EP1508696A1 - Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System - Google Patents

Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System Download PDF

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EP1508696A1
EP1508696A1 EP04016803A EP04016803A EP1508696A1 EP 1508696 A1 EP1508696 A1 EP 1508696A1 EP 04016803 A EP04016803 A EP 04016803A EP 04016803 A EP04016803 A EP 04016803A EP 1508696 A1 EP1508696 A1 EP 1508696A1
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sealing
piston
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sealing arrangement
shaped
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EP04016803A
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Eckhard Bez
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Pfeiffer Vacuum GmbH
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/143—Sealing provided on the piston

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for a cylinder-piston system, especially in vacuum pumps, for sealing between a cylinder inner wall and a displaceably mounted in the cylinder piston, with at least one cross-sectionally L-shaped annular sealing element, one leg of the L-shaped sealing element for static Seal is fixed on the piston is fixed and the other, free leg of the sealing element dynamically sealing on the cylinder inner wall is applied.
  • a generic seal assembly for sealing the compression space a vacuum pump is known for example from US 5,921,755 A.
  • this known seal arrangement are two L-shaped sealing elements so stored on the piston that the dynamic sealing taking over the free leg of the sealing elements from one another abut against the cylinder inner wall.
  • the invention is based on the technical problem, a To provide sealing arrangement of the aforementioned, which at long Life a substantially constant performance of the cylinder-piston system guaranteed.
  • the solution to this technical problem is characterized in that the dynamic seal causing free leg of at least the am upper, a compression space facing edge of the piston arranged Seal member in the direction away from the compression space direction is arranged on the piston.
  • each two L-shaped sealing elements existing seal pair on Pistons arranged.
  • the sealing elements of these pairs of seals are according to a first Embodiment of the invention arranged on the piston that the dynamic sealing effecting free leg of each pair of Assign L-shaped sealing elements to each other.
  • the seal pair from one at the top, the compression space facing Edge of the piston arranged sealing element and an am lower edge of the piston arranged sealing element consists.
  • the effect of the sealing arrangement can be further improved by that at the upper, the compression space facing edge and the lower edge of the piston each one consisting of two sealing elements Seal pair is arranged.
  • seal assembly used from several sealing elements is advantageously at least the free leg of the upper, the compression space facing edge of the piston nearest Seal element via the pressure element against the cylinder inner wall Pressable, since the main sealing force is required to increase this to prevent the dead space.
  • the invention proposes that the ratio of the length of the free leg of each L-shaped sealing element to the thickness of the piston fixedly mounted Leg is 5: 1 to 20: 1 and the fixed bearing on the piston, the static Seal causing legs of each L-shaped sealing element has a greater thickness than the dynamic sealing effecting on the cylinder inner wall adjacent free leg of this sealing element.
  • the thickness of the free leg of each L-shaped sealing element is advantageously between 0.3 mm and 1 mm.
  • a sealing installation of the free legs on the cylinder inner wall with sufficient contact pressure can be further achieved in that the Outer diameter of each sealing element is greater than the inner diameter of the cylinder.
  • any L-shaped sealing element at least in the area of the dynamic sealing causing free Leg made of a PTFE-containing material.
  • the PTFE-containing material of the free legs the L-shaped sealing elements at least one mechanical resistance contains reinforcing additive, this being the mechanical Resistance reinforcing additive advantageously a metal, glass, Carbon or plastic material, in particular a knitted aramid fiber, such as Kevlar®.
  • the mechanical Resistance reinforcing additive advantageously a metal, glass, Carbon or plastic material, in particular a knitted aramid fiber, such as Kevlar®.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a sealing arrangement for a Cylinder-piston system according to the prior art.
  • the illustrated cylinder-piston system for example, a part of a Vacuum pump forms, consists essentially of a cylinder (1) and one by means of a piston rod (2) longitudinally displaceable in the cylinder (1) mounted Piston (3).
  • each sealing element (5) consists of one on the piston (3) fixedly mounted, statically sealing leg (5a) and a free leg (5b), the dynamic sealing on a cylinder inner wall (1a) of the cylinder (1) is present.
  • FIGS. 2 to 5 differ from the prior art according to FIG. 1 im Essentially by the different arrangement of the free leg (5b) of the upper edge (3a) of the piston (3) arranged sealing element (5).
  • the dynamic seal causing free leg (5b) at least the am upper, the compression space (4) facing edge (3a) of the piston (3) arranged sealing element (5) facing away from the compression space (4) Direction arranged on the piston (3).
