DE3930443C2 - Kolbenringanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenringanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die für einen Druck­ kolben oder einen Verdrängerkolben zu verwenden ist.

Aus der Druckschrift JP 55-94 440 ist eine gattungsge­ mäße Kolbenringanordnung bekannt, bei der eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder als Spreizring wirkt. Diese Schraubenfeder steht entlang dreier Berüh­ rungslinien in Anlage, nämlich der Grundfläche einer Nut, einer Seitenwandung der Nut sowie der Schrägfläche eines Dichtringes. Bei einer Änderung des Dichtring­ durchmessers als Folge der Abdichtfunktion verändert sich zwangsläufig der Durchmesser, der als Spreizring wirkenden Schraubenfeder. Hierbei schneiden bei längerer Betriebsdauer die einzelnen Windungen der Schraubenfeder in das Dichtringmaterial ein, woraus sich eine entspre­ chende Beschädigung ergibt, die die Lebensdauer der ge­ samten Kolbenringanordnung stark einschränkt. Ein weite­ rer Nachteil liegt darin, daß das abzudichtende Fluid, das einmal die hochdruckseitige Anlage des Dichtringes an der Nutwandung passiert hat, freien Durchgang zum Niederdruckbereich durch die Spiralen der Schraubenfeder besitzt. Somit gewährleistet diese Kolbenringanordnung keine zuverlässige Abdichtung.

Aus der Druckschrift DE-GM 19 53 037 ist des weiteren eine Kolbenringanordnung bekannt, bei der ein Gleitring gegen die Gleitflächen einer Zylinderwand angepreßt ist, wobei, um einen Spalt zwischen dem Gleitring und dem Kolben abzudichten, ein Dichtring eingelegt ist. Die am Kolben anliegende Fläche dieses Dichtringes ist zylin­ drisch und seine am Gleitring anliegende Fläche ist ke­ gelig ausgeführt, wobei der Dichtring mittels einer Kraft zwischen den Gleitring und den Kolben eingepreßt wird.

Aus der Druckschrift GB 11 50 938 ist als Spreizring eine in sich geschlossene, ringförmige Schraubenfeder bekannt, die in an sich aus der Druckschrift JP 55-94 440 bekannter Weise verwendet wird, deren Nachteile bereits herausgestellt worden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Kolbenringan­ ordnung zu schaffen, bei der einerseits eine Beschädi­ gung des Dichtringes und damit eine Verkürzung der Le­ bensdauer der Kolbenringanordnung nicht auftritt, wäh­ rend andererseits die Abdichtungsqualität erhöht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale in den kennzeich­ nenden Teilen der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.

Gemäß diesen Merkmalen ist ein Dichtringkörper aus Kunstharzmaterial wie Polytetrafluorethylen mit einem Stoßfugenbereich in Doppel­ schrägwinkel-Ausführung einschließlich einer doppelt gerun­ deten und doppelt gestuften Ausführung vorgesehen, wobei an der Abschrägung dessen innerer Umfangsfläche eine ringförmige Runddrahtfeder als Spreizring mit Aufweitungs­ fähigkeit angesetzt ist.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Kolbenringanordnung so ausgebildet werden, daß sie einen Dicht­ ringkörper aus einem Kunststoffmaterial wie Polytetrafluorethylen oder dergleichen aufweist, der an seiner inneren Umfangsfläche mit einer Abschrägung geformt ist, an die eine ringförmige Feder mit rechteckigem Querschnitt als Spreizring und Aufwei­ tungsfähigkeit angesetzt ist.

Da die ringförmige Feder Eigenaufweitungsfunktionen hat, wodurch der Dichtring gegen die Innenumfangsfläche des Zy­ linders sowie auch über die Abschrägung des Dichtrings gegen die Wandfläche der Nut für den Dichtring gedrückt wird, bewegt sich der Dichtring auch dann nicht berührungsfrei bzw. schwebend in der Nut, wenn der Kolben mit niedriger Bewegungsgeschwindigkeit hin- und herbewegt wird und an dem Dichtring ein niedriger Differenzdruck des Gases wirkt, wodurch in Verbindung mit den vorstehend genannten besonders geformten Stoßfugenbereichen eine starke Dichtwirkung er­ reicht wird.

