EP4062086A1 - Dichtungsanordnung und dichtelement - Google Patents

Dichtungsanordnung und dichtelement

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Publication number
EP4062086A1
EP4062086A1 EP20797410.6A EP20797410A EP4062086A1 EP 4062086 A1 EP4062086 A1 EP 4062086A1 EP 20797410 A EP20797410 A EP 20797410A EP 4062086 A1 EP4062086 A1 EP 4062086A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
sensor
sealing element
section
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20797410.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Lauer
Olaf Nahrwold
Boris Traber
Thomas Kramer
Stefan Sindlinger
Rainer Kreiselmaier
Christoph Naumann
Guido Hohmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
Publication of EP4062086A1 publication Critical patent/EP4062086A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3296—Arrangements for monitoring the condition or operation of elastic sealings; Arrangements for control of elastic sealings, e.g. of their geometry or stiffness
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/064—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces the packing combining the sealing function with other functions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement, comprising a first machine element and a second machine element, which delimit a gap, wherein a sealing element is arranged in the gap, wherein the sealing element rests sealingly on the second machine element under elastic pretension, the sealing element having a first section and a having second portion, wherein the first portion comes into contact with the medium to be sealed.
  • Seals in particular dynamically stressed seals, wear out during the foreseen service life, whereby various wear phenomena come into play. Due to material fatigue, the contact tension of the seal decreases, as does the contact pressure. Wear, material fatigue and settling behavior change the dimensions of the seals, so that the contact tension and the contact pressure gradually decrease. These processes lead to first leakage and then failure of the sealing system.
  • the sealing element comprises an electrically conductive section and an electrically non-conductive section which is in contact with the machine element to be sealed.
  • the machine element is also electrically conductive. Uses due to wear of the sealing element the electrically non-conductive sealing material is removed, so that the electrically conductive sealing material finally comes into contact with the machine element. This closes a circuit, which in turn can be sensed and signals the need to replace the sealing element.
  • the invention is based on the object of providing a sealing arrangement with the possibility of permanent and predictive status monitoring of the sealing function of the sealing element, which also takes wear and settling behavior into account.
  • the sealing arrangement comprises a first machine element and a second machine element, which delimit a gap, a sealing element being arranged in the gap, the sealing element bearing against the second machine element in a sealing manner under elastic pretension, the sealing element having a first section and a having the second section, the first section coming into contact with the medium to be sealed, the sealing element being assigned at least one sensor which detects the contact pressure of the sealing element, the sensor being assigned to the second section.
  • the sealing effect of the sealing element results essentially from the pressing force of the sealing element on the second machine element.
  • the elastic deformation generates opposing forces which act on all contact surfaces of the sealing element, that is, both on the second machine element to be sealed and on the boundary walls of the receiving space of the first machine element. Aging or dimensional changes, for example due to wear, reduce the elastic pretensioning of the sealing element with respect to the contact surfaces, which ultimately results in a decreasing sealing effect.
  • the counterforce resulting from the elastic deformation can be detected by the sensor assigned to the sealing element. As soon as the contact pressure of the sealing element detected by the sensor falls below a threshold value, a required replacement of the sealing element can be signaled.
  • the threshold value can be set in such a way that no significant leakage has yet occurred in the sealing arrangement.
  • the sealing material of the sealing element is essentially incompressible and therefore behaves like a liquid when it is deformed. Deformation or compression in one area causes the material to be displaced. At the contact points of the sealing element, for example in a groove, this increases the contact pressure of the sealing element against the groove walls. A correctly installed sealing element accordingly exerts a predetermined pressing force on the adjacent walls of the machine elements. The contact pressure gradually decreases as a result of wear. Due to the behavior described above, the contact pressure not only decreases on opposing walls, but also on all adjoining walls. In this respect, the sensor can also determine the wear of a sealing element in the areas of the sealing element, which has no direct sealing function.
  • the sensor can also detect gradual changes and thus enable continuous monitoring of the sealing arrangement.
  • the contact pressure exerted by the sealing element on the second machine element can be determined from the pressure detected by the sensor.
  • the contact pressure of the sealing element on the second machine element is directly proportional to the pressure detected by the sensor.
  • the sensor can be designed as a pressure sensor or as a force sensor.
  • the second section preferably forms a functional section which faces away from the medium to be sealed.
  • the second section can form a support section.
  • the second section has no sealing function.
  • the sensor which according to the invention is assigned to the second section, is assigned to an area of the sealing element without a sealing function.
