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Title:
SEAL ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105605
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a seal arrangement (1) for sealing a gap between a machine element (2) and a housing (3), comprising at least one seal element (4), wherein said seal element (4) is equipped to be at least partially electrically conductive and an insulation element (5) is provided which electrically insulates the sealing element (4) with respect to the machine element (2) and the housing (3).

Inventors:
NAHRWOLD, Olaf (Albert-Haueisen-Ring 17, Ludwigshafen, 67071, DE)
SINDLINGER, Stefan (Im Langgewann 43, Weinheim, 69469, DE)
TRABER, Boris (Adalbert-Stifter-Ring 13, Hirschberg, 69493, DE)
MÖLLER, Sascha (Im Wiesengrund 2, Gilserberg, 34630, DE)
Application Number:
EP2018/071914
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
August 13, 2018
Export Citation:
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Assignee:
CARL FREUDENBERG KG (Höhnerweg 2-4, Weinheim, 69469, DE)
International Classes:
F16J15/06; F16J15/3296
Foreign References:
EP3312480A12018-04-25
DE102007007405A12008-08-21
DE102007007405A12008-08-21
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Claims:
Patentansprüche

1. Dichtungsanordnung (1) zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Maschinenelement (2) und einem Gehäuse (3), umfassend zumindest ein Dichtelement (4), wobei das Dichtelement (4) zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgerüstet ist und wobei eine Isolierung (5) vorgesehen ist, welche das Dichtelement (4) gegenüber dem

Maschinenelement (2) und dem Gehäuse (3) elektrisch isoliert.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) mit einer die Isolierung (5) bildenden Umhüllung (6) versehen ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) einen Einbauraum (7) für das Dichtelement (4) aufweist, wobei der Einbauraum (7) mit einer die Isolierung (5) bildenden Auskleidung (8) versehen ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) aus elektrisch leitfähig ausgerüstetem Kunststoff ausgebildet ist.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) aus elektrisch leitfähig ausgerüstetem elastomerem Werkstoff ausgebildet ist.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Dichtelements (4) mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) als O-Ring ausgebildet ist.

8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche den elektrischen Widerstand des Dichtelementes (4) erfasst.

9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) mit Vorspannung an dem Maschinenelement (2) oder einem weiteren Dichtelement (10) anliegt, wobei sich der von der

Auswerteeinheit (9) erfasste elektrische Widerstand des Dichtelements (4) in Abhängigkeit der Vorspannung ändert.

10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der von der Auswerteeinheit (9) erfasste elektrische Widerstand des Dichtelements (4) in Abhängigkeit des Setzverhaltens ändert.

11. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch

gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) mit elektrisch leitfähigen Kontaktelementen (11) versehen ist.

12. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch

gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) mehrere elektrisch leitfähige Segmente (12) aufweist.

Description:
Dichtungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Maschinenelement und einem Gehäuse, umfassend

zumindest ein Dichtelement.

Dichtungen, insbesondere dynamisch beanspruchte Dichtungen nutzen sich während der vorgesehenen Lebensdauer ab, wobei verschiedene

Abnutzungsphänomene zum Tragen kommen. Durch Materialermüdung lässt die Kontaktspannung der Dichtung nach, ebenso nimmt die Anpresskraft ab. Durch Verschleiß und Setzverhalten ändern sich die Dimensionen der

Dichtung. Diese Vorgänge führen dazu, dass es zunächst zu einer Leckage und anschließend zum Ausfall des Dichtsystems kommt. Aber auch statisch beanspruchte Dichtungen nutzen sich während der vorgesehenen Lebensdauer ab. Hier kommt insbesondere das Setzverhalten zum Tragen.

Zur Leckage-Überwachung von Dichtungen ist es bekannt, in die Dichtung eine Einrichtung zur Leckage-Überwachung integrieren. Aus der DE 10 2007 007 405 B4 ist eine elektrische Einrichtung zur Erkennung des Verschleißzustandes eines dynamischen Dichtelementes bekannt. Das Dichtelement umfasst einen elektrisch leitfähigen Abschnitt und eine elektrisch nicht-leitfähigen Abschnitt, welcher mit dem abzudichtenden Maschinenelement in Kontakt steht. Das Maschinenelement ist ebenfalls elektrisch leitfähig. Durch Verschleiß des Dichtelements nutzt sich das elektrisch nicht-leitende Dichtmaterial ab, sodass das elektrisch leitende Dichtmaterial in Kontakt mit dem Maschinenelement gelangt. Dabei schließt sich ein Stromkreis und es kann ermittelt werden, dass das Dichtelement verschlissen ist.