Da im einzelnen erfindungsgemäß die ringförmige Runddrahtfe­ der und der Körper des Dichtrings eine durchgehende Berüh­ rungsfläche bilden und die ringförmige Runddrahtfeder nicht in den Körper des Dichtrings einschneidet, ist die Federwir­ kung gleichmäßig. Dies erlaubt eine ziemlich gute Anpassung des Körpers des Dichtrings an die Feder. Da ferner die Kraftkomponenten abhängig von der Neigung der Abschrägung veränderbar sind, kann auf einfache Weise eine Abstimmung der Andruckkraft des Dichtringkörpers gegen die Wandfläche des Zylinders erreicht werden.

Da darüber hinaus die Stoßfugenbereiche des Rings die Doppel­ schrägwinkelform, einschließlich Stoßfugen mit doppelter Rundung oder Stufung haben und das Schweben des Dichtrings in der Nut hierfür verhindert ist, kann die Dichtungsfläche verkleinert und infolgedessen mit sehr geringen Kosten er­ stellt werden.

Da andererseits durch die ringförmige Feder mit dem Recht­ eckquerschnitt und der Eigenaufweitungsfähigkeit der Dicht­ ring gegen die Innenumfangsfläche des Zylinders sowie über die Abschrägung an der Innenumfangsfläche des Dichtrings gegen die Wandfläche der Nut für den Dichtring gedrückt wird, bewegt sich der Dichtring in der Nut hierfür selbst. dann nicht berührungsfrei bzw. schwebend, wenn sich der Kolben mit niedriger Geschwindigkeit hin- und herbewegt und an dem Dichtring ein niedriger Differenzdruck des Gases wirkt. Dadurch ist die Dichtwirkung verbessert. Da darüber­ hinaus im Vergleich zu einer Runddrahtfeder eine starke Aufweitungskraft mit geringer Durchbiegung erreicht werden kann, ist es nicht notwendig, im voraus den freien Außen­ durchmesser der freien ringförmigen Feder festzulegen, oder es wird niemals der Innendurchmesser der freien ringförmigen Feder größer als der Außendurchmesser des Kolbens, wodurch die Feder auf einfache Weise an den Kolben angesetzt bzw. in den Zylinder eingesetzt werden kann.

Da im einzelnen erfindungsgemäß die ringförmige Feder mit dem Rechteckquerschnitt und der Körper des Dichtrings eine durchgehende Berührungsfläche bilden, schneidet bzw. greift die ringförmige Feder mit dem Rechteckquerschnitt nicht in den Körper des Rings, wodurch eine gleichmäßige Federwirkung erzielbar ist. Da die erforderliche Aufweitungskraft mit einer geringeren Durchbiegung als bei der ringförmigen Rund­ drahtfeder aufgebracht werden kann, kann damit eine sehr dehnbare Feder auf zweckdienliche Weise an dem Kolben bzw. in dem Zylinder angebracht werden, ohne daß dabei der Dicht­ ringkörper beschädigt wird.

Infolgedessen kann der Ringkörper gut an die Innenumfangs­ fläche des Zylinders oder die Wandfläche der Nut für den Dichtring angepaßt werden. Ferner können die Kraftkomponen­ ten entsprechend dem Neigungswinkel der Abschrägung verän­ dert werden, so daß auf einfache Weise die Andruckkraft des Ringkörpers gegen die Innenumfangsfläche des Zylinders oder die Wandfläche der Nut für den Dichtring eingestellt werden kann.