  • the sealing area of the sealing element can have a sealing material that is optimally matched solely to the sealing function.
  • the sensor is not subject to direct wear and tear and can be optimized for the sensor function.
  • the sensor does not necessarily come into contact with media to be sealed, so that the media resistance is of secondary importance when selecting the sensor.
  • a receiving space for receiving the sealing element can be arranged in the first machine element.
  • the receiving space can be designed in the form of a circumferential groove which is made in the wall of the cylindrical bore.
  • the sensor is preferably placed in such a way that it does not come into contact with the medium to be sealed.
  • the sensor can preferably be arranged in the receiving space so that the sealing element is located between the medium to be sealed and the sensor.
  • the sensor is preferably arranged in a section of the sealing element without a sealing function.
  • the sensor preferably has an electromechanical operating principle.
  • Such sensors are, for example, piezoresistive sensors, piezoelectric sensors or strain gauges.
  • Such sensors are simple and robust.
  • the pressure to be recorded can be recorded with simple means. Continuous monitoring of the sealing arrangement is also possible.
  • the sensor has an opto-mechanical operating principle.
  • the sensor can be designed in several parts and comprise at least one spring element and at least one sensor element.
  • the spring element forms a transmission element which transmits the contact pressure exerted by the sealing element to the spring element and is finally detected by the sensor element.
  • the spring element can also form a transducer which, for example, changes a pressure acting on the spring element into a change in length, which in turn is detected by the sensor.
  • the sealing condition is recorded indirectly via the spring element.
  • the receiving space can be designed as a groove, the sensor preferably being assigned to the groove base of the groove.
  • the sealing element is arranged between the sensor and the space to be sealed, so that the sealing element encapsulates the sensor. This protects the sensor from external influences.
  • a channel which is assigned to the sensor can be arranged in the first machine element.
  • the channel accommodates a signal line for connecting the sensor to an evaluation unit. This enables a particularly simple connection of the sensor, in particular it is not necessary to supply the sensor with auxiliary energy.
  • the channel at least partially accommodates the sensor. This is particularly advantageous when the sensor has larger dimensions.
  • the sensor can be at least partially embedded in the sealing element.
  • the senor can be formed from the material of the sealing element.
  • the material can be designed as a piezoelectric material.
  • a piezoelectric filler can be introduced into the sealing material of the sealing element, which gives the sealing element piezoelectric properties.
  • the material of the sealing element can have an electrical resistance which changes as a function of the mechanical stress. This property can also be achieved by choosing a suitable filler.
  • the sensor can be attached to the sealing element. This ensures that the sensor is arranged in the correct position in relation to the sealing element.
  • the sensor is preferably firmly bonded by adhesive bonding, welding or vulcanization.
  • the sealing arrangement can be a rod seal and / or a valve seat seal.
  • the sealing arrangement according to the invention is particularly advantageous in connection with food applications. In food applications, ongoing monitoring of the sealing arrangement is often necessary in order to prevent food contamination.
  • the sealing element can be, for example, an O-ring, a quad-ring or the like.
  • the sealing arrangement can also be a static seal.
  • the sealing element according to the invention for the sealing arrangement comprises a sealing body made of a sealing material and at least one sensor.
  • the sensor can be fastened to the sealing element or, according to a second embodiment, can be at least partially embedded in the sealing element.
  • FIG. 3 shows a sealing arrangement with a sensor embedded in the sealing element
  • FIG. 5 shows a sealing arrangement with an electromechanical sensor which is formed from the material of the sealing element.
  • the figures show a sealing arrangement 1 with a first machine element 2 and a second machine element 3, which delimit a gap 4.
  • the first machine element 2 is a housing and the second machine element 3 is a rod which moves in a translatory manner relative to the first machine element 2.
  • the sealing arrangement 1 is arranged in a valve seat view.
  • the first machine element 2 is a housing and the second machine element 3 is a valve stem.
  • a sealing element 5 is arranged in the gap 4.
  • the sealing element 5 separates the space to be sealed off from the surroundings.
  • a medium to be sealed for example lubricating oil, is located in the space to be sealed.
  • other configurations of sealing arrangements with alternative configurations of the first machine element 2, second machine element 3 and sealing element 5 are also conceivable.
  • a receiving space 6 is introduced into the first machine element 2.
  • the receiving space 6 is designed as a groove and has two groove walls and a groove base.
  • the receiving space 6 is annular.
  • the sealing element 5 is inserted into the receiving space 6 and rests against the second machine element 3 in a sealing manner under elastic prestress.
