DE69117655T2

DE69117655T2 - Spielfreie Stützringe für die Beschränkung von PTFE-Packungen

Info

Publication number: DE69117655T2
Application number: DE69117655T
Authority: DE
Inventors: Wilbur Dean Hutchens
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2011-10-10
Also published as: FI100129B; EP0483097A1; FI914804A; KR920008393A; JPH04258574A; AU8576291A; JP2001000017U; CA2053355A1; MX9101563A; ATE135093T1; AU649724B2; DE69117655D1; JP2607779Y2; FI914804A0; CA2053355C; ZA918138B; EP0483097B1; US5131666A

Description

Die Erfindung betrifft Packungsumschließungen zum Abdichten von Betätigungselementen in einem Gehäuse mit Fluiden, speziell eine Packungsumschließungsanordnung, um Extrusionen der Packung bei hohen Drücken und hohen Temperaturen zu verhindern.
Die veröffentlichte EP-Patentanmeldung EP-A-0 308 390 zeigt eine Ventilspindel-Packungsumschließung für Hochdruck- und Hochtemperaturbetrieb. Die in einem Ventilkörper positionierte Ventuspindel ist von einer Packung umgeben, um die Ventuspindel darin abzudichten. Die Packung unterliegt Belastungsmitteln, um auf das Packungsmaterial eine Belastung aufzubringen und aufrechtzuerhalten. Um die Ventilspindel herum sind obere und untere Abstreifringe angeordnet, wobei jeder Ring im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Ventuspindel hat und mit der Ventuspindel einen leichten Festsitz bildet. Der Dichtungspacker weist einen Umfangsbereich mit enger dimensionsmäßiger Toleranz zwischen dem Durchmesser des Umfangsbereichs und dem Durchmesser der Packungsbohrung auf.
Packungsmaterial wird vielfach verwendet, um einen Fluidleckstrom um ein Betätigungselement in einem Gehäuse mit Fluid wie etwa einer drehbaren Welle oder einer gleitenden Spindel in Fluidregelventilen oder einer Hubkolbenpumpenwelle zu verhindern. Normalerweise besteht eine solche Packung aus einem elastischen Bauelement und ist unter einer statischen Belastung angeordnet, indem sie in ihrer Position innerhalb einer Stopfbüchse um das Betätigungselement herum verschraubt ist. In anderen Fällen unterliegt die Packung einer Federbelastung in einer als treibend belastet bekannten Packungskonfiguration. Eine treibend belastete Packung ist besonders nützlich, wenn ein Leckstrom von unerwünschten fluiden in die Umgebung verhindert werden soll. Außerdem ist es erwünscht, allgemein verfügbares Packungsmaterial aus Polytetrafluorethylen (PTFE) zu verwenden, und zwar wegen der Reaktionsträgheit eines solchen Materials und seines geringen Reibungsangriffs an einem Betätigungselement.
Es wurde jedoch gefunden, daß bei dem Versuch, PTFE- Packungen in einer treibend belasteten Packungskonfiguration zu verwenden, wobei die PTFE-Packung ständig mit einem Belastungspegel, d. h. 13.790 bis 27.580 kPa (2000 bis 4000 psi) belastet wird, Kaltfließen und Extrusion der PTFE-Packung aus dem Abdichtbereich heraus bewirkt werden. Andererseits wird normalerweise verlangt, daß die PTFE- Packung in der Umschließungsanordnung ständig unter Last steht, so daß die Packung fest in der Anordnung sitzt und eine hermetische Abdichtung gegenüber dem Betätigungselement beibehält. Im allgemeinen hat es sich als notwendig erwiesen, eine PTFE-Packung, die unter hohen Umgebungsdrücken von ca. 6895 bis 13.790 kPa (1000 bis 2000 psi) betrieben wird, ständig zu belasten, was zu unerwünschter Extrusion der PTFE-Packung, einem Fluidleckstrom sowie erhöhtem Verschleiß und eventueller Schädigung des Betätigungselements führt.
Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung von PTFE- Packungsmaterial auftritt, hat seine Ursache in dessen thermischer Ausdehnungscharakteristik, die ungefähr das Zehnfache derjenigen von Metall ist. Somit muß die volumetrische Ausdehnung einer PTFE-Packung bei der Bestimmung der Größe des Federwegs, der notwendig ist, um eine hinreichende Belastung der Packung aufrechtzuerhalten, nachdem sie eine thermische Wechselbeanspruchung durchlaufen hat, bedacht werden. Das ist ein spezielles Problem unter Hochtemperatur- Betriebsbedingungen, also bei Temperaturen von mehr als 121 ºC (250 ºF).
