Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Dichtungsanordnungen für einen im Querschnitt kreisförmigen Körper wie einer Kolbenstange sind insbesondere bei Kolbenkompressoren bekannt. Trockenlaufende Kolbenkompressoren sind Maschinen, die im Verdichtungsteil ohne jede Fremdschmierung auskommen. Solche Kompressoren weisen feststehende Dichtungsanordnungen auf, an denen eine Kolbenstange vorbeibewegt wird. Dabei sind die Dichtungsanordnungen üblicherweise in einer Reihenschaltung hintereinander angeordnet und bilden derart eine sogenannte Packung. Ein derartige Packung mit Dichtungsanordnungen und Dichtungsringen ist aus der CH 439 897 bekannt. Dichtungsringe erfahren an der Dichtfläche, die an der Kolbenstange anliegt, einen Verschleiss. Um trotzdem über längere Zeit eine Dichtheit aufrecht zu erhalten, weist der bekannte Dichtungsring einen Verschleissausgleich auf, indem der Dichtungsring in drei

Dichtungsringelemente aufgelöst ist mit in bezug auf die Kolbenstange parallel zu einer Tangente verlaufenden Teilfugen und mit einen Ausgleichsringspalt bildenden Radialfugen. Eine den Dichtungsring umfangsumfassende Schlauchfeder bewirkt auf die Dichtungsringelemente eine

gegen die Kolbenstange hin wirkende Vorspannung. Diese bekannte Dichtungsanordnung weist den Nachteil auf, dass der Dichtungsring eine grosse Anzahl von Teilfugen aufweist, welche die Dichtwirkung beeinträchtigen. Um diese Fugen abzudichten wird neben dem Dichtungsring ein in axialer Richtung anliegender Deckring angeordnet. Eine solche Dichtungsanordnung weist den Nachteil auf, dass sie eine relativ lange Ausdehnung in axialer Richtung aufweist. Ein bekanntes Problem solcher Dichtungsanordnungen an Kolbenstangen ist die entstehende Reibungswärme. Eine Abfuhr der Reibungswärme über die Dichtungsanordnung selbst ist nur schwerlich möglich, da die Dichtungsanordnung üblicherweise aus Kunststoff ausgebildet sind und thermisch nahezu als Isolator wirken. Der grösste Teil der Reibungswärme wird daher auf eine deutlich weniger effiziente Weise über die Kolbenstange abgeführt. Die auftretende Reibungswärme führt unter anderem bei der Verwendung von Dichtringen aus Kunststoff zu einem hohen Verschleiss. Daher ist oft eine aufwendige Kühlung der die Dichtungsanordnung haltende Packung erforderlich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile bekannter Dichtungsanordnungen zu überwinden.

Diese Aufgabe wird gelöst gemäss den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 9 beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausführungsformen.

Die erfindungsgemasse Dichtungsanordnung für eine Kolbenstange mit einem kreisförmigen Querschnitt umfasst einen einteiligen Dichtungsring mit einem Stoss und Ausgleichsspiel sowie einen den Dichtungsring in Umfangsrichtung umfassenden oder umschliessenden Deckring, wobei der Dichtungsring an mindestens einem Ende einen Abschnitt aufweist, welcher zusammen mit dem

anderen Ende des Dichtungsrings eine überlappende Stossstelle ausbildet, und wobei der Dichtungsring eine zur Teilung bzw. zur Stossstelle hin abnehmende radiale Wandstärke aufweist.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung ist darin zu sehen, dass der überlappende Stoss in axialer Richtung eine hohe Gasdichtigkeit bewirkt. Der umfassende bzw. umschliessende Deckring unterstützt die Dichtwirkung und bewirkt auf den Dichtungsring zudem eine gegen die Kolbenstange hin wirkende Vorspannung. Der umfassende bzw. umschliessende Deckring dichtet den überlappenden Stoss in radialer Richtung.

Als Material für den Dichtungsring eignen sich Kunststoffe für Trockenlaufanwendungen wie gefüllte Polymere mit einer Matrix aus Polythetrafluorethylen (PTFE) oder eine Mischung von mechanisch festen, hochtemperaturbeständigen und verschleissfesten Polymeren, die auch als "Hochtemperatur-Polymere" bezeichnet werden, wie Polyetheretherketon(PEEK) , Polyetherketon(PEK) , Polyimid (PI) , Polyphenylensulfid (PPS) , Polybenzimidazol (PBI) , Polyamidimid (PAI) oder auch Epoxidharz. Die Hochtemperatur-Polymere sind in reiner Form nicht trockenlauffähig und benötigen daher zusätzliche Festschmierstoffe wie Kohle, Graphit, Molybdänsulfid, PTFE usw. Solche Hochtemperatur-Polymere werden dann als "modifizert" bezeichnet.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung ist darin zu sehen, dass insbesondere ein Dichtungsring gefertigt aus einem Hochtemperatur-Polymer verwendbar ist.