Da darüber hinaus die Stoßfugenbereiche des Dichtrings durch Doppelwinkel- bzw. Doppelschrägwinkel-Formung gestaltet wer­ den und das Schweben bzw. berührungslose Bewegen des Dicht­ rings in der Nut hierfür verhindert ist, kann die Dichtungs­ fläche verkleinert und zu sehr geringen Kosten erstellt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen definiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrie­ ben, in denen durchgehend gleiche oder gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Rings mit einem Stoßfugenbereich, der eine Doppel­ schrägwinkel-Ausführung aufweist.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Kolbenring­ anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Vergleichs zwischen einem Ausführungsbeispiel der Kolbenring­ anordnung und einer Kolbenringanordnung nach dem Stand der Technik hinsichtlich des Gasdurchtritts.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Kolbenring­ anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kolbenringanordnung. Eine Kolbenringanordnung 11, die in eine für einen Dichtring vorgesehene Nut eines Kolbens 4 einsetzbar ist, besteht aus Polytetra­ fluorethylen (PTFE), das mit einem besonderen Füllmaterial wie Glasfasern oder dergleichen in einem Verhältnis von 20% gemischt ist, und umfaßt einen Dichtringkörper 12, dessen Stoßfugenbereiche durch Doppelwinkel- bzw. Doppel­ schrägwinkel-Formung bzw. Prismaformung gemäß Fig. 1 gebil­ det sind. Der Dichtringkörper 12 ist an der inneren Umfangs­ fläche mit einer Abschrägung 13 versehen. Die Kolbenringanordnung 11 enthält ferner eine ringförmige Runddrahtfeder 14, die Aufweitungsfähigkeit hat und die zum Ansetzen an die Abschrägung ausgebildet ist. Als ringförmige Runddrahtfeder 14 wird beispielsweise eine Rund­ drahtfeder aus rostfreiem Stahl wie SUS304 oder mit PTFE beschichtetem oder mit einem Schlauch hieraus bedecktem SUS304 verwendet. Selbstverständlich kann irgendein anderes Material verwendet werden, solange es nicht bei niedrigen Temperaturen spröde wird, sondern gute Elastizität hat.

Durch die Verwendung der ringförmigen Runddrahtfeder 14 kann der Dichtringkörper 12 infolge seiner Elastizität nach unten zu und in radialer Richtung nach außen zu gedrückt werden und somit gegen die Wand der Nut für den Dichtring und die Innenumfangsfläche des Zylinders angedrückt werden. Als Folge davon wird selbst dann, wenn der an dem Kolbenring wirkende Gasdifferenzdruck gering ist und der Kolben 4 mit geringer Geschwindigkeit hin- und herbewegt wird, der Dicht­ ringkörper nicht in den berührungsfreien bzw. Schwebezustand versetzt, während die ringförmige Runddrahtfeder 14 nicht in den Dichtringkörper 12 wie die Schraubenfeder nach dem Stand der Technik einschneidet, so daß der Dichtringkörper 12 gut an die Innenumfangsfläche des Zylinders angepaßt werden kann, wodurch die Dichtwirkung außerordentlich hoch wird.

Eine herkömmliche Kolbenringanordnung und eine solche nach dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel, bei der jedoch die ringförmige Rund­ drahtfeder in diesem Fall nicht mit PTFE beschichtet war, wurden jeweils an einem Kolben angebracht und der den Kolben enthaltende Zylinder wurde mit flüssigem Stickstoff auf Temperaturen von -100±10°C abgekühlt, wobei der Kolben mit einer Geschwindigkeit von 150 Hüben je Minute hin- und her­ bewegt wurde. In eine der Kammern wurde Stickstoffgas einge­ leitet, mit dem der Differenzdruck zwischen den beiden Kam­ mern an der Kolbenringanordnung auf 0,2 bis 2,5 kg/cm² eingestellt wurde. Dann wurde das Hindurchtreten des Gases über die Kolbenringanordnung gemäß dem jeweiligen Beispiel gemessen. Die Meßergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß das eine Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kolbenringanordnung ergibt, mit der im Bereich niedrigen Differenzdrucks von 0,2 bis 0,5 kg/cm² eine besonders hohe Dichtwirkung erzielbar ist.