Bei dieser Ausgestaltung ist nachteilig, dass keine allmählichen

Zustandsänderungen erfassbar sind. Es kann lediglich ermittelt werden, dass die Verschleißgrenze erreicht ist und dass das Dichtelement ausgetauscht werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung

bereitzustellen, welche eine kontinuierliche Zustandsüberwachung des

Dichtelementes ermöglicht, wobei die Dichtungsanordnung einfach montierbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Maschinenelement und einem Gehäuse zumindest ein Dichtelement, wobei das Dichtelement zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgerüstet ist und wobei eine Isolierung vorgesehen ist, welche das

Dichtelement gegenüber dem Maschinenelement elektrisch isoliert.

Durch die oben beschriebenen Verschleißerscheinungen wie

Materialermüdung, Abnutzung und SetzverhaSten ändert sich die

Kontaktspannung der Elemente der Dichtungsanordnung gegenüber dem abzudichtenden Maschinenelement. Über die Betriebsdauer nimmt daher die Kontaktspannung allmählich ab. Die Änderung der Kontaktspannung kann mittels Sensoren erfasst werden. Hierfür geeignete Sensoren sind beispielsweise Drucksensoren oder

Dehnungsmesselemente, welche ein elektrisches Signal an eine

Auswertelektronik übermitteln.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das Dichtelement zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgerüstet, so dass die Änderung der

Kontaktspannung direkt durch das Dichtelement erfassbar ist. Dadurch ist die Sensorfunktion direkt in das Dichtelement integriert. Es ist nicht erforderlich, einen separaten Sensor vorzusehen. Ändert sich während des Betriebs durch Verschleiß oder Setzverhalten die Kontaktspannung, ändern sich die elektrischen Eigenschaften des zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgerüsteten Dichtelements.

Erfindungsgemäß wird die Änderung der Kontaktspannung, bzw. das

Verschleißverhalten des Dichtelements intrinsisch mittels der elektrisch leitfähigen Ausrüstung erfasst. Daher ist es erforderlich, das Dichtelement gegenüber benachbarten und elektrisch leitfähigen Elementen zu isolieren. Um dies zu erzielen, ist das Dichtelement gegenüber dem Maschinenelement und/oder dem Gehäuse elektrisch isoliert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass zur Ermittlung des Verschleißes, bzw. zur Ermittlung der Änderung der Kontaktspannung lediglich die elektrischen Eigenschaften des zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgerüsteten Dichtelementes herangezogen werden. Ein elektrisch leitender Kontakt zwischen Dichtelement und

Maschinenelement bzw. Gehäuse würde das Messergebnis verfälschen.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dichtelement mit einer die Isolierung bildenden Umhüllung versehen. Dabei kann die Umhüllung aus einem Dichtungswerkstoff ausgebildet sein und direkt oder indirekt mit dem Maschinenelement in Berührung gelangen. Das Verschleißverhalten des Dichte!ementes wird dabei im Inneren des Dichtelementes ermittelt. Ein

Verschleiß des Dichtelementes und damit die Notwendigkeit eines Austausches ist bereits gegeben, wenn die Kontaktspannung des Dichtelementes einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Zu einem direkten Kontakt des

Dichtelementes, bzw. des elektrisch leitfähigen Abschnittes des Dichtelementes mit dem abzudichtenden Maschinenelement kommt es dabei nicht.

Nach einer alternativen Ausgestaltung weist das Gehäuse einen Einbauraum für das Dichtelement auf, wobei der Einbauraum mit einer die Isolierung bildenden Auskleidung versehen ist. Der Einbauraum kann dabei

beispielsweise in Form einer ringförmigen Nut ausgebildet sein, wobei die Seitenwände und der Nutgrund mit der Auskleidung versehen sind. Die

Auskleidung besteht vorzugweise aus einem polymeren Werkstoff. Eine elektrische Isolierung gegenüber dem Maschinenelement kann sich dadurch ergeben, dass zwischen DichteSement und Maschinenelement entweder eine weitere Isolierung oder ein weiteres Dichtelement vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Dichtungsanordnung ein als O-Ring ausgebildetes Dichtelement und ein weiteres DichteSement in Form einer Manschette aufweisen. Das Dichtelement ist dabei außenumfangsseitig auf dem weiteren Dichtelement angeordnet und verursacht eine radiale Anpressung des weiteren Dichtelements an das Maschinenelement. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt eine Aktivierung des weiteren Dichtelementes durch das Dichtelement. Derartig ausgebildete weitere Dichtelemente sind häufig aus PTFE ausgebildet.