Bisherige Versuche, das Problem der PTFE-Extrusion zu lösen durch Vorsehen von Extrusionsschutzeinrichtungen wie etwa flachringelementen auf jeder Seite der PTFE-Packung, die an dem Betätigungselement wie etwa einer Ventilspindel engpassend anliegen, haben das Problem in Fällen, in denen strikte Auflagen hinsichtlich der Emissionskontrolle zu erfüllen sind, nicht beseitigt. Wenn der Sitz zwischen Ring und Spindel extrem fest gemacht wird, um eine Extrusion zu verhindern, führt das zu Schwierigkeiten bei der Montage des Rings auf der Spindel oder Achse und einer zu starken Spindelreibung und kann zu einer Blockierung der Ventilspindel oder des Betätigungselements führen. Eine Verringerung des Festsitzes zwischen dem Ringelement und der Ventilspindel erleichtert die Montage und verringert die Reibung, führt jedoch zu PTFE-Extrusion in einem Umfang, der die strengen Anforderungen an die Fluidemissionskontrolle bei bestimmten Fluiden nicht erfüllt.
Es ist daher erwünscht, eine Packungsumschließungsanordnung mit Extrusionsschutzmaßnahmen anzugeben, die die Extrusion von PTFE-Packungsmaterial verhindert und strenge Kontrollanforderungen hinsichtlich eines Fluidleckstroms erfüllt, während gleichzeitig ein ordnungsgemäßer Betrieb des Betätigungselements, das mit dem Packungsmaterial abgedichtet ist, ermöglicht wird. Außerdem ist es erwünscht, eine verbesserte Packungsanordnung anzugeben, die eine Verringerung der PTFE-Menge in der Packung erlaubt, was besonders dann erwünscht ist, wenn der Betrieb unter Hochtemperatur-Umgebungsbedingungen stattfindet.
Durch die Erfindung wird eine verbesserte Packungsumschließungsanordnung gemäß der Definition in Anspruch 1 bereitgestellt. Die Packung ist zwischen entgegengesetzten Extrusionsschutzringen eingeschlossen, wobei jeder Ring ein "Nullspiel"- bzw. spielfreier Ring ist, dessen Innendurchmesser geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Betätigungselements ist, um mit dem Betätigungselement einen Festsitz zu bilden. Der spielfreie Extrusionsschutzring weist bevorzugt einen Schrägschnitt durch den Ring, d. h. dort, wo der Ring geteilt oder getrennt ist, auf, so daß die Trennung an einer Endfläche des Rings in bezug auf die Trennung an der entgegengesetzten Oberfläche des Rings seitlich angeordnet ist.
Die Teilung des Rings ermöglicht dem spielfreien Ring, im Festsitz auf dem Betätigungselement angeordnet zu werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der ein Schrägschnitt vorgesehen ist, ist der Ring unter einem Winkel oder in Form eines überlappten Stufenschnitts geteilt.
Der Außendurchmesser des Rings ist geringfügig kleiner als die Packungsbohrung in dem Gehäuse ausgebildet. Ein auf die vorgenannte Weise ausgebildeter spielfreier Extrusionsschutzring kann sich ungehindert entlang dem Betätigungselement bewegen, während gleichzeitig ein Festsitz zwischen dem Außendurchmesser des Betätigungselements und dem Ringinnendurchmesser aufrechterhalten wird, um eine Extrusion des PTFE-Packungsmaterials zu verhindern. Es hat sich als wichtig herausgestellt, dem Extrusionsschutzring zu ermöglichen, sich in Axialrichtung entlang dem Betätigungselement bewegen zu können, um so die Stopfbüchsenbelastung auf die Packung zu übertragen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein spielfreier Extrusionsschutzring in Gestalt eines positiven Adapterbereichs einer normalen PTFE-Packungsringanordnung ausgebildet und weist ebenfalls einen Schrägschnitt wie vorher beschrieben auf. Es wurde gefunden, daß die Verwendung eines spielfreien Extrusionsschutzrings in Gestalt eines positiven Adapters in einer normalen PTFE-Packungsanordnung gemäß der Erfindung eine Volumenverringerung von PTFE in der Packungsanordnung ermöglicht. Ein spielfreier, einen Schrägschnitt aufweisender Positivadapterring ist besonders nützlich bei einer Doppelpackungskonfiguration, um die Belastung der unteren Packungsgruppe aufrechtzuerhalten und die Menge an PTFE in der Stopfbüchse vorteilhaft zu verringern. In jeder Doppelpackung wird jeweils nur ein entsprechendes negatives PTFE-Packungselement benötigt.