In der Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Kolbenringanordnung gezeigt. Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Dichtringkörper 12 hat an seiner Innenumfangsflä­ che die Abschrägung 13. Die Kolbenringanordnung 11 ist mit einer ringförmigen Feder 14 mit rechteckigem Querschnitt und Aufweitungsfähigkeit versehen, wobei die Feder 14 zum Ansetzen an die Abschrägung ausgebildet ist. Die ringförmige Feder 14 kann beispielsweise aus rost­ freiem Stahl bestehen, wie aus SUS304 oder mit PTFE be­ schichtetem oder mit einer PTFE-Röhre überzogenem SUS304. Selbstverständlich kann irgendein anderes Material verwendet werden, falls es nicht bei niedrigen Temperaturen spröde wird, sondern gute Elastizität zeigt.

Die ringförmige Feder 14 mit dem rechteckigen Querschnitt kann auf gleichartige Weise wie die in Fig. 2 gezeigte Feder 14 den Dichtringkörper 12 nach unten und radial nach außen drücken, wodurch auch infolge der Elastizität der Dichtring­ körper 12 gegen die Wandfläche der hierfür vorgesehenen Nut und die Innenumfangsfläche des Zylinders gedrückt wird. Infolgedessen wird selbst dann, wenn der an dem Dichtring­ körper wirkende Gasdifferenzdruck niedrig ist und der Kolben 4 mit geringer Geschwindigkeit hin- und herbewegt wird, der Dichtringkörper 12 nicht in einen Schwebezustand oder berüh­ rungslosen Zustand versetzt; die ringförmige Feder 14 mit dem Rechteckquerschnitt schneidet nicht wie die als ringför­ mige Feder nach dem Stand der Technik benutzte Schraubenfe­ der aus dem dünnen Draht oder infolge eines falschen Einfüh­ rens in den Zylinder 3 in den Dichtringkörper 12 ein, weil eine starke Durchbiegung für die erforderliche Aufweitung vermieden ist; es ergibt sich daher eine gute Anpassungsfä­ higkeit des Dichtringkörpers an die Innenumfangsfläche des Zylinders und die Wandfläche der Nut für den Dichtring, wodurch eine beträchtlich hohe Dichtwirkung erreichbar ist.

Claims (4)

1. Kolbenringanordnung für ein Fluid mit niedrigem Differenzdruck, bestehend aus einem Dichtring und einem Spreizring, wobei der im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmige Dichtring entlang seiner inneren Umfangs­ fläche eine Abschrägung aufweist, mit welcher der Spreizring in Anlage steht, gekennzeichnet durch einen Dichtringkörper (12) aus Kunstharzmaterial wie Polyte­ trafluorethylen, der einen Stoßfugenbereich in Doppel­ schrägwinkel-Ausführung und eine an die Abschrägung (13) ansetzbare ringförmige Runddrahtfeder (14) als Spreizring besitzt.

2. Kolbenringanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ringförmige Runddrahtfeder (14) an ihrer Oberfläche eine Schicht aus dem gleichen Material wie der Dichtringkörper (12) aufweist.

3. Kolbenringanordnung für ein Fluid mit niedrigem Differenzdruck, bestehend aus einem Dichtring und einem Spreizring, wobei der im Querschnitt im wesentlichen rechteckförmige Dichtring entlang seiner inneren Umfangs­ fläche eine Abschrägung aufweist, mit welcher der Spreizring in Anlage steht, gekennzeichnet durch einen Dichtringkörper (12) aus einem Kunststoffmaterial, wie Polytetrafluorethylen oder dergleichen, der an seiner inneren Umfangsfläche eine Abschrägung (13) hat, und eine ringförmige Feder (14) mit rechteckigem Querschnitt als Spreizring, die an die Abschrägung ansetzbar ist.

4. Kolbenringanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ringförmige Feder (14) mit dem rechteckigen Querschnitt an ihrer Oberfläche eine Schicht aus dem gleichen Material wie der Dichtringkör­ per (12) hat und der Dichtringkörper eine Stoßfuge in Doppelschrägwinkel-Ausführung hat.