  • the sealing element 5 is arranged directly in the gap 4.
  • the sealing element 5 is a rectangular seal.
  • the sealing element 5 can be designed as an O-ring or as a quad-ring.
  • the sealing element 5 is formed from an elastomeric sealing material, for example silicone rubber or fluororubber.
  • a sensor 7 is assigned to the sealing element 5, which sensor detects the contact pressure of the sealing element.
  • the sealing element 5 rests against the second machine element 3 in a sealing manner with elastic prestress.
  • the sealing element 5 is pressed into the receiving space 6 and exerts a force on the sensor 7.
  • the pressing of the sealing element 5 against the second machine element 3 to be sealed decreases, with the force exerted by the sealing element 5 on the sensor 7 likewise decreasing.
  • the contact pressure of the sealing element 5 and thus the wear of the sealing element 5 can be determined continuously by the sensor 7. If the pressure of the sealing element 5 on the sensor 7 falls below a predetermined value, a required replacement of the sealing element 5 can be signaled.
  • the sensor 7 has an electromechanical operating principle, so that the pressure can be detected using simple means and can be passed on electronically to an evaluation unit.
  • the sealing element 5 has a first section 13 facing the second machine element 3 and a second section 14 facing away from the second machine element 3.
  • the sensor 7 is assigned to the second section 14 and is thus spaced apart from the second machine element 3.
  • the first section 13 is designed as a sealing section and the second section 14 as a support section.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the sealing arrangement 1.
  • the sensor 7 is attached to the sealing element 5. After assembly, the sensor 7 is located in the receiving space 6 between the sealing element 5 and the groove base of the receiving space 6.
  • a channel 10 which receives a signal line for connecting the sensor 7 to an evaluation unit, opens into the receiving space.
  • the senor 7 is attached to the sealing element 5.
  • the sensor 5 can be inserted into the receiving space 6 and held solely by the pressing of the sealing element 5.
  • the sensor 7 can be fixed in the receiving space 6 by means of a screw connection.
  • the sensor 7 can be designed as a strain gauge, which is arranged on the side of the sealing element 5 that is assigned to the groove base of the receiving space 6. According to an alternative embodiment, the sensor 7 can be designed as a piezoresistive sensor.
  • FIG. 2 shows a further development of the sealing arrangement 1 described in FIG. 1.
  • the channel also accommodates the sensor 7 in addition to the signal line. At the mouth of the channel in the receiving space 6, the sensor 7 rests against the sealing element 5.
  • the sensor 7 is embedded in the sealing element 5.
  • the sensor 7 is placed in a mold and encapsulated with the sealing material.
  • the sensor 7 is encapsulated within the sealing element 5.
  • FIG. 4 shows a sealing arrangement 1 in which a spring element 8 is assigned to the sealing element 5 on the side facing the groove base of the receiving space 6.
  • the spring element 8 is designed similar to a plate spring.
  • a sensor element 9 is arranged on the side of the spring element 8 facing away from the sealing element 5.
  • spring element 8 and sensor element 9 form a sensor 7 in the form of a pressure sensor.
  • the sensor element 9 detects deformations of the spring element 8, which result from the pressing of the sealing element 5.
  • FIG. 5 shows a sealing arrangement 1 in which the sensor 7 is formed from the material of the sealing element 5, that is to say from the sealing material.
  • fillers are introduced into the material, which give the material electromechanical properties.
  • the filler can be introduced into the material in such a way that the electromechanical
  • the side of the sealing element 5 facing away from the second machine element 3 is designed as a piezoelectric pressure sensor, so that the sensor 7 is made of the same material and is made in one piece from the sealing element 5.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Sealing (AREA)

Abstract

Dichtungsanordnung (1), umfassend ein erstes Maschinenelement (2) und ein zweites Maschinenelement (3), welche einen Spalt (4) begrenzen, wobei in dem Spalt (4) ein Dichtelement (5) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (5) unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement (3) anliegt, wobei das Dichtelement (5) einen ersten Abschnitt (13) und einen zweiten Abschnitt (14) aufweist, wobei der erste Abschnitt (13) mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt, wobei dem Dichtelement (5) zumindest ein Sensor (7) zugeordnet ist, welcher die Anpressung des Dichtelementes (5) erfasst, wobei der Sensor (7) dem zweiten Abschnitt (14) zugeordnet ist.