Extrusionsschutzringe sind besonders vorteilhaft, weil der Ring in der Stopfbüchse nicht volumetrisch eingeschlossen ist. Daher braucht nur die lineare Expansion des Materials des Extrusionsschutzrings berücksichtigt zu werden, wenn der Federweg bestimmt wird, der für das treibend belastete Packungssystem notwendig ist.
Es wurde gefunden, daß ein von PTFE verschiedenes Polymermaterial für den spielfreien Extrusionsschutzring verwendet werden sollte. Insbesondere wird es bevorzugt, die spielfreien Extrusionsschutzringe aus einem linearen hochdruckfe sten aromatischen Polymer wie Polyetheretherketon (PEEK) zu bilden. Außer einem linearen hochdruckfesten Polymer können auch andere Polymere, die von PTFE verschieden sind, verwendet werden, und es kann auch anderes von PTFE verschiedenes Material verwendet werden, wenn es die nachstehenden Charakteristiken hat:
1. Es zeigt höhere Festigkeit als PTFE;
2. es erfährt unter Belastung geringere Formänderung als PTFE; und
3. es hat Verschleißeigenschaften, die mit dem Betätigungselement oder Pumpenelement kompatibel sind.
Das Verständnis der Erfindung ergibt sich am besten in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche Bezugszeichen haben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung, die eine Packungsumschließung zum Abdichten eines Ventils einer Welle mit spielfreien Extrusionsschutzringen in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine Packungsumschließung mit einem spielfreien, als positiver Adapter ausgelegten Extrusionsschutzring zeigt;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform, die eine Doppelpackungsumschließungsanordnung in einem treibend belasteten Packungszustand zeigt;
Fig. 4 eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines flachen, einen Schrägschnitt aufweisenden spielfreien Extrusionsschutzrings;
Fig. 5 eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform eines einen Schrägschnitt aufweisenden, spielfreien Extrusionsschutzrings, der eine keilförmige obere Oberfläche hat;
Fig. 6 eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform, wobei ein mit Stufenschnitt versehener, spielfreier Extrusionsschutzring gezeigt ist;
Fig. 7 eine Perspektivansicht eines anderen spielfreien Extrusionsschutzrings mit einer Bruchstelle gemäß einer anderen Ausführungsform; und
Fig. 8 eine Perspektivansicht noch einer anderen Ausführungsform eines spielfreien Extrusionsschutzrings, der einen mit Schrägschnitt versehenen positiven Adapterring für eine PTFE-Packung aufweist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die Fig. 1 und 2 spielfreie Extrusionsschutzringe für die Umschließung einer PTFE-Packung in einer Einzelpackungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform. Fig. 3 zeigt spielfreie Extrusionsschutzringe für die Umschließung einer PTFE-Packung in einer doppelpackungskonfiguration gemäß einer anderen Ausführungsform. Fig. 3 veranschaulicht eine treibend belastete Pakkungskonfiguration. Es versteht sich, daß die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Packungskonfigurationen ebenfalls entweder einem treibenden Belastungszustand oder einem herkömmlichen, statischen Belastungssystem unterliegen.