  • FIGS. 2 to 5 in comparison with the prior art according to FIG. 1, The embodiments of FIGS. 2 to 5 have the advantage that the material abrasion on the cylinder inner wall (1 a) adjacent free Leg (5b) of the upper, the compression space (4) facing edge (3a) of the piston (3) arranged sealing element (5) has no influence the size of the between the upper edge (3a) of the piston (3) and the cylinder inner wall (1 a) formed dead space (6), since the thinning free legs (5b) in these cases, a gap (7) between the Side wall of the piston (3) and the cylinder inner wall (1a) below the sealing free leg (5b), but not the volume the compression space (4) with influencing dead space (6).
  • the sealing elements (5) always arranged in pairs on the piston (3), wherein in the embodiments as shown in FIGS. 2 and 3, the dynamic sealing causing free Leg (5b) of each pair of L-shaped sealing elements (5) to each other attributed to the piston (3) are arranged while these free Leg (5b) in the embodiments according to the illustrations Fig. 4 and 5 in the same, from above the piston (3) arranged compression space (4) pointing direction on the piston (3) are arranged.
  • each L-shaped seal member (5) from a rigidly fixedly mounted on the piston (3) leg (5a) for static seal, for example between a piston main body (3c) and a piston cover (3d), and a flexible free leg (5b), the the piston (3) dynamically against the cylinder (1) sealingly on the cylinder inner wall (1a) is present.
  • the free legs (5b) of the two sealing elements (5) this seal pair are arranged to each other, that Assign these free legs (5b) to each other.
  • the illustrated in Fig. 3 second embodiment of a seal assembly differs from the embodiment described above substantially in that both at the top, the compression space (4) facing Edge (3a) of the piston (3) and at the lower edge (3b) of the piston (3) each one of two sealing elements (5) existing seal pair is arranged.
  • the free legs (5b) of the two sealing elements (5) of each pair of seals are in turn arranged in such a way, that these free legs (5b) assign each other.
  • the piston edges (3a, 3b) far sealing elements (5) of a each pair of seals piston inserts (3e) are provided on the Leg (5a) of the sealing elements (5) are rigidly fixed to the piston (3).
  • additional pressing elements (8) For example, spring rings, provided, which are mounted in grooves (9) in the piston (3) from the piston side to the free legs (5b) abut and this Press against the cylinder inner wall (1 a).
  • the upper seal pair has two Pressing elements (8), while the lower seal pair no pressing element (8) is provided.
  • the lower seal pair with pressure elements (8) or even to provide only one pressing element (8) in one or both pairs of seals or even form one or both pairs of seals without pressing element.
  • the use of a pressure element (8) is advantageous in any case on top, the compression space (4) next sealing element (5) because whose free leg (5b) has the task by a constant sufficient sealing to prevent enlargement of the dead space (6).
  • Fig. 5 fourth embodiment of a seal assembly differs from the embodiment described above substantially in that both at the top, the compression space (4) facing Edge (3a) of the piston (3) and at the lower edge (3b) of the piston (3) each one of two sealing elements (5) existing seal pair is arranged.
  • the free legs (5b) of the two sealing elements (5) of each pair of seals are in turn arranged in such a way, that these free legs (5b) in the same, from the compression space (4) pointing away Direction are aligned.
  • piston inserts (3e) are provided, over which the legs (5a) of the sealing elements (5) are rigidly fixed to the piston (3).
  • the upper seal pair two pressing elements (8), while the lower seal pair only a pressing element (8) is provided.
  • the lower seal pair with two pressing elements (8) or even a pressing element (8) in one or both pairs of seals provide or even one or both pairs of seals an horrelement arthritis train.
  • the use of a pressure element (8) is advantageous. in any case at the top, the compression space (4) next sealing element (5), since its free leg (5b) has the task by a constant adequate sealing an enlargement of the dead space (6) to prevent.
  • Embodiments of the seal assemblies can be produced and quite reasonable, the combinations and / or modifications of the illustrated Represent examples. So it is possible, for example, the upper Seal element (5) as shown in Fig. 2 or Fig. 4 form and the lower sealing element (5) as a seal pair according to FIG. 3 or FIG. 5 embody. Likewise, the entire seal arrangement also only a sealing element (5) according to FIG. 2 or 4 at the upper edge (3a) of Piston (3), wherein in all the aforementioned sealing arrangements in turn, the use of pressing elements (8) possible and advantageous is.
  • All illustrated and / or only described sealing arrangements are characterized by the fact that the dynamic sealing effecting free legs (5b) at least of the upper, the compression space (4) facing edge (3a) of the piston (3) arranged sealing element (5) arranged in the direction away from the compression space (4) direction on the piston (3) is, so that even with progressive material abrasion of the cylinder inner wall (1a) adjacent free leg (5b) no enlargement of the Dead space (6) takes place.
  • each L-shaped sealing element (5) at least in the area of the dynamic seal causing free leg (5b) of a PTFE-containing material.
  • Polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly under mechanical pressure load on good sliding properties, so that on this Way high friction losses can be avoided.