Description

Patentanmeldung
Anmelder: Carl Freudenberg KG, 69469 Weinheim Dichtungsanordnung und Dichtelement
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, umfassend ein erstes Maschinenelement und ein zweites Maschinenelement, welche einen Spalt begrenzen, wobei in dem Spalt ein Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement anliegt, wobei das Dichtelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt in Kontakt mit dem abzudichtenden Medium gelangt.
Dichtungen, insbesondere dynamisch beanspruchte Dichtungen nutzen sich während der vorhergesehenen Lebensdauer ab, wobei verschiedene Abnutzungsphänomene zum Tragen kommen. Durch Materialermüdung lässt die Kontaktspannung der Dichtung nach, ebenso nimmt die Anpresskraft ab. Durch Verschleiß, Materialermüdung und Setzverhalten ändern sich die Dimensionen der Dichtungen, so dass die Kontaktspannung und die Anpresskraft allmählich nachlassen. Diese Vorgänge führen dazu, dass es zunächst zu einer Leckage und anschließend zum Ausfall des Dichtsystems kommt.
Zur Überwachung einer möglichen Leckage von Dichtungen ist es bekannt, in die Dichtung eine Einrichtung zur Leckageüberwachung zu integrieren. Eine derartige Leckageüberwachung ist beispielsweise aus der DE 102007007405 B4 bekannt. Dort ist eine elektrische Einrichtung zur Erkennung des Verschleißzustandes eines dynamischen Dichtelementes beschrieben. Das Dichtelement umfasst dabei einen elektrisch leitfähigen Abschnitt und einen elektrisch nicht-leitfähigen Abschnitt, welcher mit dem abzudichtenden Maschinenelement in Kontakt steht. Das Maschinenelement ist ebenfalls elektrisch leitfähig. Durch Verschleiß des Dichtelementes nutzt sich das elektrisch nicht-leitende Dichtmaterial ab, so dass das elektrisch leitende Dichtmaterial schließlich in Kontakt mit dem Maschinenelement gelangt. Dabei schließt sich ein Stromkreis, was wiederum sensiert werden kann und den erforderlichen Austausch des Dichtelementes signalisiert.
Bei dieser Ausgestaltung ist nachteilig, dass keine allmählichen Zustandsänderungen erfassbar sind. Es kann lediglich ermittelt werden, dass die Verschleißgrenze des Dichtelementes erreicht ist und dass das Dichtelement ausgetauscht werden muss. Des Weiteren erfasst diese Ausgestaltung lediglich einen materialabtragenden Verschleiß. Ein Verlust der Dichtwirkung durch Setzverhalten kann hingegen nicht erfasst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung mit der Möglichkeit einer permanenten und vorausschauenden Zustandsüberwachung der Dichtfunktion des Dichtelementes bereitzustellen, welche auch Verschleiß und Setzverhalten berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 10 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Dichtungsanordnung ein erstes Maschinenelement und ein zweites Maschinenelement, welche einen Spalt begrenzen, wobei in dem Spalt ein Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement anliegt, wobei das Dichtelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt, wobei dem Dichtelement zumindest ein Sensor zugeordnet ist, welcher die Anpressung des Dichtelementes erfasst, wobei der Sensor dem zweiten Abschnitt zugeordnet ist.
Die Dichtwirkung des Dichtelementes resultiert wesentlich durch die Anpresskraft des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement. Die Anpressung des Dichtelementes entsteht dabei bei einem aus elastomeren Material ausgebildeten Dichtelement durch die elastische Verformung des Dichtungswerkstoffes. Die elastische Verformung erzeugt Gegenkräfte, welche an allen Anlageflächen des Dichtelementes wirken, also sowohl an dem abzudichtenden zweiten Maschinenelement als auch an den Begrenzungswänden des Aufnahmeraumes des ersten Maschinenelementes. Durch Alterung oder Dimensionsänderungen, beispielsweise durch Verschleiß, verringert sich die elastische Vorspannung des Dichtelementes gegenüber den Anlageflächen, was schließlich einer abnehmenden Dichtwirkung resultiert. Durch den dem Dichtelement zugeordneten Sensor kann die aus der elastischen Verformung resultierende Gegenkraft erfasst werden. Sobald der durch den Sensor erfasste Anpressdruck des Dichtelementes einen Schwellenwert unterschreitet kann ein erforderlicher Austausch des Dichtelementes signalisiert werden. Dabei kann der Schwellwert so eingestellt sein, dass noch keine nennenswerte Leckage in der Dichtungsanordnung aufgetreten ist.