Ferner kann jede der Packungsumschließungen, die in den Fig. 1 bis 3 gezeigt sind, PTFE-Packungsbeanspruchungen unter kontinuierlichen Belastungsbedingungen bis zu einem Beanspruchungspegel von 13.790 bis 27.580 kPa (2000 bis 4000 psi) aufnehmen. Unter so hohen Beanspruchungswerten würde normalerweise ein Kaltfließen und eine Extrusion der PTFE- Packung aus dem Abdichtbereich von herkömmlichen Stopfbüchsenkonstruktionen stattfinden. Das Merkmal der zuverlässigen Abdichtung gemäß der Erfindung ist besonders wichtig, wenn toxische Fluide durch ein Strömungsventil oder eine Pumpe geleitet werden, oder auch bei anderen, ähnlich strikten Bestimmungen in bezug auf einen Fluidleckstrom.
Es versteht sich außerdem, daß die Ausführungsform in Verbindung mit dem Ventil einer drehbaren Welle nur zum Zweck der Erläuterung angegeben ist, denn die Prinzipien der Erfindung sind ebenso bei Gleitspindelventilen, Pumpen und anderen Vorrichtungen anwendbar, in denen ein Betätigungselement sich in einem Gehäuse bewegt und das Betätigungselement gegenüber Fluid abzudichten ist, das durch das Gehäuse strömt oder in dem Gehäuse enthalten ist.
Fig. 1 zeigt eine Packungsumschließung 10 zum Abdichten eines Betätigungselements gegenüber einem Gehäuse wie etwa einer drehbaren Spindel 12 in einem Ventilkörpergehäuse 14. Eine Packung 16 umgibt die Ventilspindel 12 und besteht aus einer Serie von Ringen des Typs, der gewöhnlich als V- Packung bezeichnet wird. Wie Fig. 1 zeigt, sind fünf V-Ringe in der Packung 16 vorgesehen, umfassend einen oberen Negativring 16a, drei identische mittlere Ringe 16b und einen unteren Positivring 16c. Die V-Packung 16 besteht aus PTFE (Polytetrafluorethylen - einem Kunstharzpolymer), und daher ist die Packung 16 im Handel als "PTFE-Packung vom V-Typ" bekannt.
Eine Packung, die aus einem anderen geeigneten Material oder aus anderen Kunstharzpolymeren geformt ist, die ähnliche Eigenschaften wie PTFE haben, z. B. geringe Elastizität, kleinen Reibbeiwert und gute Schmiereigenschaften, kann ebenfalls verwendet werden. Eine PTFE-Packung ist vorteilhaft wegen ihrer Reaktionsträgheit und geringen Reibungseigenschaften. Die PTFE-Packung 16 wird durch einen Dichtungspacker 15 an einem Ende und einen Stopfbüchsenring 17 am anderen Ende unter geeigneter Belastung in der Packungsbohrung gehalten.
Normalerweise würde eine PTFE-Packung 16 unter Bedingungen einer ständigen Lastbeanspruchung von 13.790 bis 27.580 kPa (2000 bis 4000 psi) beginnen, kaltzufließen und aus dem Dichtungsbereich zu extrudieren, so daß dadurch ein Fluidleckstrom verursacht werden würde. Aber zwei spielfreie Extrusionsschutzringe 18 an entgegengesetzten Seiten der Packung 16 ermöglichen die kontinuierliche Belastung der PTFE-Packung 16 auf diese höheren Beanspruchungswerte, während gleichzeitig eine gute Abdichtung bei Betriebsdrücken des Ventilfluids von 6895 bis 13.790 kPa (1000 bis 2000 psi) aufrechterhalten wird. Jeder spielfreie Extrusionsschutzring 18 ist aus einem hochfesten Polymermaterial geformt und hat einen Innendurchmesser, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Welle 12 ist. Jeder Ring 18 ist außerdem mit einem abgewinkelten Schrägschnitt geteilt, um einen radialen Festsitz auf der Welle 12 zu ermöglichen, während gleichzeitig eine leichte Montage des Rings auf der Welle 12 zugelassen wird. Außerdem ist der Außendurchmesser der spielfreien Extrusionsschutzringe 18 geringfügig kleiner als die Packungsbohrung in dem Ventilgehäuse 14.
Die vorstehenden Anforderungen an einen spielfreien Extrusionsschutzring 18 stellen sicher, daß zwischen dem außenseitigen Durchmesser der Welle 12 und dem innenseitigen Durchmesser des Rings immer entweder kein Spiel oder ein Festsitz vorhanden ist, um eine Extrusion des PTFE- Packungsmaterials zu verhindern, während gleichzeitig eine Axialbewegung der Extrusionsschutzringe entlang der Welle zugelassen wird. Die Fähigkeit der Extrusionsschutzringe, sich ungehindert entlang der Welle bewegen zu können, ist aus den nachstehenden Gründen notwendig:
(1) Es soll dem treibend belasteten Dichtungspacker möglich sein, der Bewegung der PTFE-Packung zu folgen, die auftritt, wenn die Packung thermischen Wechselbeanspruchungen unterliegt; und