  • the PTFE-containing material of the free legs (5b) of the L-shaped Sealing elements (5) at least one mechanical resistance contains reinforcing additive, preferably metal, glass, Carbon or plastic materials, in particular knitted aramid fibers, such as Kevlar®, are suitable.
  • the pressing elements (8) for example form as spring rings, it may be in these pressing elements (8) also known per se piston rings or rings made of a filled plastic material, in particular a carbon fiber filled epoxy compound, act.
  • the sealing effect and contact force of the free legs (5b) of the sealing elements (5) on the cylinder inner wall (1a) of the cylinder (1) is next to the Material Property of the Free Legs (5b) and / or the Pressing Elements (8) determined by the dimensioning of the sealing elements (5).
  • the static seal causing legs (5a) of each L-shaped sealing element (5) advantageously a greater thickness than that effecting the dynamic seal, on the cylinder inner wall (1a) fitting free leg (5b) this Sealing element (5), wherein the thickness of the free leg (5b) of each L-shaped sealing element (5) preferably between 0.3 mm and 1 mm is.
  • the ratio of the length of the free leg (5b) of each L-shaped Sealing element (5) to the thickness of the piston (3) fixedly mounted Leg (5a) has an influence on the sealing effect of the seal arrangement. So this length to thickness ratio is preferably 5: 1 to 20: 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System, insbesondere in Vakuumpumpen, zum Abdichten zwischen einer Zylinderinnenwand (1a) und einem in dem Zylinder (1) verschiebbar gelagerten Kolben (3), mit mindestens einem L-förmig ausgebildeten ringförmigen Dichtungselement (5), wobei ein Schenkel (5a) des L-förmigen Dichtungselements (5) zur statischen Abdichtung am Kolben (3) fixiert gelagert ist und der andere, freie Schenkel (5b) des Dichtungselements (5) dynamisch abdichtend an der Zylinderinnenwand (1a) anliegt. Um eine Dichtungsanordnung zu schaffen, die bei langer Lebensdauer eine im wesentlichen gleichbleibende Leistung des Zylinder-Kolben-Systems gewährleistet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der die dynamische Abdichtung bewirkende freie Schenkel (5b) zumindest des am oberen, einem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5) in die vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System, insbesondere in Vakuumpumpen, zum Abdichten zwischen einer Zylinderinnenwand und einem in dem Zylinder verschiebbar gelagerten Kolben, mit mindestens einem im Querschnitt L-förmig ausgebildeten ringförmigen Dichtungselement, wobei ein Schenkel des L-förmigen Dichtungselements zur statischen Abdichtung am Kolben fixiert gelagert ist und der andere, freie Schenkel des Dichtungselements dynamisch abdichtend an der Zylinderinnenwand anliegt.
Eine gattungsgemäße Dichtungsanordnung zum Abdichten des Kompressionsraums einer Vakuumpumpe ist beispielsweise aus der US 5,921,755 A bekannt. Bei dieser bekannten Dichtungsanordnung sind zwei L-förmige Dichtungselemente so am Kolben gelagert, dass die die dynamische Abdichtung übernehmenden freien Schenkel der Dichtungselemente voneinander fortweisend an der Zylinderinnenwand anliegen.
Diese bekannte Ausrichtung der freien Schenkel der Dichtungselemente weist den Nachteil auf, dass sich aufgrund des durch die Reibung an der Zylinderinnenwand auftretenden Abriebs des Dichtungsmaterials im Bereich der freien Schenkel der Totraum im Laufe der Zeit vergrößert, der am oberen, dem Kompressionsraum zugewandten Rand des Kolbens zwischen der Seitenwand des Kolbens und dem freien Schenkel des Dichtungselements beziehungsweise der Zylinderinnenwand ausgebildet ist. Da bei einigen Vakuumpumpen der Kolbenhub sehr gering ist, beispielsweise nur 50 mm beträgt, wirkt sich auch schon eine geringfügige Vergrößerung des Totraums nachteilig auf die Pumpleistung aus.
Davon ausgehend liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten bereitzustellen, die bei langer Lebensdauer eine im wesentlichen gleichbleibende Leistung des Zylinder-Kolben-Systems gewährleistet.
Die Lösung dieses technischen Problems ist dadurch gekennzeichnet, dass der die dynamische Abdichtung bewirkende freie Schenkel zumindest des am oberen, einem Kompressionsraum zugewandten Rand des Kolbens angeordneten Dichtungselements in die vom Kompressionsraum fortweisende Richtung am Kolben angeordnet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Dichtungsanordnung wird erstmalig sichergestellt, dass der Materialabrieb des freien Schenkels des Dichtungselements durch die reibende Anlage an der Zylinderinnenwand keinen Einfluss auf die Größe des Totraums hat, der am oberen dem Kompressionsraum zugewandten Rand des Kolbens zwischen der Seitenwand des Kolbens und der Zylinderinnenwand ausgebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein aus jeweils zwei L-förmigen Dichtungselementen bestehendes Dichtungspaar am Kolben angeordnet.
