DE3145848A1

DE3145848A1 - Dichtungssitz

Info

Publication number: DE3145848A1
Application number: DE19813145848
Authority: DE
Inventors: Franklyn J. Hilton N.Y. Amorese; James W. Penfield N.Y. Chapman; Vincent J. Rochester N.Y. Piarulli
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Pfaudler Inc
Priority date: 1980-11-20
Filing date: 1981-11-19
Publication date: 1982-06-24
Also published as: IT1172062B; GB2087987A; IT8149687A0; US4361334A; MX155068A; JPS6363793B2; FR2495262A1; GB2087987B; JPS5797962A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH, POSTFACH. D-8034 QERMERINQ

Meine Akte: S-4947 Anmelder: Sybron Corporation, Rochester, New York , USA

Dichtungssitζ

Die Erfindung betrifft einei Dichtungssitz für eine Dichtungsanordnung zwischen einer Hülse und einer Welle, wobei auf der Hülse, insbesondere eine Gleitringdichtung angebracht ist.

Bei bekannten Dichtungsanordnungen dieser Art, die eine als Einheit auswechselbare Dichtung aufweisen (DE-OS 20 36 243), ist eine Gleitringdichtung mit einem stationären Dichtungssitz vorgesehen, der aus einem harten keramischen Material mit hoher Dichte bestehen kann, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Wolframkarbid .oder Siliziumkarbid. Derartige keramische Materialien mit . hoher" Dichte weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine harte abriebfeste Oberfläche auf, die entlang der Dichtfläche poliert werden- kann. Ein Nachteil derartiger Materialien ist darin zu sehen, daß sie spröde sind> so daß bei der Montage der Dichtung Bruchgefahr besteht und die Dichtung sorgfältig angezogen werden muß. Große keramische Körper dieser Art sind außerdem verhältnismäßig teuer.

Es können auch emaillierte stationäre Dichtungssitze dieser Art verwandt werden, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl mit einem kristallinen Glasemailüberzug bestehen. Derartige Dichtungssitze sind bei großen Größen nicht so teuer in der Herstellung und außerdem mechanisch widerstandsfähiger, so daß im allgemeinen bei der Montage keine Beschädigungsgefahr besteht. Andererseits ist jedoch die durch einen Emailüberzug gebildete Dichtfläche nicht so gut wie die Dichtfläche von keramischen Materialien der zuerst erwähnten Art.

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Eine andere Schwierigkeit bei Dichtungsanordnungen dieser Art ist darin zu sehen, daß in den meisten praktischen Anwendungsfällen den. Dichtflächen ein Schmiermittel zugeführt werden muß, da sonst eine zu starke Abnutzung des rotierenden Dichtungsglieds erfolgt und eine nachteilige Wärmeerzeugung verursacht werden kann. Bei der Verwendung von Einrichtungen zum Schmieren und Kühlen ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß dann unerwünschte Leckverluste des Schmiermittels in den Produktraum in Kauf genommen werden müssen. Insbesondere bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten dürfen jedoch keine verseuchende .Stoffe in das. Produkt gelangen, weshalb derartige Leckverluste sehr nachteilige Folgen haben können. Deshalb ist es oft erforderlich, derartige rotierende Dichtungsanordnungen an Rührwerkbehältern trockenlaufen zu lassen, um eine Verseuchung des Produkts durch Schmiermittel-Leckverluste zu vermeiden. Wenn jedoch die Dichtungselemente trocken laufen, sind nur verhältnismäßig geringe Drehzahlen zulässig, um die Abnutzung der rotierenden Dichtungselemente ausreichend gering halten zu können und um eine zu starke Wärmeerzeugung im Bereich der Dichtflächen zu verhindern, zumal dadurch gegebenenfalls entstehende brennbare Dämpfe entzündet werden könnten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen stationären Dichtungssitz für eine rotierende Dichtungsanordnung unter möglichst weitgehender Vermeidung von Nachteilen und Schwierigkeiten der genannten'Art derart zu verbessern, daß einerseits eine Kombination von Vorteilen keramischer beziehungsweise emaillierter Dichtungssitze der genannten "Art erzielb.ar ist, und daß andererseits ein Trockenlauf bei vergleichsweise höheren Drehzahlen bei möglichst geringer Abnutzung und Wärmeerzeugung erzielbar ist, so daß derartige Dichtungsanordnungen insbesondere in Rührwerkbehältein zur Herstellung pharmazeutischer Produkte und von Nahrungsmitteln verwandbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem stationären Dichtungssitz der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind deshalb in einem stationären Dichtungssitz für eine rotierende Dichtungsanordnung zu sehen, welcher einen Keramikring enthält, der eine Lagerfläche für das rotierende Dichtungsglied aufweist und von einem als Stützring dienenden metallischen Ring umgeben ist. Der metallische Stützring ist vorzugsweise durch einen Preßsitz entlang dem Umfang des Keramikrings abgedichtet und durch einen Emailüberzug im Bereich der Zwischenfläche zwischen dem Keramikring und dem Stützring verschmolzen. Durch eine Ringnut in dem .Keramikring und dem Stützring wird ein Ringkänal begrenzt. Der metallische Stützring- weist einen Einlaß und einen Auslaß zu dem Ringkanal auf, um ein Kühlmittel durch den Ringkanal zirkulieren zu können.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen.:·

