definierte Aufgabe der Erfindung wird erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Dichtung die Dicke der Elastomer-Ringe in der einen Längsrichtung des Stapels geringer wird.

Als ein Ergebnis der Erfindung wird jeder Elastomer-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. Dabei verhält sich die Mehrzahl der Elastomer- Ringe nicht wie eine einzige Elastomer-Packung mit der üblicher­ weise nicht-einheitlichen radialen Druckverteilung.

Das Ergebnis der Verwendung der steiferen Metallringe wird ver­ bessert, 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.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiel und dessen nachfolgender Beschreibung. In der Zeichnung zeigt

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.

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. Es versteht sich, daß solche Dichtungen bei sehr unterschied­ lichen 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 Rotationsbewe­ gungen sein.

Die Kolben-Zylinder-Einheit schließt einen Zylinder 10 mit einer Innenbohrung 11 und zwei Öffnungen 12, 13 in der Seiten­ wand 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 Kolbenstangenende 15 umgibt und verhindert, daß sich eine Leckströmung zwischen den beiden Kolbenseiten entlang dem Bereich zwischen Kolben 14 und Kolbenstangenende 15 ausbildet. 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.

Im Betrieb der Vorrichtung wird die 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. Dabei handelt es sich um eine konventionelle Funktion.

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 Auf­ nahme 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. Die Dichtungen 25 und 26 sind entsprechend der Erfindung ausgebildet.

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 widerstandsfähigen Material, wie Metall, abwechselnd angeordnet sind. Obwohl für das gewählte Aus­ führungsbeispiel sieben Elastomer-Ringe gewählt sind, können auch mehr oder weniger solcher Ringe gewählt werden. Vor­ zugsweise 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.

Darüber hinaus 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.

Die auf dem Kolben 14 angeordnete Dichtung 25 besteht aus zwei Ringstapeln 29 in Tandemanordnung. Zwischen den Ring­ stapeln ist ein konventioneller O-Ring 39 aus einem Elstomer und zwischen diesem O-Ring und jedem Stapel ist ein Sicherungs­ ring 40 aus relativ steifem Material, beispielsweise ent­ sprechendem 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. Deshalb könnte der O-Ring 39 durch jedes geeignete Federmittel ersetzt werden, das den Federstapeln 29 eine gewünschte Vor­ spannung zu vermitteln vermag. Jeder Sicherungsring 40 hat eine flache Seite 42, die mit dem Endring 37 des jeweiligen Feder­ stapels zusammenwirkt und eine konkave Seite 43, die einen guten Sitz für den O-Ring 29 bildet.

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 Kolben 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 Hauptdich­ tung 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 Gleit­ bewegungen gegenüber der Wand der Zylinderbohrung 11 mehr als die anderen Ringe tragen.

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 Vor­ spannung 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 Dich­ tung 26 ist das Ende des 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.

Die Abmessungen der Ringe 30-37 sind von dem Werkstoff ab­ hängig, 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 Nitril­ kautschuk und hatten die folgenden Abmessungen:

Außendurchmesser1,870×2,54 cm Innendurchmesser1,505×2,54 cm Dicke:
Ring 300,094×2,54 cm Ring 310,047×2,54 cm Ring 320,032×2,54 cm Ring 330,023×2,54 cm Ring 340,019×2,54 cm Ring 350,016×2,54 cm Ring 360,014×2,54 cm

Die Metallringe waren 0,03×2,54 cm dick und hatten die Innen- und Außendurchmesser der Gummiringe.

Claims (7)

1. Dichtung mit einem Stapel von Ringen, von denen einige aus einem Elastomer und einige aus einem im Verhältnis dazu stei­ feren Material bestehen, wobei Ringe aus den beiden verschie­ denen Materialien in Längsrichtung des Stapels abwechselnd aufeinanderfolgen und dabei die steifen Ringe nur über die Elastomer-Ringe, die Elastomer-Ringe nur über die steifen Ringe untereinander in Verbindung stehen, dadruch gekennzeichnet, daß die Dicke der Elastomer-Ringe (30-36) in der einen Längs­ richtung des Stapels zunehmend geringer wird.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring mit dem im Stapel jeweils nächstfolgenden Ring verbunden ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endringe des Stapels starre Ringe sind.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Ringe einen rechteckigen Querschnitt hat.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die steifen Ringe aus Metall be­ stehen.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihre Druckvorspannung in Richtung ihrer Längsachse.

7. Verwendung einer Dichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-6 zum Einbau zwischen zwei Druckquellen unterschiedlich hoher Drücke in der Weise, daß das Ende der Dichtung mit dem dicksten Elastomer-Ring der Druckquelle mit höherem Druck zugekehrt ist.