Das Dichtelement ist vorzugsweise aus leitfähig ausgerüstetem Kunststoff ausgebildet. Dazu kann das Dichtelement mit elektrisch leitfähigen Partikeln, beispielsweise eisenhaltigen Partikeln oder kohlenstoffhaltigen Partikeln versehen sein. Insbesondere ist es denkbar, dass das Dichtelement aus elastomerem Werkstoff ausgebildet ist, welcher mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen ist.

Die Dichtungsanordnung kann eine Auswerteeinheit umfassen, welche den elektrischen Widerstand des Dichtelementes erfasst, insbesondere

Änderungen aufgrund des sogenannten piezoresistiven Effekts.

Vorzugsweise liegt das Dichtelement mit Vorspannung an dem

Maschinenelement oder dem weiteren Dichtelement an, wobei sich der von der Auswerteeinheit erfasste elektrische Widerstand des Dichtelements in

Abhängigkeit der Vorspannung ändert. Die Vorspannung ändert sich durch das oben beschriebene Abnutzungsverhalten und verringert sich allmählich.

Der von der Auswerteeinheit erfasste elektrische Widerstand des

Dichtelements kann sich in Abhängigkeit des Setzverhaltens ändern. Des Weiteren kann sich der elektrische Widerstand dadurch ändern, dass sich durch Änderung der Spannungsverhältnisse im Inneren des Dichtelements die Anordnung der elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb des Dichtelements ändern, was mit einer Änderung des elektrischen Widerstands einhergeht. Dieses Verhalten ist mit dem eines piezoresistiven Effekts vergleichbar.

Das Dichtelement kann mit elektrisch leitfähigen Kontaktelementen versehen sein. Hierzu können ein oder mehrere Kabel in das Dichtelement eingebracht, bzw. in das Dichtelement einvulkanisiert sein. Alternativ können aus dem Dichtelement Laschen aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet sein. Dabei können die Laschen materialeinheitlich und einstückig mit den elektrisch leitfähigen Abschnitten des Dichtelementes ausgebildet sein.

Das Dichtelement kann mehrere elektrisch leitfähige Segmente aufweisen. Dazu kann das Dichtelement über seinen Umfang in Sektoren aufgeteilt, das heißt untergliedert, sein, welche separat voneinander ausgebildet und

elektrisch leitfähig ausgerüstet sind. Dadurch kann der Verschleiß des

Dichtelements näher bestimmt und lokalisiert werden, was insbesondere bei großen Dichtungen vorteilhaft ist. Das Dichtelement kann aber auch über seine Breite mehrschichtig aufgebaut sein, so dass ein Verlauf der Kontaktspannung unter einer Dichtung messbar ist. Der mehrschichtige Aufbau des

Dichtelementes kann dadurch erzielt werden, dass das Dichtelement mittels eines 3D-Druckvorgangs hergestellt wird. Einige Ausgestaltungen der Dichtungsanordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Dichtungsanordnung mit einer dem Gehäuse zugeordneten

Isolierung;

Fig. 2 eine Dichtungsanordnung mit einer das Dichtelement isolierenden

Umhüllung;

Fig. 3 ein Dichtelement mit Kontaktlaschen;

Fig. 4 ein Dichtelement mit eingebetteten Kabeln;

Fig. 5 ein mehrschichtiges Dichtelement;

Fig. 6 eine statische Dichtungsanordnung;

Fig. 7 ein Dichtelement mit elektrisch leitfähigen Sektoren.