Die Dichtungselemente dieser Dichtungspaare sind gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform so am Kolben angeordnet, dass die die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkel eines jeden Paares der L-förmigen Dichtungselemente aufeinander zuweisen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Dichtungspaare wird vorgeschlagen, dass die die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkel eines jeden Paares der L-förmigen Dichtungselemente in die gleiche, von einem oberhalb des Kolbens angeordneten Kompressionsraum fortweisende Richtung am Kolben angeordnet sind.
Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Dichtungspaar aus einem am oberen, dem Kompressionsraum zugewandten Rand des Kolbens angeordneten Dichtungselement und einem am unteren Rand des Kolbens angeordneten Dichtungselement besteht. Durch die Verwendung von Dichtungselementen an beiden Rändern des Kolbens wird einerseits die Dichtwirkung der Dichtungsanordnung verbessert und andererseits eine verkantungsfreie Führung des Kolbens im Zylinder gewährleistet.
Die Wirkung der Dichtungsanordnung kann weiterhin dadurch verbessert werden, dass am oberen, dem Kompressionsraum zugewandten Rand und am unteren Rand des Kolbens jeweils ein aus zwei Dichtungselementen bestehendes Dichtungspaar angeordnet ist.
Um eine gleichbleibende Andruckkraft des freien Schenkels an der Zylinderinnenwand zu gewährleisten, wird mit der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, dass mindestens ein freier Schenkel eines L-förmigen Dichtungselements über ein am Kolben gelagertes Andrückelement gegen die Zylinderinnenwand drückbar ist, wobei das Andrückelement vorteilhafterweise ein in einer ringförmigen Nut des Kolbens gelagerter, an sich bekannter Kolbenring oder Federring ist.
Als alternatives Material für das Andrückelement wird erfindungsgemäß ein gefülltes Kunststoffmaterial, insbesondere eine mit Kohlenstofffasern gefüllte Epoxidverbindung, vorgeschlagen.
Wenn die eingesetzte Dichtungsanordnung aus mehreren Dichtungselementen besteht, ist vorteilhafterweise zumindest der freie Schenkel des dem oberen, dem Kompressionsraum zugewandten Rand des Kolbens nächstgelegenen Dichtungselements über das Andrückelement gegen die Zylinderinnenwand andrückbar, da hier die Hauptdichtkraft erforderlich ist, um eine Vergrößerung des Totraums zu verhindern.
Zur Dimensionierung der Dichtungselemente wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Verhältnis der Länge des freien Schenkels eines jeden L-förmigen Dichtungselements zur Dicke des am Kolben fixiert gelagerten Schenkels 5:1 bis 20:1 beträgt und der am Kolben fixiert gelagerte, die statische Abdichtung bewirkende Schenkel jedes L-förmigen Dichtungselements eine größere Dicke aufweist als der die dynamische Abdichtung bewirkende, an der Zylinderinnenwand anliegende freie Schenkel dieses Dichtungselements. Die Dicke des freien Schenkels eines jeden L-förmigen Dichtungselements beträgt dabei vorteilhafterweise zwischen 0,3 mm und 1 mm.
Eine abdichtende Anlage der freien Schenkel an der Zylinderinnenwand mit ausreichender Anpresskraft kann weiterhin dadurch erreicht werden, dass der Außendurchmesser eines jeden Dichtungselements größer ist als der Innendurchmesser des Zylinders.
Um den Reibwiderstand zwischen dem freien Schenkel des Dichtungselements und der Zylinderinnenwand zu reduzieren und somit auch den Verschleiß des Dichtungsmaterials zu verringern, besteht jedes L-förmige Dichtungselement zumindest im Bereich des die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkels aus einem PTFE-haltigen Material.
Da PTFE (Polytetrafluorethylen) nicht sehr abriebfest ist, wird mit der Erfindung schließlich vorgeschlagen, dass das PTFE-haltige Material der freien Schenkel der L-förmigen Dichtungselemente wenigstens einen die mechanische Beständigkeit verstärkenden Zusatzstoff enthält, wobei dieser die mechanische Beständigkeit verstärkende Zusatzstoff vorteilhafterweise ein Metall-, Glas-, Kohlenstoff- oder Kunststoffmaterial, insbesondere eine gewirkte Aramid-Faser, wie beispielsweise Kevlar ®, ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der vier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung nur beispielhaft schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
  • Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 einen ausschnittweisen schematischen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
  • Fig. 3 einen ausschnittweisen schematischen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
  • Fig. 4 einen ausschnittweisen schematischen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform und
  • Fig. 5 einen ausschnittweisen schematischen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
    • Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System gemäß dem Stand der Technik.