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Dichtungsanordnung mit

einem Dichtungssitz gemäß der Erfindung; und Fig. 2 eine Sehnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungsanordnung 10 enthält eine als Einheit auswechselbare Gleitringdichtung, die eine Welle 12 umgibt, welche sich durch eine Öffnung 14 in eine Behälterwand 16 erstreckt. In an.sich bekannter Weise (DE-OS 2O. 36 243) ist eine Hülse IS an der Welle 12 befestigt. Die mit der Welle rotierende Hülse trägt zwei rotierende Dichtungsringe 20,22. Diese Dichtungsringe bestehen vorzugsweise aus Kohlenstoff und werden durch eine dazwischen angeordnete Feder 24 in axialer Richtung auseinandergedrückt.

Die Dichtungsanordnung weist ein stationäres äußeres Gehäuse 26 auf, das in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Schraubenbolzen 28 an der Behälterwand 16 befestigt sein kann. · Vorzugsweise erfolgt jedoch die Befestigung mit Hilfe einer Losflanschverbindung 30 mit einem geteilten Ring 32.

Am oberen Ende des Gehäuses 26 ist ein stationärer äußerer Dichtungssitz 34 angeordnet. Da dieser äußere Dichtungssitz nicht in Verbindung mit dem Produktraum in dem Behälter steht, kann er aus üblicherweise verwandten Materialien hergestellt sein.

Angrenzend an das untere Ende des Gehäuses 26 ist ein innerer stationärer Dichtungssitz 36 gemäß der Erfindung vorgesehen,dar den korrodierenden Dämpfen in dem Produktraum ausgesetzt ist. Der Bichtungssitz 36 besteht aus einem äußeren Stützring 38. aus Stahl und einem inneren Keramikring 40. Der Keramikring 40 besteht aus einem keramischen Material mit hoher Dichte, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Wolframkarbid oder Siliziumkarbid.

Der Keramikring 40 ist durch Verschmelzen und Preßsitz mit dem Stützring 38 abdichtend verbunden. Der äußere Stützring 38 weist entlang seinem inneren Umfang und seiner Unterseite einen kontinuierlichen Emailüberzug 42 oder einen Überzug aus einem halbkristallinen Glas auf. Dieser Emailüberzug hat zwei Funktionen. Erstens wird dadurch der aus Stahl bestehende Stützring 38 gegen korrodierende Materialien in dem Produktraum geschützt. Der Emailüberzug bildet eine leicht zu reinigende, von Verseuchungen freie Oberfläche, was bei Behältern zur Herstellung von pharma-' zeutischen Produkten, Nahrungsmitteln und dergleichen empfindlichen Produkten von besonderer Bedeutung ist. Zweitens dient der Emailüberzug 42 dazu, den Keramikring 40 mit dem .Stützring 38 gut anhaftend zu verbinden. Diese anhaftende Verbindung wird durch Erhitzen des voremaillierten metallischen Stützrings auf eine so hohe Temperatur bewirkt, daß- sich der Stützring expandiert und dessen Innendurchmesser größer als der AuSendurchmesser des Keramikrings 40 wird.

