Dichtungssystem für eine vertikal angeordnete Welle
Die Erfindung bezieht sich auf ein im Durchtritt durch eine Gehäusewand angeordnetes DichtungsSystem für eine im wesent¬ lichen vertikale Welle mit einem aktiven Dichtelement, das sich zwischen einem mit der Welle rotierenden Bauteil und einem gehäusefesten Bauteil befindet, wobei die Gehäusewand einen oberen, ölfreien Raum von einem unteren, ölenthalten- den Raum trennt.
DichtungsSysteme dieser Art werden beispielsweise bei einer Vakuumpumpe eingesetzt, wie sie in der DE-A-42 33 142 beschrieben ist. Bei Vakuumpumpen dieser Art macht die Abführung der im rotierenden System entstehenden Wärme Probleme. Sie entsteht zum einen infolge der Kompressions¬ arbeit der Rotoren in ihren Schöpfräumen und zum anderen durch die Reibungswärme der verwendeten Berührungsdichtung (Radial-Wellendichtung) .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein DichtungsSystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Abführung von Wärme maßgeblich verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Dichtungssystem öldurchströmt ist und daß das mit der Welle rotierende Bauteil sowie ein weiteres gehäusefestes Bauteil einen vom öl durchströmten Spalt bilden. Das in diesem Spalt
strömende öl nimmt einerseits Wärme aus dem mit der Welle rotierenden Bauteil auf und führt sie ab. Zum anderen stellt das öl einen Wärmekontakt zwischen dem rotierenden Bauteil und dem gehäusefesten Bauteil her, so daß auch über das gehäusefeste Bauteil und damit über das Gehäuse Wärme abgeführt wird.
Zweckmäßig sind das rotierende Bauteil und das weitere gehäusefeste Bauteil in ihren einander zugewandten Bereichen zum Zwecke der Verlängerung des öldurchströmten Spaltes labyrinthartig gestaltet. Die Kühlwirkung wird dadurch verstärkt. Außerdem hat ein langer Spalt dieser Art eine Drosselwirkung. Diese hält einen Überdruck und damit eine ständige Überflutung ohne Blasenbildung am öleintritt aufrecht.
Das aktive Dichtelement kann eine Berührungsdichtung (Wel¬ lendichtung, Manschettendichtung oder ähnliches) oder eine Gewinde-Wellendichtung sein. Besonders zweckmäßig ist eine Kombination, bestehend aus einer primären Berührungsdichtung und einer sekundären Gewinde-Wellendichtung als Hilfsab¬ dichtung.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungs- beispielen erläutert werden. Es zeigen
Figuren 1 und la ein DichtungsSystem mit einer Gewinde-Wellendichtung,
Figur 2 ein Dichtungssystem mit einer Gewinde-Wellen¬ dichtung und einem Radial-Wellendichtring und
Figur 3 ein Dichtungssystem mit einer Gewinde-Wellen¬ dichtung und einer Manschettendichtung.
In allen Figuren sind die Gehäusewand mit 1, der in der ehäusewand 1 vorgesehene Durchtritt mit 2, die den Durch¬ tritt 2 durchsetzende vertikale Welle mit 3 und das die Welle 3 gegenüber dem Durchtritt 2 abdichtende Dichtungssy¬ stem allgemein mit 4 bezeichnet. Die Gehäusewand 1 trennt z.B. bei Vakuumpumpen einen oberen, ölfreien Raum (Schöpf- r um mit niedrigen Drücken, Vakuum) von einem unteren ölenthaltenden Raum (Getrieberaum, in dem den Atmosphären¬ druck übersteigende Drücke auftreten können) ab. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Welle 3 im Durchtritt 2 gelagert. Die unterhalb des DichtungsSystems 4 angeordneten Lager sind mit 5 bezeichnet.