    Das dargestellte Zylinder-Kolben-System, das beispielsweise einen Teil einer Vakuumpumpe bildet, besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder (1) und einem mittels einer Kolbenstange (2) längsverschiebbar im Zylinder (1) gelagerten Kolben (3).
    Um einen oberhalb des Kolbens (3) angeordneten Kompressionsraum (4), über den beispielsweise die aus einem zu evakuierenden Behälter abgesaugte Luft aus dem Zylinder-Kolben-System herausgepresst wird, gegenüber dem Rest des Zylinder-Kolben-Systems druckdicht abzudichten, ist bei dem dargestellten Zylinder-Kolben-System ein Paar L-förmiger Dichtungselemente (5) vorgesehen. Jedes Dichtungselement (5) besteht dabei aus einem am Kolben (3) fixiert gelagerten, statisch abdichtenden Schenkel (5a) und einem freien Schenkel (5b), der dynamisch abdichtend an einer Zylinderinnenwand (1a) des Zylinders (1) anliegt.
    Bei dieser den Stand der Technik darstellenden Dichtungsanordnung sind die L-förmigen Dichtungselemente (5) so am Kolben (3) gelagert, dass die die dynamische Abdichtung übernehmenden freien Schenkel (5b) der Dichtungselemente (5) voneinander fortweisend an der Zylinderinnenwand (1a) anliegen.
    Aufgrund der Auf- und Abbewegung des Kolbens (3) innerhalb des Zylinders (1) unterliegen die abdichtend an der Zylinderinnenwand (1a) anliegenden freien Schenkel (5b) der Dichtungselemente (5) einer fortwährenden Reibung, die mit der Zeit zu einem Abrieb des an der Zylinderinnenwand (1 a) entlang reibenden Dichtungsmaterials führt. Da die freien Schenkel (5b) der Dichtungselemente (5) so ausgelegt sind, dass sie stets abdichtend gegen die Zylinderinnenwand (1 a) anliegen, vergrößert sich ein zwischen einem oberen Rand (3a) des Kolbens (3) und dem freien Schenkel (5b) befindlicher Totraum (6) mit zunehmendem Abrieb des Dichtungsmaterials, da der freie Schenkel (5b) immer dünner wird. Insbesondere bei Vakuumpumpen, bei denen der Kolbenhub häufig sehr gering ist, beispielsweise nur 50 mm beträgt, hat der sich im Laufe der Betriebszeit vergrößernde Totraum (6) eine deutlich negative Auswirkung auf die Pumpleistung des Zylinder-Kolben-Systems.
    Die in den Fig. 2 bis Fig. 5 nur ausschnittweise dargestellten Zylinder-Kolben-Systeme unterscheiden sich von dem Stand der Technik gemäß der Fig. 1 im Wesentlichen durch die unterschiedliche Anordnung des freien Schenkels (5b) des am oberen Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5). In allen in den Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der die dynamische Abdichtung bewirkende freie Schenkel (5b) zumindest des am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5) in die vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet.
    Wie aus den Fig. 2 bis 5 im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 1 ersichtlich, weisen die Ausführungsformen der Fig. 2 bis 5 den Vorteil auf, dass der Materialabrieb an dem an der Zylinderinnenwand (1 a) anliegenden freien Schenkel (5b) des am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5) keinen Einfluss auf die Größe des zwischen dem oberen Rand (3a) des Kolbens (3) und der Zylinderinnenwand (1a) ausgebildeten Totraums (6) hat, da der dünner werdende freie Schenkel (5b) in diesen Fällen einen Zwischenraum (7) zwischen der Seitenwand des Kolbens (3) und der Zylinderinnenwand (1a) unterhalb des abdichtenden freien Schenkels (5b) vergrößert, nicht aber den das Volumen des Kompressionsraums (4) mit beeinflussenden Totraum (6).
    Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Dichtungselemente (5) immer paarweise am Kolben (3) angeordnet, wobei bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 die die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkel (5b) eines jeden Paares der L-förmigen Dichtungselemente (5) aufeinander zuweisend am Kolben (3) angeordnet sind, während diese freien Schenkel (5b) bei den Ausführungsformen gemäß den Abbildungen Fig. 4 und 5 in die gleiche, vom oberhalb des Kolbens (3) angeordneten Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet sind.