Der Stützring wird dann aus dem zum Erhitzen dienenden Ofen entfernt und derart angeordnet, daß ein kalter Keramikring in den Stützring eingesetzt werden kann. Die gesamte Anordnung wird dann erneut erhitzt, so daß der Emailüberzug 42 verflüssigt wird. Während dieser Heizperiode dehnt sich der Keramikring aus, so daß er gegen den verflüssigten Emailüberzug angedrückt wird,wodurch eine mechanisch stabile gasdichte Abdichtung zwischen den angrenzenden Oberflächen der beiden Ringe erzielt wird.

Der aus den beiden Ringen bestehende Dichtungssitz wird dann derart abgekühlt, daß sich eine gleichförmige Spannungsverteilung ergibt, durch die eine vorteilhafte Druckspannung auf den Keramikring ausgeübt wird. Die Abmessungen des Stützrings und die Art und. Dicke des Emailüberzugs, und die Abmessungen des Keramikrings

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werden unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungan, der Anforderungen hinsichtlich Abdichtung und verursachten Spannungan in dem Keramikring, dem metallischen Stützring und dem Emailüberzug ausgewählt. Ein derartig hergestellter Dichtungssitz mit einem unter Druckspannung stehenden Keramikring, der von einem metallischen Stützring mit einem korrosionsbeständigen Emailüberzug umgeben ist, gewährleistet/die durch den Emailüberzug gebildete Verbindungsschicht eine starke gasdichte Abdichtung zwischen den angrenzenden Oberflächenbereichen des Stützrings und des Keramikrings; .

Ein weiterer Vorteil eines derartigen Dichtungssitzes ist darin zu sehen, daß er eine harte gleichförmige keramische Dichtungsfläche für den rotierenden Dichtungsring 22 aufweist, daß aber nur eine minimale Menge von keramischem Material für die Bildung dar Dichtung erforderlich ist. Deshalb ist ein derartiger verhältnismäßig großer Dichtungssitz billiger als bei der Herstellung eines Dichtungssitzes aus keramischem Material. Der Dichtungssitz hat ferner eine verbesserte mechanische Festigkeit im Hinblick auf die Montage, so daß beim Anziehen der Dichtungsanordnung in der in Fig. 1 dargestellten Lage praktisch keine Bruchgefahr für den Dichtungssitz 36 besteht. Die Dicke des metallischen Stützrings 38 zwischen seiner Oberseite und seiner Unterseite ist größer als die entsprechende Dicke des Keramikrings 40. Bei einer derartigen Anordnung greift der Karamikring nicht an der Behälterwand an, so daß alle Haltekräfte von dem metallischen Stützring 38 aufgenommen werden. .

Um das Aufsetzen des.Dichtungssitzes 36 auf die Welle 12 zu vereinfachen, wird zunächst der Dichtungssitz an dem Gehäuse 26 angeordnet, indem der Dichtungssitz beispielsweise mit Hilfe eines Hal tarings 60 und Bolzen 62 in dam offenen Ende 58 des Gehäuses angeordnet wird. Zwischen dar Oberseite das Stützrings 38 und einer Endfläche 66 das Gehäuses wird eine Flachdichtung 64 angaordnat, um dort aina Abdichtung zu erzielen. · Eina zweite Flach-· dichtung 68 dichtet zwischen dar emaillierten Untersaite des Stützrings und dar Behälterwand 16 um die Behälteröffnung ab.

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— Q —

Ein weiteres Merkmal dieses Dichtungssitzes 36 ist darin zu sehen, daß der Keramikring 40 eine einen Ringkanal begrenzende Ringnut aufweist-, welcher Ringkanal sich zwischen dem Keramikring

verläuft

4O und dem Stützring 38 erstreckt. Die Ringnut 44/nicht vollständig entlang dem Umfang des Keramikrings, da eine kleine Trennwand 46 aus keramischem Material vorgesehen ist, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll.