Der Begriff "Hochtemperatur-Polymer" dient in Zusammenhang mit dem Einsatz von Dichtungselementen in

Kolbenkompressoren als Sammelbegriff für Kunststoffe, welche sich von den gängigen gefüllten PTFE-Materialen durch folgende Eigenschaften unterscheiden:

Hochtemperatur-Polymere weisen eine hohe mechanische Festigkeit auch bei den im Trockenlauf üblichen hohen Temperaturen auf.

Hochtemperatur-Polymere weisen keine Kaltflusseigenschaften auf, weshalb auch fein gestaltete Dichtungsringe formstabil bleiben und insbesondere beim Einsatz in einer Packung auch bei hohen Drücken keinen zusätzlichen Stützring benötigen.

Hochtemperatur-Polymere weisen ein erheblich höheres Elastizitäts-Modul auf, was bei grösseren Ringabmessungen eines Dichtungsringes zu einer hohen Steifigkeit führt.

Mit Hochtemperatur-Polymeren lassen sich Dichtringe herstellen, die, im Vergleich zu gefülltem PTFE, eine deutlich kleinere Abmessung aufweisen und dennoch eine wesentlich höhere mechanische Belastbarkeit aufweisen, so dass solche aus Hochtemperatur-Polymeren gefertige Dichtungsringe insbesondere für den Einsatz bei hohen Verdichtungsenddrücken geeignet sind.

Ein bisheriger Nachteil bei der Verwendung von

Hochtemperatur-Polymeren war darin zu sehen, dass das schlechte Formanpassungsvermögen ein vollständiges Anliegen eines Dichtungsringes über den gesamten Umfang einer Kolbenstange erschwerte, sodass sich Undichtigkeiten ergaben.

Der erfindungsgemasse Dichtungsring weist den Vorteil auf, dass der Dichtungsring eine zur Teilung bzw. zur Stossstelle hin abnehmende radiale Wandstärke aufweist, das heisst, dass der Dichtungsring im Bereich des überlappenden Stosses etwas dünner und damit biegeweicher ausgeführt ist. Durch diese Ausgestaltung weist ein Dichtungsring bestehend aus Hochtemperatur-Polymeren ein gutes Formanpassungsvermögen auf.

Die erfindungsgemasse Dichtungsanόrdnung eignet sich insbesondere für trockenlaufende Ringkolben-Kompressoren, wobei der Dichtungsring vorzugsweise aus einem modifizierten Hochtemperatur-Polymer mit sogenannten selbstschmierenden Eigenschaften besteht. Ein solcher Dichtungsring lässt sich als ein sehr schmaler Ring herstellen, so dass die Kolbenstange einerseits die Wärme über Strahlungswärme besser an die Packung überträgt und dass andererseits eine kleinere Reibungsfläche zwischen Dichtungsring und Kolbenstange besteht, was die Erwärmung reduziert. Somit kann eine zu hohe Erwärmung der Kolbenstange verhindert werden, was zudem den Vorteil aufweist, dass der Dichtungsring einen reduzierten Verschleiss aufweist.

Die erfindungsgemasse Dichtanordnung weist eine hohe Dichtheit auf, sodass über die Dichtanordnung nur eine geringe Leckage erfolgt und die Leckage vorwiegend zwischen der Kolbenstange und der Dichtfläche des Dichtungsrings erfolgt. Dabei entsteht eine Gaslagerung zwischen der Kolbenstange und der Dichtfläche, was die Erzeugung von Wärme und somit eine Erwärmung der Kolbenstange sowie einen Verschleiss des Dichtungsrings zusätzlich reduziert.

In den folgenden Figuren werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Dichtungsanordnung;

Fig. 2 eine Aufsicht eines Dichtungsrings;

Fig. 3 eine Untenansicht des Dichtungsrings;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Dichtungsring;

Fig. 4a einen weiteren Querschnitt durch einen Dichtungsring entlang der Linie (B-B) ;

Fig. 4b einen weiteren Querschnitt durch den

Dichtungsring gemäss Fig. 4a entlang der Linie (C-C) ;

Fig. 5 einen weiteren Querschnitt durch einen Dichtungsring;

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Deckring;

Fig. 7 eine Aufsicht eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines Dichtungsringes;

Fig. 7a eine Seitenansicht des Dichtungsringes gemäss Fig. 2 aus Richtung E;

Fig. 7b eine Seitenansicht des Dichtungsringes gemäss Fig. 7 aus Richtung E;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Trockenlauf- dichtungsanordnung.