    Bei der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform besteht das Dichtungspaar aus je einem am oberen Rand (3a) des Kolbens (3) sowie einem am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) angeordneten L-förmigen Dichtungselement (5). Die Abbildung zeigt deutlich den Aufbau eines jeden L-förmigen Dichtungselements (5) aus einem starr am Kolben (3) fixiert gelagerten Schenkel (5a) zur statischen Abdichtung, beispielsweise zwischen einem Kolbengrundkörper (3c) und einem Kolbendeckel (3d), sowie einem flexiblen freien Schenkel (5b), der den Kolben (3) dynamisch gegenüber dem Zylinder (1) abdichtend an der Zylinderinnenwand (1a) anliegt. Die freien Schenkel (5b) der beiden Dichtungselemente (5) dieses Dichtungspaares sind dabei so zueinander angeordnet, dass diese freien Schenkel (5b) aufeinander zuweisen.
    Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Dichtungsanordnung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass sowohl am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) als auch am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) jeweils ein aus zwei Dichtungselementen (5) bestehendes Dichtungspaar angeordnet ist. Die freien Schenkel (5b) der beiden Dichtungselemente (5) eines jeden Dichtungspaares sind dabei wiederum so zueinander angeordnet, dass diese freien Schenkel (5b) aufeinander zuweisen. Zum Festlegen insbesondere der den Kolbenrändern (3a, 3b) fernen Dichtungselemente (5) eines jeden Dichtungspaares sind Kolbeneinsätze (3e) vorgesehen, über die die Schenkel (5a) der Dichtungselemente (5) starr am Kolben (3) fixierbar sind.
    Um die Anlagekraft der freien Schenkel (5b) an der Zylinderinnenwand (1 a) zu verstärken und/oder sicherzustellen, dass die freien Schenkel (5b) auch bei fortschreitendem Materialabrieb mit ausreichend abdichtender Kraft an der Zylinderinnenwand (1 a) des Zylinders (1) anliegen, sind bei dem oberen Dichtungspaar dieses Ausführungsbeispiels zusätzlich Andrückelemente (8), beispielsweise Federringe, vorgesehen, die in Nuten (9) im Kolben (3) gelagert von der Kolbenseite her an den freien Schenkeln (5b) anliegen und diese gegen die Zylinderinnenwand (1 a) andrücken.
    Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das obere Dichtungspaar zwei Andrückelemente (8) auf, während beim unteren Dichtungspaar kein Andrückelement (8) vorgesehen ist. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, auch das untere Dichtungspaar mit Andrückelementen (8) auszustatten oder auch nur ein Andrückelement (8) bei einem oder beiden Dichtungspaaren vorzusehen oder gar ein oder beide Dichtungspaare andrückelementfrei auszubilden. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Andrückelements (8) auf jeden Fall am obersten, dem Kompressionsraum (4) nächsten Dichtungselement (5), da dessen freier Schenkel (5b) die Aufgabe hat, durch eine gleichbleibende ausreichende Abdichtung eine Vergrößerung des Totraums (6) zu verhindern.
    Weiterhin besteht auch bei der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform die Möglichkeit, beide oder auch nur ein Dichtungselement (5), vorzugsweise das obere, mit einem Andrückelement (8) zu versehen.
    Bei der in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsform besteht das Dichtungspaar wieder aus je einem am oberen Rand (3a) des Kolbens (3) sowie einem am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) angeordneten L-förmigen Dichtungselement (5). Die freien Schenkel (5b) der beiden Dichtungselemente (5) dieses Dichtungspaares sind dabei aber so zueinander angeordnet, dass die freien Schenkel (5b) in die gleiche, vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet sind.
    Die in Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass sowohl am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) als auch am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) jeweils ein aus zwei Dichtungselementen (5) bestehendes Dichtungspaar angeordnet ist. Die freien Schenkel (5b) der beiden Dichtungselemente (5) eines jeden Dichtungspaares sind dabei wiederum so zueinander angeordnet, dass diese freien Schenkel (5b) in die gleiche, vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung ausgerichtet sind. Zum Festlegen insbesondere der den Kolbenrändern (3a, 3b) fernen Dichtungselemente (5) eines jeden Dichtungspaares sind wiederum Kolbeneinsätze (3e) vorgesehen, über die die Schenkel (5a) der Dichtungselemente (5) starr am Kolben (3) fixierbar sind.
    Auch bei dieser dargestellten vierten Ausführungsform sind wieder in Nuten (9) im Kolben (3) gelagerte Andrückelemente (8) vorgesehen, um die Anlagekraft der freien Schenkel (5b) an der Zylinderinnenwand (1 a) zu verstärken und/oder sicherzustellen, dass die freien Schenkel (5b) auch bei fortschreitendem Materialabrieb mit ausreichend abdichtender Kraft an der Zylinderinnenwand (1a) des Zylinders (1) anliegen.
    Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das obere Dichtungspaar zwei Andrückelemente (8) auf, während beim unteren Dichtungspaar nur ein Andrückelement (8) vorgesehen ist. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, auch das untere Dichtungspaar mit zwei Andrückelementen (8) auszustatten oder auch nur ein Andrückelement (8) bei einem oder beiden Dichtungspaaren vorzusehen oder gar ein oder beide Dichtungspaare andrückelementfrei auszubilden. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Andrückelements (8) auf jeden Fall am obersten, dem Kompressionsraum (4) nächsten Dichtungselement (5), da dessen freier Schenkel (5b) die Aufgabe hat, durch eine gleichbleibende ausreichende Abdichtung eine Vergrößerung des Totraums (6) zu verhindern.
    Weiterhin besteht auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform die Möglichkeit, beide oder auch nur ein Dichtungselement (5), vorzugsweise das obere, mit einem Andrückelement (8) zu versehen.
    Zusätzlich zu den dargestellten und zuvor nur beschriebenen Ausführungsformen sind Ausführungsformen der Dichtungsanordnungen herstellbar und durchaus sinnvoll, die Kombinationen und/oder Abwandlungen der dargestellten Beispiele darstellen. So ist es beispielsweise möglich, das obere Dichtungselement (5) wie in Fig. 2 oder Fig. 4 dargestellt auszubilden und das untere Dichtungselement (5) als Dichtungspaar gemäß Fig. 3 oder Fig. 5 auszugestalten. Ebenso kann die gesamte Dichtungsanordnung auch nur aus einem Dichtungselement (5) gemäß Fig. 2 oder 4 am oberen Rand (3a) des Kolbens (3) bestehen, wobei bei allen vorgenannten Dichtungsanordnungen wiederum die Verwendung von Andrückelementen (8) möglich und vorteilhaft ist.
    Alle dargestellten und/oder nur beschriebenen Dichtungsanordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass der die dynamische Abdichtung bewirkende freie Schenkel (5b) zumindest des am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5) in die vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet ist, so dass auch bei fortschreitendem Materialabrieb des an der Zylinderinnenwand (1a) anliegenden freien Schenkels (5b) keine Vergrößerung des Totraums (6) erfolgt.
    Um den Reibungswiderstand des beziehungsweise der an der Zylinderinnenwand (1a) anliegenden freien Schenkels beziehungsweise Schenkel (5b) zu verringern, besteht jedes L-förmige Dichtungselement (5) zumindest im Bereich des die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkels (5b) aus einem PTFE-haltigen Material. Polytetrafluorethylen (PTFE) weist insbesondere unter mechanischer Druckbelastung gute Gleiteigenschaften auf, so dass auf diese Weise hohe Reibungsverluste vermieden werden können.
    Da andererseits PTFE keine sehr hohe Abriebfestigkeit besitzt, ist es vorteilhaft, wenn das PTFE-haltige Material der freien Schenkel (5b) der L-förmigen Dichtungselemente (5) wenigstens einen die mechanische Beständigkeit verstärkenden Zusatzstoff enthält, wobei hierfür vorzugsweise Metall-, Glas-, Kohlenstoff- oder Kunststoffmaterialien, insbesondere gewirkte Aramid-Fasern, wie beispielsweise Kevlar ®, geeignet sind.
    Neben der beschriebenen Möglichkeit, die Andrückelemente (8) beispielsweise als Federringe auszubilden, kann es sich bei diesen Andrückelementen (8) auch um an sich bekannte Kolbenringe oder Ringe aus einem gefüllten Kunststoffmaterial, insbesondere einer mit Kohlenstofffasern gefüllten Epoxidverbindung, handeln.
    Die Abdichtwirkung und Anlagekraft der freien Schenkel (5b) der Dichtungselemente (5) an der Zylinderinnenwand (1a) des Zylinders (1) wird neben der Materialeigenschaft der freien Schenkel (5b) und/oder der Andrückelemente (8) von der Dimensionierung der Dichtungselemente (5) bestimmt. Eine dauerhafte Anlage der freien Schenkel (5b) an der Zylinderinnenwand (1a) kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Außendurchmesser eines jeden Dichtungselements (5) größer ist als der Innendurchmesser des Zylinders (1).
    Weiterhin weist der am Kolben (3) fixiert gelagerte, die statische Abdichtung bewirkende Schenkel (5a) jedes L-förmigen Dichtungselements (5) vorteilhafterweise eine größere Dicke auf als der die dynamische Abdichtung bewirkende, an der Zylinderinnenwand (1a) anliegende freie Schenkel (5b) dieses Dichtungselements (5), wobei die Dicke des freien Schenkels (5b) eines jeden L-förmigen Dichtungselements (5) vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1 mm beträgt.
    Auch das Verhältnis der Länge des freien Schenkels (5b) eines jeden L-förmigen Dichtungselements (5) zur Dicke des am Kolben (3) fixiert gelagerten Schenkels (5a) hat Einfluss auf die Dichtwirkung der Dichtungsanordnung. So beträgt dieses Länge-zu-Dicke-Verhältnis vorzugsweise 5:1 bis 20:1.