Der Dichtungswerkstoff des Dichtelementes, zumeist ein Elastomer, ist im Wesentlichen inkompressibel und verhält sich dadurch bei Verformung wie eine Flüssigkeit. Eine Verformung oder Kompression in einem Bereich bewirkt eine Verdrängung des Materials. An Kontaktstellen des Dichtelementes, beispielsweise in einer Nut, erhöht sich dadurch der Anpressdruck des Dichtelementes an die Nutwände. Ein korrekt montiertes Dichtelement übt dementsprechend eine vorbestimmte Anpresskraft an die angrenzenden Wände der Maschinenelemente aus. Durch Verschleiß lässt die Anpresskraft allmählich nach. Aufgrund des oben beschriebenen Verhaltens nimmt dabei die Anpresskraft nicht nur an aneinander gegenüberliegenden Wänden ab, sondern an allen angrenzenden Wänden. Insofern kann der Sensor auch in den Bereichen des Dichtelementes den Verschleiß eines Dichtelementes ermitteln, welcher keine unmittelbare Dichtfunktion hat. Der Sensor kann auch allmähliche Veränderungen erfassen und so ein kontinuierliches Monitoring der Dichtungsanordnung ermöglichen. Aus dem durch den Sensor erfassten Druck kann der von dem Dichtelement an das zweite Maschinenelement ausgeübte Anpressdruck ermittelt werden. Je nach Ausgestaltung der Dichtungsanordnung ist der Anpressdruck des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement direkt proportional zu dem von dem Sensor erfassten Druck. Alternativ ist es denkbar, eine Relation durch Simulation oder dergleichen herzustellen, so dass auch bei komplizierten Ausgestaltungen von Aufnahmeraum und/oder Dichtelement ein Rückschluss auf den Anpressdruck des Dichtelementes an das zweite Maschinenelement möglich ist. Der Sensor kann dabei als Drucksensor oder als Kraftsensor ausgebildet sein.
Der zweite Abschnitt bildet vorzugsweise einen Funktionsabschnitt, welcher dem abzudichtenden Medium abgewandt ist. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt einen Stützabschnitt bilden.
Der zweite Abschnitt weist im Gegensatz zu dem ersten Abschnitt keine Dichtfunktion auf. Der Sensor, der erfindungsgemäß dem zweiten Abschnitt zugeordnet ist, ist dabei einem Bereich des Dichtelementes ohne Dichtfunktion zugeordnet. Dadurch kann der Dichtbereich des Dichtelementes einen allein auf die Dichtfunktion optimal abgestimmten Dichtungswerkstoff aufweisen. Des Weiteren unterliegt der Sensor keinem direkten Verschleiß und kann auf die Sensorfunktion optimiert sein. Des Weiteren gelangt der Sensor nicht unbedingt mit abzudichtenden Medien in Kontakt, so dass bei der Auswahl des Sensors die Medienbeständigkeit von untergeordneter Bedeutung ist.
In dem ersten Maschinenelement kann ein Aufnahmeraum zur Aufnahme des Dichtelementes angeordnet sein. Der Aufnahmeraum kann im Fall eines Maschinenelementes mit zylindrischer Bohrung in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet sind, welche in die Wand der zylindrischen Bohrung eingebracht ist. Der Sensor ist vorzugsweise derart plaziert, dass dieser nicht mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt. Dazu kann der Sensor vorzugsweise im Aufnahmeraum angeordnet sein, so dass sich das Dichtelement zwischen abzudichtenden Medium und Sensor befindet. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, dass der Sensor keinem direkten Verschleiß unterworfen ist und dass der Sensor auch keinerlei Anforderungen im Hinblick auf Medienbeständigkeit, bzw. im Fall von Lebensmittelanwendungen einer Lebensmitteltauglichkeit erfüllen muss. Darüber hinaus ist der Sensor vorzugsweise einem Abschnitt des Dichtelementes ohne Dichtfunktion angeordnet.
Bevorzugt weist der Sensor ein elektromechanisches Wirkprinzip auf. Derartige Sensoren sind beispielsweise piezoresistive Sensoren, piezoelektrische Sensoren oder Dehnungsmessstreifen. Derartige Sensoren sind einfach und robust. Der zu erfassende Druck kann mit einfachen Mitteln erfasst werden. Ferner ist ein kontinuierliches Monitoring der Dichtungsanordnung möglich. Prinzipiell ist auch denkbar, dass der Sensor ein optomechanisches Wirkprinzip aufweist.