Ein Einlaß 48 und ein Auslaß 50 in Form einer Bohrung durch den Stützring 38 stellen eine Verbindung mit der Ringnut 44 auf beiden Seiten der Trennwand 46 her. Deshalb kann ein Kühlmittel wie Wasser oder ein Gas der Ringnut 44 durch den Einlaß 48 zugeführt werden. Das Kühlmittel zirkuliert dann um den Keramikring in dem Ringkanal und tritt durch den Auslaß 50 aus. Mit dem Einlaß 48 und dem Auslaß 50 ist eine Leitung 52 beziehungsweise 54 verschraubt, welche Leitungen sich durch Bohrungen 56 in dem Gehäuse 26 erstrecken und eine Zufuhr von Kühlmittel ermöglichen, das durch den Ringkanal hindurchgeleitet werden soll.

Es wurde festgestellt, daß durch die Kühlmittelzirkulation die Betriebstemperatur der Dichtungsanordnung bei einem Trockenlauf derart verringert werden kann, daß die Standzeit der Dichtungsanordnung erheblich verlängert werden kann und eine Entzündungsgefahr für flüchtige Materialien in dem Produktraum verhindert werden kann. Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der erhöhten Standzeit und der niedrigeren Betriebstemperatur eines derartigen Dichtungssitzes bei einem Trockenlauf im Vergleich zu einer bekannten Dichtungsanordnung dieser Art ohne Verwendung eines inneren Kühlmittels.

Ein erster Versuch wurde mit einer Dichtungsanordnung durchgeführt, welche dieselben Komponenten wie die Dichtungsanordnung in Fig. 1 mit der Ausnahme enthielt, daß keine Kühleinrichtung für den inneren Dichtungssitz vorgesehen war. Nach einer Laufzeit von etwa 1500 Stunden ohne Zuführung eines Schmiermittels zeigte sich, daß an dem rotierenden Dichtungsglied aus Kohlenstoff eine Abnutzung von etwa 0,075 mm festzustellen war. Ferner wurde festgestellt, daß die im Bereich der Dichtungsflächen erzeugte Wärmemenge zu beachten"ist..

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Danach wurde ein Versuch mit der Dichtungsanordnung in Fig. 1 und 2 unter der Verwendung von Wasser, als Kühlmittel durchgeführt. Bei den bei Raumtemperatur durchgeführten Versuchen wurde festgestellt, daß die Dichtflächentemperatur des Keramikrings auf etwa 38 C gehalten werden konnte, wenn etwa 500 cm Wasser pro Minute hindurchgeleitet wurden. Ohne Wasserkühlung ergaben sich Temperaturen von etwa 150 C. Anschließend erfolgtd dann ein Versuch unter Betriebsbedingungen, wie im Zusammenhang mit der zuerst genannten Dichtungsanordnung beschrieben wurde. Nach einer Laufzeit von etwa 2000 Stunden ohne Durchführung einer Schmierung betrug die Abnutzung des rotierenden Dichtungsglieds aus Kohlenstoff weniger als etwa 0,013 mm und während des Betriebs ergaben sich keine nachteilig hohen Temperaturen der Dichtflächen.

Mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde deshalb ein EDichtungssitz geschaffen, der in einer Dichtungsanordnung ohne Schmierung verwandt werden kann, und bei dem keine stärkere Ab- ". nutzung oder Wärmeerzeugung an den Dichtflächen auftritt. Durch Anordnung des emaillierten metallischen Stützrings um den Keramikring mit einer harten abriebfesten Dichtfläche ergibt sich ferner eine verringerte Beschädigungsgefähr während der Montage im Vergleich zu bekannten Dichtungssitzen, die vollständig aus keramischem Material hergestellt sind.

Durch die Anordnung des zur Kühlung dienenden Ringkanals in einer Ringnut in dem Keramikring 40 wird ferner im Vergleich zu der Anordnung des Kühlkanals in dem metallischen Stützring 48 der Vorteil erzielt, daß das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe des ro-

Durch tierenden Dichtungsglieds zirkuliert .f die Verwendung von Email zur Abdichtung zwischen dem Keramikring und dem metallischen Stützring wird eine bessere Abdichtung für das Kühlmittel erzielt, als dies bei Verwendung eines O-Rings oder dergleichen nachgiebigen Dichtungen der Fall ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

.J Dichtungssitz für eine rotierende Dichtungsanordnung, insbesondere für eine Gleitringdichtung, bestehend aus

a) einem Keramikring (40), der eine entlang seinem Außen-

. umfang verlaufende Ringnut (44) und eine eine Dichtfläche bildende Stirnfläche aufweist,

b) einem metallischen Stützring (38) , der den .Keramikring (40) umgibt.und entlang dessen Umfang unter Druckspannung ab-