    Bezugszahlen
    1
    Zylinder
    1 a
    Zylinderinnenwand
    2
    Kolbenstange
    3
    Kolben
    3a
    oberer Rand
    3b
    unterer Rand
    3c
    Kolbengrundkörper
    3d
    Kolbendeckel
    3e
    Kolbeneinsatz
    4
    Kompressionsraum
    5
    Dichtungselement
    5a
    Schenkel
    5b
    freier Schenkel
    6
    Totraum
    7
    Zwischenraum
    8
    Andrückelement
    9
    Nut

    Claims (18)

    1. Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System, insbesondere in Vakuumpumpen, zum Abdichten zwischen einer Zylinderinnenwand (1 a) und einem in dem Zylinder (1) verschiebbar gelagerten Kolben (3), mit mindestens einem L-förmig ausgebildeten ringförmigen Dichtungselement (5), wobei ein Schenkel (5a) des L-förmigen Dichtungselements (5) zur statischen Abdichtung am Kolben (3) fixiert gelagert ist und der andere, freie Schenkel (5b) des Dichtungselements (5) dynamisch abdichtend an der Zylinderinnenwand (1 a) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der die dynamische Abdichtung bewirkende freie Schenkel (5b) zumindest des am oberen, einem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselements (5) in die vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet ist.
    2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus jeweils zwei L-förmigen Dichtungselementen (5) bestehendes Dichtungspaar am Kolben (3) angeordnet ist.
    3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkel (5b) eines jeden Paares der L-förmigen Dichtungselemente (5) aufeinander zuweisend am Kolben (3) angeordnet sind.
    4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkel (5b) eines jeden Paares der L-förmigen Dichtungselemente (5) in die gleiche, vom Kompressionsraum (4) fortweisende Richtung am Kolben (3) angeordnet sind.
    5. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungspaar aus einem am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselement (5) und einem am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) angeordneten Dichtungselement (5) besteht.
    6. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) und am unteren Rand (3b) des Kolbens (3) jeweils ein aus zwei Dichtungselementen (5) bestehendes Dichtungspaar angeordnet ist.
    7. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein freier Schenkel (5b) eines L-förmigen Dichtungselements (5) über ein am Kolben (3) gelagertes Andrückelement (8) gegen die Zylinderinnenwand (1a) drückbar ist.
    8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (8) ein in einer ringförmigen Nut (9) des Kolbens (3) gelagerter, an sich bekannter Kolbenring ist.
    9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (8) aus einem gefüllten Kunststoffmaterial, insbesondere einer mit Kohlenstofffasern gefüllten Epoxidverbindung, besteht.
    10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (8) ein in einer ringförmigen Nut (9) des Kolbens (3) gelagerter Federring ist.
    11. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der freie Schenkel (5b) des dem oberen, dem Kompressionsraum (4) zugewandten Rand (3a) des Kolbens (3) nächstgelegenen Dichtungselements (5) über das Andrückelement (8) gegen die Zylinderinnenwand (1a) andrückbar ist.
    12. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der am Kolben (3) fixiert gelagerte, die statische Abdichtung bewirkende Schenkel (5a) jedes L-förmigen Dichtungselements (5) eine größere Dicke aufweist als der die dynamische Abdichtung bewirkende, an der Zylinderinnenwand (1a) anliegende freie Schenkel (5b) dieses Dichtungselements (5).
    13. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge des freien Schenkels (5b) eines jeden L-förmigen Dichtungselements (5) zur Dicke des am Kolben (3) fixiert gelagerten Schenkels (5a) 5:1 bis 20:1 beträgt.
    14. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des freien Schenkels (5b) eines jeden L-förmigen Dichtungselements (5) zwischen 0,3 mm und 1 mm beträgt.
    15. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser eines jeden Dichtungselements (5) größer ist als der Innendurchmesser des Zylinders (1 ).
    16. Dichtungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes L-förmige Dichtungselement (5) zumindest im Bereich des die dynamische Abdichtung bewirkenden freien Schenkels (5b) aus einem PTFE-haltigen (Polytetrafluorethylen) Material besteht.
    17. Dichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das PTFE-haltige Material der freien Schenkel (5b) der L-förmigen Dichtungselemente (5) wenigstens einen die mechanische Beständigkeit verstärkenden Zusatzstoff enthält.
    18. Dichtungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der die mechanische Beständigkeit verstärkenden Zusatzstoff ein Metall-, Glas-, Kohlenstoff- oder Kunststoffmaterial, insbesondere eine gewirkte Aramid-Faser, wie beispielsweise Kevlar ®, ist.
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