Der Sensor kann mehrteilig ausgebildet sein und zumindest ein Federelement sowie zumindest ein Sensorelement umfassen. Das Federelement bildet dabei ein Übertragungselement, welches den von dem Dichtelement ausgeübten Anpressdruck an das Federelement überträgt und schließlich durch das Sensorelement erfasst wird. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann das Federelement auch einen Wandler bilden, den beispielsweise einen auf das Federelement einwirkenden Druck in eine Längenänderung ändert, welche wiederum durch den Sensor erfasst wird. Die Erfassung des Dichtungszustandes erfolgt dabei indirekt über das Federelement. Bei dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, das Sensorelement beabstandet zu dem Dichtelement anzuordnen.
Der Aufnahmeraum kann als Nut ausgebildet sein, wobei der Sensor vorzugsweise dem Nutgrund der Nut zugeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist das Dichtelement zwischen Sensor und abzudichtenden Raum angeordnet, so dass das Dichtelement den Sensor verkapselt. Dadurch ist der Sensor vor äußeren Einflüssen geschützt.
In dem ersten Maschinenelement kann ein Kanal angeordnet sein, welcher dem Sensor zugeordnet ist. Der Kanal nimmt nach einer ersten Ausgestaltung eine Signalleitung zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinheit auf. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Anschluss des Sensors, insbesondere ist es nicht erforderlich, den Sensor mit Hilfsenergie zu versorgen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nimmt der Kanal zumindest teilweise den Sensor auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sensor größere Abmessungen aufweist.
Der Sensor kann zumindest teilweise in das Dichtelement eingebettet sein.
Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, den Sensor separat zu montieren. Des Weiteren ist der Sensor durch das Dichtelement vor äußeren Einflüssen geschützt.
Der Sensor kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aus dem Material des Dichtelementes ausgebildet sein. Dabei kann das Material gemäß einer ersten Ausgestaltung als piezoelektrisches Material ausgebildet sein. Dazu kann in das Dichtmaterial des Dichtelementes ein piezoelektrischer Füllstoff eingebracht sein, der dem Dichtelement piezoelektrische Eigenschaften verleiht. Alternativ kann das Material des Dichtelementes einen elektrischen Widerstand aufweisen, welcher sich in Abhängigkeit der mechanischen Spannung ändert. Diese Eigenschaft kann ebenfalls durch Wahl eines geeigneten Füllstoffes realisiert werden.
Der Sensor kann an dem Dichtelement befestigt sein. Dadurch ist sichergestellt, dass der Sensor lagerichtig zum Dichtelement angeordnet ist. Die Befestigung des Sensors erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig durch Kleben, Schweißen oder Vulkanisation. Die Dichtungsanordnung kann eine Stangendichtung und/oder eine Ventilsitzdichtung sein. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung im Zusammenhang mit Lebensmittelanwendungen. Bei Lebensmittelanwendungen ist häufig ein laufendes Monitoring der Dichtungsanordnung erforderlich, um Verunreinigungen von Lebensmitteln zu verhindern. Das Dichtelement kann dabei beispielsweise ein O-Ring, ein Quad-Ring oder dergleichen sein. Die Dichtungsanordnung kann ebenso eine statische Dichtung sein.
Das erfindungsgemäße Dichtelement für die Dichtungsanordnung umfasst einen Dichtkörper aus einem Dichtungsmaterial und zumindest einen Sensor. Dabei kann der Sensor gemäß einer ersten Ausgestaltung an dem Dichtelement befestigt sein oder gemäß einer zweiten Ausgestaltung zumindest teilweise in das Dichtelement eingebettet sein.
Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Dichtungsanordnung mit einem Sensor im Bereich des Nutgrundes;
Fig. 2 eine Dichtungsanordnung mit einem in dem Kanal aufgenommenen Sensor;
Fig.3 eine Dichtungsanordnung mit einem in das Dichtelement eingebetteten Sensor;
Fig. 4 eine Dichtungsanordnung mit einem mehrteiligen Sensor;
Fig. 5 eine Dichtungsanordnung mit einem elektromechanischen Sensor, der aus dem Material des Dichtelementes ausgebildet ist.
Die Figuren zeigen eine Dichtungsanordnung 1 mit einem ersten Maschinenelement 2 und einem zweiten Maschinenelement 3, welche einen Spalt 4 begrenzen. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist das erste Maschinenelement 2 ein Gehäuse und das zweite Maschinenelement 3 ist eine Stange, welche sich relativ zu dem ersten Maschinenelement 2 translatorisch bewegt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Dichtungsanordnung 1 in einer Ventilsitzsichtung angeordnet. Dabei ist das erste Maschinenelement 2 ein Gehäuse und das zweite Maschinenelement 3 ist ein Ventilschaft.