(2) die Belastung der unteren Packungsgruppe bei einer Doppelpackungskonfigurat ion soll aufrechterhalten werden. Daher sind die Ringe 18 nicht volumetrisch umschlossen, so daß nur die lineare Ausdehnung des Ringmaterials berücksichtigt werden muß, wenn der Federweg bestimmt wird, der in einem treibend belasteten Packungssystem erforderlich ist.
Es wird bevorzugt, daß die Ringe 18 aus einem Polymermaterial geformt sind, das höhere Festigkeit als PTFE bei geringerer Formänderung unter Belastung als PTFE hat und das hinsichtlich der Verschleißcharakteristiken mit der Welle 12 kompatibel ist. Es wird bevorzugt, Extrusionsschutzringe 18 zu verwenden, die aus einem linearen hochdruckfesten Polymer wie etwa Polyetheretherketon (PEEK) geformt sind. Andere Materialien zum Formen der Ringe 18 können ebenfalls verwendet werden, etwa ein genau geformter Kohlenstoffring oder auch ein Metallring, wenn das Metall mit der Welle kompatible Verschleißeigenschaften hat.
Fig. 4 zeigt einen flachen, einen Schrägschnitt aufweisenden spielfreien Extrusionsschutzring 18. Die obere Oberfläche 20 und die dazu entgegengesetzte Oberfläche 22 sind zueinander parallel. Der Ring 18 ist durch einen Schrägschnitt 24 geteilt, der von einem Schneidwerkzeug gebildet ist, das unter einem Winkel zu der Ebene des Rings 18 angeordnet wird, um eine überlappende Verbindung zu bilden. Die Schnittlinie 26 an der oberen Oberfläche 20 ist gegenüber der Schnittlinie 28 an der unteren Oberfläche 22 seitlich versetzt. Ferner ist, wie bereits beschrieben wurde, die innere Oberfläche 30 des Rings 18 maschinell so bearbeitet, daß der Innendurchmesser des Rings geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Welle 12 ist. Der Schrägschnitt 24 erlaubt die leichte Montage des Rings 18 auf der Welle 12 derart, daß ein spielfreier Festsitz zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser des Rings erhalten wird. Außerdem ist die äußere Oberfläche 32 des Rings maschinell bearbeitet, daß ihr Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Durchmesser der Packungsbohrung in dem Ventilgehäuse 14 ist.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines spielfreien Extrusionsschutzrings 34, der in jeder Hinsicht dem Ring 18 von Fig. 4 gleicht mit der Ausnahme, daß die Oberfläche 36 keilförmig ist, so daß die innere Oberfläche 38 des Rings dicker als die äußere Oberfläche 40 ist. Die keilförmige Oberfläche 36 kann dazu beitragen, der PTFE-Packung 16 zu ermöglichen, auf den Extrusionsschutzring eine zusätzliche Belastung in Richtung der Welle aufzubringen.
Fig. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines spielfreien Extrusionsschutzrings 42 gemäß der Erfindung. Der Ring 42 gleicht vollständig dem Ring 18 von Fig. 4 mit der Ausnahme, daß der Ring 42 durch einen Stufenschnitt 44 anstelle eines abgewinkelten Schrägschnitts geteilt ist, um eine überlappende Verbindung zu bilden. Der Stufenschnitt 44 kann so vorgesehen sein, daß der Schnitt 46 an der einen Oberfläche zu dem Schnitt 48 an der entgegengesetzten Ringoberfläche seitlich verlagert ist.
Wie bereits erwähnt, wird es bevorzugt, daß die Ringe 18, 34 und 42 aus einem linearen hochdruckfesten Polymer wie etwa PEEK geformt sind. Falls gewünscht, kann ein spielfreier Extrusionsschutzring auch von einem Kohlenstoffring 50 gebildet sein, der gekerbt und mittels eines Bruchs 52 geteilt wird, um eine nichtüberlappte Stoßverbindung zu bilden. Der Ring 50 hat eine innere Oberfläche 54, die mit einem geringfügig kleineren Innendurchmesser als der Durchmesser der Welle 12 geformt ist, und eine äußere Oberfläche 56 mit einem geringfügig kleineren Durchmesser als die Packungsbohrung im Ventilgehäuse 14, was ähnlich wie die Konstruktion der Ringe 18, 34 und 42 ist. Außerdem ermöglicht die Bruchstelle 52 dem Kohlenstoffring 50, auf ein Betätigungselement ohne Spiel oder im Festsitz mit dem Be tätigungselement aufgesetzt zu werden, während gleichzeitig eine Axialbewegung auf dem Betätigungselement möglich ist und dadurch die Stopfbüchsenbelastung auf die Packung übertragen wird.