. dichtend angreift, und dessen innerer Umfang zusammen mit der Ringnut (44) einen geschlossenen, um den Keramikring verlaufenden Ringkanal begrenzt,

c) einem Emailüberzug (42) entlang dem inneren Umfang des Stützrings (38), welcher Emailüberzug eine gasdichte Abdichtung an der Zwischenfläche zwischen dem Stützring (38) und dem Keramikring (40) bildet und den Keramikring mit dem Stützring verschmilzt, und

d) einem Fluideinlaß (48) und einem Fluidauslaß (50) an dem Stützring (38) , um eine Verbindung mit der Ringnut (44) herzustellen.

Dichtungssitz nach Anspruch 1, dadurch gekennze i c h η e t, daß der Keramikring (44) eine sich quer zu der Ringnut (42) erstreckende Trennwand (46) aufweist, die an dem inneren Umfang des Stützrings (38) zwischen dem Einlaß (48) und dem Auslaß (50) angreift und diese voneinander trennt.

3. Dichtungssitz nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h g e kennzeichnet, daß der Emailüberzug (42) sich kontinuierlich entlang dem inneren Umfang und über eine Seitenfläche des Stützrings (38) erstreckt.

4. Dichtungssitz nach Anspruch 3, dadurch ge kenn ze ichnet, daß sich der Emailüberzug (42) nur über die Unterseite des metallischen Stützrings (38) erstreckt.

5. Dichtungssitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ·* durch gekennzeichnet, daß der Keramikring (4O) aus Aluminiumoxid mit hoher Dichte besteht.

6. Dichtungssitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d adurch gekennzeichnet, daß der metallische Stützring (38) aus rostfreiem Stahl besteht.

1'. Dichtungssitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßbohrung und die Auslaßbohrung in dem Stützring (38) angrenzend an dessen äußeren Umfang mit einem Innengewinde zur Befestigung von Ahschlußleitungen (52,54) versehen sind.

8. Dichtungssitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichne t, daß die axiale Dicke das Koramikrings (4O) geringer als die axiale Dicke des metallischen Stützrings (38) ist.

9. Dichtungssitz nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Gleitringdichtung, die eine" sich durch eine Öffnung in einem Behälter erstreckende Welle umgibt, mit einem ringförmigen Gehäuse zur Befestigung an dem Behälter, mit einer die Welleumgebenden Hülse, mit inneren und äußeren rotierenden Dichtungsgliedern, die von der Hülse getragen werden, um gegen einen äußeren stationären Dichtungssitz an dem Gehäuse und gegen den inneren stationären, an dem Gehäuse angeordneten Dichtungssitz abzudichten, dadurch gekennze ichne t, daß der innere Dichtungssitz einen metallischen Stützring aufweist, der in einem Ende des Gehäuses (26) befestigt ist, daß der Stützring (38) einen durch diesen verlaufenden Einlaßkanal (48) und einen daran angrenzenden Aus-

" laßkanal (50) aufweist, welche Kanäle mit Öffnungen in dem

Gehäuse fluchten und zum Anschluß von Leitungen (52,54) dienen, daß der Stützring eine Stirnfläche zum Abdichten gegen die Gehäusewand um die Behälteröffnung aufweist, daß ein kontinuierlicher Emailüberzug sich über den inneren Umfang des Stützrings und die Stirnfläche erstreckt, daß ein Keramikring (40) in dem Stützring angeordnet ist, der eine sich entlang seinem Außenumfang erstreckende Ringnut (44) aufweist, die in Verbindung mit dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal steht, sowie eine als Dichtfläche dienende Stirnfläche, an welcher Dichtfläche das rotierende innere Dichtungsglied angreift, daß die axiale Dicke des Keramikrings kleiner als die axiale Dicke des Stützrings ist, daß der Stützring unter Ausübung einer Druckspannung entlang dem Umfang des Keramikrings angreift, und daß der Emailüberzug auf dem Stützring diesen mit dem Keramikring verschmilzt und eine gasdichte Abdichtung im Bereich der angrenzenden Zwischenflächen zwischen dem Keramikring und dem Stützring bildet. '