Das Dichtungssystem 4 umfaßt ein mit der Welle rotierendes Bauteil 7. Weiterhin sind zwei gehäusefeste Bauteile 8 und 9 vorhanden. Das erste Bauteil 8 (Dichtungsbauteil 8) umgibt das rotierende Bauteil 7. Das zweite gehäusefeste Bauteil 9 bildet zusammen mit dem rotierenden Bauteil 7 einen öl- durchströmten Spalt 11. Die Zuführung des unter geringem Überdruck stehenden Öls, vorzugsweise PFPE-Öl, erfolgt über die Bohrung 12 in der Gehäusewand 1. Danach durchströmt es - wie weiter unten noch genauer erläutert - den Spalt 11 und gelangt durch die Lager 5 in den unterhalb der Lager 5 befindlichen ölenthaltenden Raum.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bilden das rotierende Bauteil 7 und das gehäusefeste Dichtungsbauteil 8 eine Gewinde-Wellendichtung 13. Das auf dem rotierenden Bauteil 7 befindliche Gewinde ist so gestaltet, daß es bei sich drehender Welle von unten in die Gewinde-Wellendichtung 13 gelangendes öl wieder nach unten fördert (Rückfördergewinde). Das öl steigt bei gegebener Druckdifferenz im Rückförderge¬ winde auf, bis das Gleichgewicht zwischen abzudichtender Druckdifferenz und Förderdruck des Gewindes erreicht ist. Die variable Füllhöhe muß kleiner bleiben als die geome¬ trisch verfügbare axiale Länge des Rückfördergewindes.
Das zweite gehäusefeste Bauteil 9 (Spaltbildungsbauteil 9) umfaßt einen flanschartigen Rand 14, der sich unterhalb des Bauteiles 8 erstreckt, und einen sich in Höhe des rotieren¬ den Bauteiles 7 nach oben erstreckenden zylindrischen Abschnitt 15. Dieser Abschnitt 15 erstreckt sich berührungs¬ frei in eine nach unten offene Ringnut 16 im rotierenden Bauteil 7, und zwar derart, daß der Spalt 11 entsteht.
Während des Betriebs einer Maschine mit einem Dichtungssy¬ stem 4 nach Figur 1 strömt das öl aus der Bohrung 12 durch radiale Schlitze 18 in einen Ringraum 19, in den von oben sowohl der Rückfördergewindespalt 13 als auch der Spalt 11 münden. In den Gewindespalt 13 gelangendes öl wird ständig zurückgefördert, um die gewünschte Abdichtung sicherzustel¬ len. Das öl kann deshalb nur durch den Spalt 11, also zwischen dem rotierenden Bauteil 7 und dem Zylinderabschnitt 15 zunächst nach oben und dann wieder nach unten, aus dem Ringraum 9 abströmen. Auf diesem Weg erfüllt es die Aufgabe, Wärme aus dem rotierenden Bauteil aufzunehmen, um sie entweder selbst abzuführen oder auf das gehäusefeste Bauteil zu übertragen. Zweckmäßig ist die Weite des Spaltes kleiner als 1 mm, vorzugsweise 0,3 mm.
Für den Fall der Verwendung der Lösung nach Figur 1 bei einer Vakuumpumpe ist folgendes zu bedenken: Falls die Pumpe betriebswarm (z.B. bei 80° C und demgemäß einem von der thermischen Ausdehnung erzeugten Getrieberaumdruck von ca. 1,3 bar) abgestellt wird, verschwindet momentan der Rück¬ förderdruck der Gewinde-Wellendichtung 13. Infolgedessen wird der weiterbestehende Getrieberaumdruck das im Gewinde¬ spalt enthaltene öl nach oben in den Förderraum der Pumpe drängen. Um dieses Problem zu lösen, wird vorgeschlagen, oberhalb des Rückfördergewindes 13 einen erweiterter Ring¬ raum 21 (dargestellt in Figur la) vorzusehen, in dem im beschriebenen Fall das öl gesammelt werden kann, ohne daß es tatsächlich bis in den Pumpenraum gelangt. Beim Wiederan¬ laufen der Pumpe holt das Rückfördergewinde das im