Fig. 2 zeigt eine andere Einzelpackungskonfiguration, die spielfreie Extrusionsschutz-Abstreifringe in einer Packungsumschließung 58 für eine Ventilspindel 60 in einem Ventilgehäuse 62 verwendet. Die Packungsumschließung 58 weist Packungsringe 16 vom V-Typ auf, die von einem spielfreien Extrusionsschutz-Abstreifring 18 und einem spielfreien Extrusionsschutzring 64 begrenzt sind. Die PTFE-Packung 16 umfaßt einen oberen Negativring 16a und drei identische mittlere Ringe 16b. Der normale positive PTFE-Ring 16c (Fig. 1) ist durch einen spielfreien Extrusionsschutzring 64 ersetzt, der so geformt ist, wie in bezug auf die Ringe 18 beschrieben wurde, aber die Gestalt eines normalen unteren Positivrings wie etwa der in Fig. 1 gezeigte Ring 16c hat.
Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, die einen spielfreien Extrusionsschutzring in Form eines positiven Adapterrings 64 zeigt, der durch einen Schrägschnitt 66 zweigeteilt ist, so daß der Schnitt an einer Ringoberfläche zu dem Schnitt 70 an einer entgegengesetzten Ringoberfläche umfangsmäßig verlagert ist. Die innere Oberfläche 72 und die äußere Oberfläche 74 sind so bemessen, wie das bereits in Verbindung mit den Oberflächen 30 und 32 des Rings 18 beschrieben wurde. Auch wird es bevorzugt, daß der positive Adapterring 64 aus PEEK- Material geformt ist.
Der Extrusionsschutzring 64 mit der Gestalt eines positiven Adapters in einer normalen PTFE-Packungskonfiguration erlaubt eine Verringerung von PTFE-Ringen in der Packungskonfiguration. Das ist vorteilhaft, weil die Wärmeausdehnung von PTFE-Packungsmaterial ungefähr zehnmal so hoch wie die der metallischen Stopfbüchse ist und die volumetrische Ausdehnung der PTFE-Packung bei der Festlegung des Federwegs zu berücksichtigen ist, der erforderlich ist, um eine adäquate Belastung der Packung nach Durchlaufen einer thermischen Wechselbeanspruchung aufrechtzuerhalten. Während also die Darstellung von Fig. 2 mit dem Packungsring 64 vier PTFE- Packungsringe zeigt (und zwar den oberen Negativring 16a und drei identische PTFE-Mittelringe 16b), versteht es sich, daß nach Wunsch auch weniger als die gezeigten vier PTFE-Ringe mit dem spielfreien Extrusionsschutzring 64 verwendet werden können. Das ist besonders wichtig und nützlich in einer Doppelpackungskofiguration, die unter Hochtemperaturbedingungen betrieben wird.
Beispielsweise kann auf Fig. 3 Bezug genommen werden, die eine Packungskonfiguration 76 zeigt, um ein Betätigungselement wie etwa eine drehbare Welle 78 in einem Gehäuse wie etwa einem Ventilgehäuse 80 abzudichten. Die Packungskonfiguration 76 umfaßt eine obere Packung 82 und eine untere Packung 84, die durch einen Hohlring 86 getrennt sind. Die Packungen 82 und 84 sind identisch, und jede weist einen oberen Negativpackungsring 88 aus PTFE vom V-Typ auf. Beide Packungen 82 und 84 sind von einem spielfreien Extrusionsschutzring 18 auf der einen Seite und einem spielfreien Extrusionsschutzring 64 auf der anderen Seite der Packung begrenzt. Die Packungskonfiguration 76 gemäß der Erfindung verringert die Anzahl PTFE-Packungsringe bedeutend und vermindert somit die PTFE-Menge, die benötigt wird, um eine zuverlässige Abdichtung der Welle 78 aufrechtzuerhalten.
In Fig. 3 ist die treibende Belastung der Packung durch eine Serie von Tellerfedern 90 gegeben, die jeweils um einen Packungsbolzen 92 herum angebracht sind, der wiederum in dem Ventilgehäuse 80 angebracht ist. Die Ersteinstellung der auf die Packung 82 und 84 aufgebrachten Belastung erfolgt durch Packungs-Justiermuttern 94 auf den Bolzen 92, um eine Belastung direkt auf den Dichtungspacker 15 aufzubringen.