In dem Spalt 4 ist ein Dichtelement 5 angeordnet. Dabei trennt das Dichtelement 5 den abzudichtenden Raum über der Umgebung. In dem abzudichtenden Raum befindet sich ein abzudichtendes Medium, beispielsweise Schmieröl. Prinzipiell sind auch andere Ausgestaltungen von Dichtungsanordnungen mit alternativen Ausgestaltungen von erstem Maschinenelement 2, zweitem Maschinenelement 3 und Dichtelement 5 denkbar.
Zur Aufnahme des Dichtelementes 5 ist in das erste Maschinenelement 2 ein Aufnahmeraum 6 eingebracht. Der Aufnahmeraum 6 ist vorliegend als Nut ausgebildet und weist zwei Nutwände sowie einen Nutgrund auf. Der Aufnahmeraum 6 ist ringförmig ausgebildet. Das Dichtelement 5 ist in den Aufnahmeraum 6 eingelegt und liegt unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement 3 an. Bei einer alternativ ausgestalteten Dichtungsanordnung 1 ist das Dichtelement 5 direkt in dem Spalt 4 angeordnet.
Das Dichtelement 5 ist vorliegend eine rechteckig ausgebildete Dichtung. Alternativ kann das Dichtelement 5 als O-Ring oder als Quad-Ring ausgebildet sein. Das Dichtelement 5 ist aus einem elastomeren Dichtungsmaterial ausgebildet, beispielsweise Silikon-Kautschuk oder Fluorkautschuk.
Dem Dichtelement 5 ist ein Sensor 7 zugeordnet, welcher die Anpressung des Dichtelementes erfasst. Nach der Montage liegt das Dichtelement 5 mit elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement 3 an. Dadurch wird das Dichtelement 5 in den Aufnahmeraum 6 eingedrückt und übt eine Kraft auf den Sensor 7 auf. Mit zunehmendem Verschleiß nimmt die Anpressung des Dichtelementes 5 an das abzudichtende zweite Maschinenelement 3 ab, wobei die von dem Dichtelement 5 auf den Sensor 7 ausgeübte Kraft gleichermaßen nachlässt. Dadurch kann durch den Sensor 7 kontinuierlich die Anpressung des Dichtelementes 5 und damit der Verschleiß des Dichtelementes 5 ermittelt werden. Unterschreitet die Anpressung des Dichtelementes 5 an den Sensor 7 einen vorgegebenen Wert, kann ein erforderlicher Austausch des Dichtelementes 5 signalisiert werden.
Der Sensor 7 weist ein elektromechanisches Wirkprinzip auf, so dass der Druck mit einfachen Mitteln erfassbar und elektronisch an einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden kann.
Das Dichtelement 5 weist ein dem zweiten Maschinenelement 3 zugewandten ersten Abschnitt 13 und ein dem zweiten Maschinenelement 3 abgewandten zweiten Abschnitt 14 auf. Der Sensor 7 ist dem zweiten Abschnitt 14 zugeordnet und damit von dem zweiten Maschinenelement 3 beabstandet.
Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der erste Abschnitt 13 als Dichtabschnitt und der zweite Abschnitt 14 als Stützabschnitt ausgebildet.
Figur 1 zeigt eine erste Ausgestaltung der Dichtungsanordnung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 befestigt. Der Sensor 7 befindet sich nach der Montage in dem Aufnahmeraum 6 zwischen Dichtelement 5 und Nutgrund des Aufnahmeraumes 6.
In den Aufnahmeraum mündet ein Kanal 10, welcher eine Signalleitung zum Anschluss des Sensors 7 an eine Auswerteeinheit aufnimmt.
Vorliegend ist der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 befestigt. Alternativ kann der Sensor 5 in den Aufnahmeraum 6 eingelegt und allein durch die Anpressung des Dichtelementes 5 gehalten sein. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der Sensor 7 mittels einer Schraubverbindung in dem Aufnahmeraum 6 fixiert sein.
Der Sensor 7 kann als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein, welcher auf der Seite des Dichtelementes 5 angeordnet ist, die dem Nutgrund des Aufnahmeraumes 6 zugeordnet ist. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der Sensor 7 als piezoresistiver Sensor ausgebildet sein.
Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der in Figur 1 beschriebenen Dichtungsanordnung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung nimmt der Kanal neben der Signalleitung auch den Sensor 7 auf. An der Mündung des Kanales in den Aufnahmeraum 6 liegt der Sensor 7 an dem Dichtelement 5 an.
Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 3 ist der Sensor 7 in das Dichtelement 5 eingebettet. Zur Fierstellung wird der Sensor 7 in einem Formwerkzeug plaziert und mit dem Dichtungsmaterial umspritzt. Bei dieser Ausgestaltung ist der Sensor 7 innerhalb des Dichtelementes 5 eingekapselt. In den Aufnahmeraum 6 mündet ein Kanal 10, welcher die Signalleitung 11 zum Verbinden des Sensors 7 mit einer Auswerteeinheit aufnimmt.
Figur 4 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 , bei welcher an dem Dichtelement 5 auf der dem Nutgrund des Aufnahmeraums 6 zugewandten Seite ein Federelement 8 zugeordnet ist. Das Federelement 8 ist ähnlich einer Tellerfeder ausgestaltet. Auf der dem Dichtelement 5 abgewandten Seite des Federelementes 8 ist ein Sensorelement 9 angeordnet. Federelement 8 und Sensorelement 9 bilden bei dieser Ausgestaltung einen Sensor 7 in Form eines Drucksensors. Das Sensorelement 9 erfasst Verformungen des Federelementes 8, welche aus der Anpressung des Dichtelements 5 resultieren. In den Aufnahmeraum 6 mündet ein Kanal 10, welcher die Signalleitung 11 zum Anschluss des Sensors 7 an eine Auswerteeinheit aufnimmt. Figur 5 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 , bei welcher der Sensor 7 aus dem Material des Dichtelementes 5, also aus dem Dichtungswerkstoff, ausgebildet ist. Dazu sind in das Material Füllstoffe eingebracht, welche dem Material elektromechanische Eigenschaften verleihen. Dabei kann der Füllstoff so in das Material eingebracht sein, dass sich die elektromechanischen
Eigenschaften lediglich lokal ausbilden, beispielweise auf der dem Nutgrund des Aufnahmeraums 6 zugewandten Seite.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die dem zweiten Maschinenelement 3 abgewandten Seite des Dichtelementes 5 als piezoelektrischer Drucksensor ausgebildet, so dass der Sensor 7 materialeinheitlich und einstückig aus dem Dichtelement 5 ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungsanordnung (1 ), umfassend ein erstes Maschinenelement (2) und ein zweites Maschinenelement (3), welche einen Spalt (4) begrenzen, wobei in dem Spalt (4) ein Dichtelement (5) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (5) unter elastischer Vorspannung dichtend an dem zweiten Maschinenelement (3) anliegt, wobei das Dichtelement (5) einen ersten Abschnitt (13) und einen zweiten Abschnitt (14) aufweist, wobei der erste Abschnitt (13) mit abzudichtendem Medium in Kontakt gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dichtelement (5) zumindest ein Sensor (7) zugeordnet ist, welcher die Anpressung des Dichtelementes (5) erfasst, wobei der Sensor (7) dem zweiten Abschnitt (14) zugeordnet ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (14) einen Funktionsabschnitt bildet, welcher dem abzudichtenden Medium abgewandt ist.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (14) einen Stützabschnitt bildet.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) ein elektromechanisches Wirkprinzip aufweist.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) zumindest ein Federelement (8) und zumindest ein Sensorelement (9) umfasst.
6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Maschinenelement (2) ein Aufnahmeraum (6) zur Aufnahme des Dichtelementes (5) angeordnet ist,
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (6) als Nut ausgebildet ist und der Sensor (7) dem Nutgrund der Nut zugeordnet ist.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Maschinenelement (2) ein Kanal (10) angeordnet ist, wobei der Kanal (10) dem Dichtelement (5) zugeordnet ist.
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (10) zumindest teilweise den Sensor (7) und/oder eine Signalleitung (11) zum Anschluss des Sensors (7) aufnimmt.
10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) an dem Dichtelement (5) befestigt ist.
11. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) zumindest teilweise in das Dichtelement (5) eingebettet ist.
12. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) aus dem Material des Dichtelementes (5) ausgebildet ist.
13. Dichtungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Dichtelementes (5) als piezoelektrisches Material ausgebildet ist.
14. Dichtungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Dichtungselementes einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher sich in Abhängigkeit der mechanischen Spannung ändert.
15. Dichtelement (5) für eine Dichtungsanordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Dichtkörper (12) aus einem Dichtungsmaterial und zumindest einen Sensor (7).
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