erweiterten Ringraum 21 befindliche öl sofort zurück sofern es sich nicht bei einem längeren Stillstand, verbunden mit einer Abkühlung des Getrieberaums, von selbst zurückgezogen hat.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist zusätzlich zur Gewinde-Wellendichtung 13 eine Berührungsdichtung vorgese¬ hen, und zwar ein Radial-Wellendichtring 22 (RWDR 22). Er befindet sich im Ringraum 19, und zwar unterhalb der Gewinde- Wellendichtung 13. Seine Anordnung ist so gewählt, daß seine Dichtlippe 23 zusammen mit dem rotierenden Bauteil 7 eine - •nnen gelegene - Dichtstelle bilden. Die offene Seite des Dichtringes 22 ist dem ölenthaltenden Raum zugewandt. Der Abstand der Dichtstelle vom öldurchströmten Spalt 11 ist möglichst klein gewählt, damit eine wirksame Kühlung der Dichtstelle erreicht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel dichtet zunächst der RWDR 22 auf herkömmliche Weise das öl ab. Um eine optimale Gebrauchsdauer des RWDR 22 zu errei¬ chen, ist auf eine geringe spezifische Radialkraft, vor¬ zugsweise weniger als 0,15 N/mm, zu achten. Zu diesem Zweck kann der RWDR 22 ohne Feder eingebaut werden. Der RWDR 22 läuft, anders als bei herkömmlichen Anordnungen, auf einem dünnwandigen, rohrförmigen Fortsatz des rotierenden Bauteils 7. Dadurch ist die berührende Dichtstelle besonders intensiv von innen und von außen gekühlt. Durch die geringe Radial¬ kraft einerseits und die Kühlung der Dichtstelle anderer¬ seits ist gegenüber herkömmlichen Anordnungen von RWDR mit einer erheblichen Steigerung der Lebensdauer des RWDR 22 zu rechnen.
Sobald am RWDR 22 eine Leckage auftritt, die über das Fassungsvermögen des Ringraumes 19 oberhalb des RWDR 22 hinausgeht, tritt das Rückfördergewinde 13 in Aktion. Je höher bei weiterer Leckage das öl im Rückfördergewinde 13 ansteigt, desto höher wird der vom Gewinde erzeugte Flüs¬ sigkeitsdruck auf der Oberseite des RWDR 22. Dadurch wird der RWDR 22 immer mehr entlastet und läuft schließlich
nahezu reibungsfrei. Dennoch dichtet der RWDR 22 beim Stillsetzen der Pumpe, wenn also der Druck des Gewindes verschwindet, den Spalt wieder vollständig ab, so daß durch den Überdruck im Getrieberaum kein öl nach oben durchge¬ schoben werden kann. Ein ölsammelraum 21, wie er zur Lösung nach Figur 1 beschrieben wurde, kann also entfallen. Beim Wiederanfahren fördert das Gewinde sofort öl nach unten. Dabei wird der RWDR 22 von oben geschmiert und zugleich entlastet. Wenn bei zwischenzeitlich abgekühlter Pumpe der Druck im Getrieberaum noch verhältnismäßig niedrig ist, kann der von oben druckbeaufschlagte RWDR nach unten öl durch¬ lassen, wodurch sich das Rückfördergewinde unter Umständen teilweise oder ganz leerpumpen kann. Beim Anfahren verhin¬ dert der RWDR 22 außerdem, daß an den Dichtspaltwänden anhaftendes öl nach oben in den Förderraum der Pumpe gesaugt wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist als primäre Berührungsdichtung eine PTFE-Manschettendichtung (PTFE- Manchette 24) vorgesehen. Ein Vorteil dieser Primärdichtung gegenüber dem RWDR 22, entsprechend Figur 2 ist die höhere Druckbelastbarkeit und Wärmebeständigkeit des PTFE-Wellen- dichtrings. Im übrigen entsprechen die Anordnung und die Funktionen diese Lösung der Lösung nach Figur 2.
Wie beschrieben, umfaßt das Dichtsystem 4 ein rotierendes Bauteil 7 und zwei gehäusefeste Bauteile 8 und 9. Diese könnten jeweils auch aus mehreren Teilen bestehen oder (einstückiger) Bestandteil der Welle 3 oder der Gehäusewand 1 sein. Im letzten Falle ist allerdings ihre Herstellung schwierig. Dieses gilt insbesondere für das rotierende Bauteil 7. In der Ausführungsform gemäß Figur 3 besteht es wegen der sonst nur schwierig herstellbaren Ringnut 16 aus zwei im wesentlichen zylindrischen Teilen 71, 72, die mittels Schrumpfsitz oder Hartlötung miteinander verbunden sind und zwischen sich die Ringnut 16 bilden.