Claims

1. Packungsumschließungsanordnung zum Abdichten eines Betätigungselements (12) in einem Gehäuse (14) mit Fluid, wobei die Anordnung sich ändernden thermischen Bedingungen unterliegt und folgendes aufweist:

eine Polymerpackung (16), die das Betätigungselement (12) umgibt und damit und mit dem Gehäuse (14) in fluiddichtem Eingriff ist, um einen Leckstrom um das Betätigungselement (12) herum zu verhindern;

eine Belastungseinrichtung (15) zum Aufbringen und Aufrechterhalten einer Belastung auf die Polymerpackung (16); und

ein Paar von spielfreien Extrusionsschutz-Ringen (18), die auf dem Betätigungselement (12) angebracht sind, wobei ein jeweiliger Ring (18) an jedem entgegengesetzten Ende der Polymerpackung (16) von der Belastungseinrichtung (15) beaufschlagt ist und jeder dieser Ringe (18) folgendes aufweist:

(1) einen Innendurchmesser, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Betätigungselements (12) ist, um zwischen dem Ring (18) und dem Betätigungselement (12) eine Preßpassung vorzusehen und eine Extrusion der Polymerpackung (16) zwischen dem genannten Innendurchmesser und dem Betätigungselement (12) zu verhindern;

dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (18) ferner aufweisen:

(2) einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner als der Innendurchmeser des Gehäuses (14) und ausreichend ist, um eine ungehinderte Axialbewegung des Ringaußendurchmessers in bezug auf das Gehäuse (14) zu gestatten und der Belastungseinrichtung (15) zu ermöglichen, jeder Bewegung der Polymerpackung (16) nach Maßgabe der sich ändernden ther mischen Bedingungen zu folgen, und

(3) eine Ringteileinrichtung durch den Ringumfang hindurch, um die Anbringung des Rings (18) auf dem Betätigungselement (12) und eine ungehinderte Axialbewegung des Ringinnendurchmessers in bezug auf das Betätigungselement (12) zuzulassen, so daß die Belastungseinrichtung (15) jeder Bewegung der Polymerpackung (16) nach Maßgabe der sich ändernden thermischen Bedingungen folgen kann.

2. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Polymerpackung (16) ein erstes PTFE-Packungsset ist und die spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) jeweils aus einem von PTFE verschiedenen Polymer mit höheren Festigkeitseigenschaften als PTFE gebildet sind, und wobei die Belastungseinrichtung (15) eine treibende Belastungseinrichtung aufweist, um die Polymerpackung (16) durch die Extrusionsschutz-Ringe (18) mit Federkraft zu beaufschlagen.

3. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 2, wobei jeder der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) aus einem linearen hochdruckfesten Polymer geformt ist und wobei die Ringteilungseinrichtung einen Schrägschnitt aufweist, bei dem die Enden des Schrägschnitts an axial angeordneten gegenüberstehenden Oberflächen des Rings (18) seitlich versetzt sind, um eine Überdeckungsverbindung zu bilden.

4. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 3, wobei jeder der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) aus PEEK geformt ist.

5. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 4, wobei wenigstens einer der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) mit parallelen, axial angeordneten Oberflächen geformt ist, die den Schrägschnitt enthalten.

6. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 5, wobei die Ringteilungseinrichtung durch wenigstens einen der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) ein Schrägschnitt in Form eines Stufenschnitts ist, der die Überdeckungsverbindung bildet.

7. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 4, wobei wenigstens einer der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) mit unter einem Winkel angeordneten, axial entgegengesetzten Oberflächen ausgebildet ist.

8. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die PTFE-Packung wenigstens einen Negativring (16b) vom V-Typ aufweist und wenigstens einer der spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) einen Positivring (64) vom V-Typ aufweist, um mit dem Negativring vom V-Typ in Paßeingriff zu gelangen.

9. Packungsumschließungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, der aufweist: ein zweites PTFE-Packungsset (84), das von der ersten PTFE-Packung (82) auf dem Betätigungselement (12) räumlich getrennt ist, einen Hohlring (86), der auf dem Betätigungselement (12) zwischen den beiden PTFE-Packungssets (82, 84) angebracht ist, und ein zweites Paar von spielfreien extrusionsschutz-Ringen (18), von denen jeweils ein Ring an jedem entgegengesetzten Ende des zweiten PTFE- Packungssets (84) vorgesehen ist.

10. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Polymerpackung (16) aus PTFE geformt ist und die spielfreien Extrusionsschutz-Ringe (18) jeweils aus Kohlenstoff geformt sind und die Ringteilungseinrichtung eine Bruchteilung aufweist, um eine nichtüberlappende Stoßverbindung zu bilden.

11. Packungsumschließungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Belastungseinrichtung (15) eine treibende Belastungseinrichtung aufweist, um die Polymerpackung (16) mit Federkraft zu beaufschlagen, und die Anordnung folgendes aufweist:

eine erste und eine zweite PTFE-Packung (82, 84) vom V- Typ, die in räumlicher Trennung auf dem Betätigungs element (12) angebracht sind, und einen Hohlring (86), der zwischen der ersten und der zweiten PTFE-Packung (82, 84) angebracht ist,

wobei jede PTFE-Packung vom V-Typ einen Packungsring (88) aufweist, der unter der Federbelastung in Abdichteingriff mit dem Betätigungselement (12) und mit dem Gehäuse (14) ist, der Packungsring (88) entgegengesetzte Endflächen hat, von denen wenigstens eine ein V- Profil aufweist, und der Packungsring sich ändernden thermischen Bedingungen unterliegt und sich nach Maßgabe der sich ändernden thermischen Bedingungen in Axialrichtung auf dem Betätigungselement (12) bewegt;

zwei Paare von spielfreien Extrusionsschutz-Ringen (18, 64), die auf dem Betätigungselement (12) angebracht sind, wobei ein jeweiliger Ring (18) in Eingriff mit jeder der entgegengesetzten Endflächen des Packungsrings (88) jeder der PTFE-Packungen (82, 84) vom V-Typ ist;

wobei jeder Extrusionsschutz-Ring (18) einen Schrägschnitt durch den Ring aufweist, der eine Überdeckungsverbindung bildet und die ungehinderte axiale Bewegung des Ringinnendurchmessers in bezug auf das Betätigungselement (12) ermöglicht, so daß die treibende Belastungseinrichtung (90) jeder Bewegung der PTFE Packungen (82, 84) vom V-TYP nach Maßgabe der sich ändernden thermischen Bedingungen folgen kann; und

wobei die jeweiligen Extrusionsschutz-Ringe (64), die mit den das V-Profil aufweisenden Packungsring-Endflächen in Eingriff sind, damit übereinstimmende passende V-Profile aufweisen.

12. strömungsventil, das die Packungsumschließungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei das Gehäuse ein ventilgehäuse ist und das Betätigungselement (12) ein Ventilbetätigungselement ist, das in dem Ventilgehäuse (14) bewegbar ist, um einen Fluidstrom zu regeln.