Die Figuren zeigen eine Dichtungsanordnung 1 zur Abdichtung eines Spaltes zwischen einem Maschinenelement 2 und einem Gehäuse 3. Dabei dichtet ein zwischen Maschinenelement 2 und Gehäuse 3 angeordnetes Dichtelement 4 den Spalt ab. Das Dichtelement 4 ist in einem in dem Gehäuse 3

eingebrachten Einbauraum 7 angeordnet. Der Einbauraum 7 ist in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet. Bei den vorliegenden Ausgestaltungen ist das Maschinenelement 2 ein rotatorisch und/oder translatorisch bewegliches Maschinenelement 2, beispielsweise eine Welle.

Das Dichtelement 4 besteht aus einem Kunststoff, hier einem elastomeren Werkstoff, und ist mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen. Als Werkstoff für das DichteSement 4 kommen für Dichtungen 4 bekannte Dichtungswerkstoffe in Betracht. Zum Einsatz kann beispielsweise Naturkautschuk, EPDM,

Fluorkautschuk oder dergleichen gelangen. Die elektrisch leitfähigen Partikel können beispielsweise eisenhaltige Partikel oder Kohlenstoffpartikel sein.

Eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit erfasst den elektrischen

Widerstand des Dichtelementes 4. Geeignete Auswerteeinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Figur 1 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 mit einem ersten Dichtelement 4, welches ein weiteres Dichtelement 10 radial an das Maschinenelement 2 anpresst. Das Dichtelement 4 ist als O-Ring ausgebildet. Das weitere

Dichtelement 10 ist als Manschette ausgebildet. Das weitere Dichtelement 10 besteht aus PTFE. Durch das weitere Dichtelement 10 ist das Dichtelement 4 gegenüber dem Maschinenelement 2 elektrisch isoliert. Das Dichtelement 4 ist in einem nutförmigen Einbauraum 7 des Gehäuses 3 aufgenommen. Der Einbauraum 7 ist mit einer Auskleidung 8 aus polymerem Material versehen, wodurch sich eine elektrische Isolierung 5 des Dichtelementes 4 gegenüber dem Gehäuse 3 ergibt.

Figur 2 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 gemäß Figur 1 , wobei die Isolierung 5 durch eine das Dichtelement 4 umgebende Umhüllung 6 gebildet ist. Die Umhüllung 6 besteht aus elektrisch isolierendem Dichtungswerkstoff. Figur 3 zeigt in der Draufsicht ein Dichtelement 4 in Form eines O-Rings. Aus dem Dichtelement 4 sind Kontaktelemente 11 in Form Laschen aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet, welche radial nach außen abragen. Die Laschen sind materialeinheitlich und einstückig mit dem Dichtelement 4 ausgebildet.

Figur 4 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 gemäß Figur 1 , wobei

Kontaktelemente 11 in Form von elektrischen Leitungen bzw. Kabeln

vorgesehen sind, welche in das Innere des Dichtelements 4 ragen. Durch die Kontaktelemente 11 ergibt sich eine leitende Verbindung zwischen

Dichtelement 4 und Auswerteeinheit 9. In den Dichtungsanordnungen 1 , welche in den anderen Figuren dargestellt sind, ist die Verbindung zwar nicht eingezeichnet, jedoch gleichermaßen vorhanden. Figur 5 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 , bei welcher das Dichtelement 4 mehrschichtig ausgebildet ist. Das Dichtelement 4 weist Segmente 12 in Form von mehreren axial übereinandergelegten, ringförmig ausgebildeten Schichten auf, welche gegeneinander isoliert sind. Des Weiteren ist die Isolierung 5 so ausgebildet, das sich eine das Dichtelement 4 umgebende Umhüllung 6 ergibt.

Die einzelnen Schichten der Segmente 12 können mittels eines 3D- Druckverfahrens hergestellt werden.

Figur 6 zeigt eine statische Dichtung, bei welcher ein O-Ring in einem Gehäuse 3 angeordnet ist und den Spalt zwischen dem Gehäuse 3 und dem

Maschinenelement 2 abdichtet. Das Dichtelement 4 ist mit einer elektrischen Isolierung 5 in Form einer Umhüllung 6 versehen, welche das Dichtelement 4 gegenüber dem Gehäuse 3 und dem Maschinenelement 2 elektrisch isoliert. Figur 7 zeigt in der Draufsicht ein DichteSement 4, welches Segmente 12 in Form von Sektoren mit elektrisch leitfähiger Ausrüstung aufweist, welche gegeneinander elektrisch isoliert sind.




 
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