Fig. 1 zeigt in einer Explosionszeichung eine Dichtungsanordnung 12, bestehend aus einem Dichtungsring 1, einem in Umfangsrichtung des Dichtungsrings 1 über diesen anordbaren Deckring 2 sowie eine den Deckring 2 in Umfangsrichtung umspannende Schlauchfeder 3. Die in Fig. 2 dargestellte Aufsicht des Dichtungsringes 1 weist eine entlang dem Innenkreis kreisförmig verlaufende Fläche lh auf, welche dem abzudichtenden Körper, einer Kolbenstange 4, zugewandt ist und eine Dichtfunktion ausübt. Der Dichtungsring 1 ist als ein einteiliger Ring mit einer

Teilung la ausgestaltet, sodass der Dichtungsring in zwei Enden lb, lc ausläuft. Das Ende lc ist derart ausgestaltet, dass es, wie aus der Untenansicht des Dichtungsrings gemäss Fig. 3 ersichtlich, einen in Umfangsrichtung des Dichtungsrings 1 verlaufenden

Abschnitt ld aufweist, welcher zusammen mit dem anderen Ende lb eine in Umfangsrichtung überlappende Stossstelle ausbildet. Der Dichtungsring l weist elastische Eigenschaften auf, sodass er im Bereich der Teilung la ein Spiel S aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Dichtungsring 1 derart ausgestaltet, dass dessen radiale Wandstärke D ausgehend von der der Teilung la gegenüberliegenden Stelle Dmax zur Teilung la hin, das heiss in Richtung Dl oder D2, kontinuierlich abnimmt. Dadurch weist auch ein Dichtungsring, der aus einem Material mit einem höheren Elastizitäts-Modul wie zum Beispiel einem Hochtemperatur-Polymer gefertigt ist, zur Teilung la hin ein zunehmend elastischeres bzw. biegeweicheres Verhalten auf. Der den Dichtungsring 1 umgebende Deckring 2 mit Schlauchfeder 3 bewirkt auf den Dichtungsring 1 eine gegen die Kolbenstange hin wirkende Kraft. Der Deckring 2 ist als ein offener Ring ausgestaltet. Durch das Spiel S an der Teilung la sowie das elastische Verhalten gegen die Teilung la hin weist der Dichtungsring 1 ein gutes Formanpassungsvermögen an die Kolbenstange 4 auf, sodass der Dichtungsring 1 die

Kolbenstange 4 über deren gesamten Umfang dichtend umschliesst. Der Dichtungsring 1 weist eine radial gegen aussen weisende, kreisförmig verlaufende Fläche lro,lι. auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verlauf der beiden Flächen lh, Im derart gegenseitig angeordnet, dass sie exzentrisch zueinander verlaufen. Der Dichtungsring 1 weist fünf in radialer Richtung verlaufende Rückströmnuten 4a bzw. Druckentlastungsnuten 4a auf. Diese Rückströmnuten 4a ermöglichen (z.B. Fig. 8) , dass ein in der Packungsringkammer 14 eingeschlossenes Gas während eines Saughubes des Zylinders in den Zylinder zurückströmt, sodass eine doppelwirkende Dichtfunktion des Dichtelementes 1, d.h. eine Dichtfunktion sowohl während der Saugphase als auch während der Verdichtungsphase des Zylinders, verhindert wird. Es ist auch möglich einen Dichtungsring 1 ohne Rückströmnuten 4a auszuführen. Rückströmnuten können zum Beispiel statt dessen in den metallischen Boden des Kammerringes 5 eingefräst sein.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines offenen

Deckringes 2, welcher einen sektorförmigen Ausschnitt 2a aufweist. Der Dichtungsring 1 weist ein zylinderförmiges, vorstehendes Haltemittel lg auf, welches bei auf den Dichtungsring 1 aufgesetztem Deckring 2 in den Ausschnitt 2a zu liegen kommt, sodass der Deckring 2 gegenüber einem Verdrehen im Umfangsrichtung der Dichtungsanordnung 12 gesichert ist.

Fig. 7a zeigt eine Seitenansicht des Dichtungsringes gemäss Fig. 2 aus Richtung E. Die Stossstelle des Dichtungsringes 1 weiεt die beiden Enden lb, lc auf, wobei das Ende lb den in Umfangsrichtung verlaufenden Endabschnitt ld aufweist, sodass sich eine in Umfangsrichtung überlappende Stossstelle mit einer Teilung la ergibt.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Dichtungsring 1 entlang der Linie (A-A) gemäss Fig. 2, wobei die Teilung la im Vergleich zur Ausführung gemäss den Figuren .1 bis 3 unterschiedlich ausgestaltet ist. An jedem Ende lb, lc des Dichtungsrings 1 sind in Umfangsrichtung des Dichtungsrings 1 verlaufende Endabschnitte ld, le angeordnet, die sich in Umfangsrichtung überlappen und derart eine überlappende Stossstelle ausbilden. Die Teilung la weist wiederum ein Spiel S auf. Die Seitenansicht Fig. 7b des Dichtungsringes l entspricht einer Ausführungsform gemäss Fig. 5 unter einer Sicht aus Richtung E. Der Dichtungsring 1 läuft in die beiden Enden lb,lc aus, welche in Umfangsrichtung überlappende Endabschnitte ld,le aufweisen. Zwischen den Enden lb,lc ergibt sich eine Zwischenraum der Breite Sl bzw. S2. In einer bevorzugten Ausführungsform sind beite Breiten S1,S2 gleich gross ausgestaltet, sodass der Dichtungsring 1 in Umfangsrichtung ein Spiel S=S1=S2 aufweist. Der Deckring 2 kommt in die Ausnehmung ln zu liegen, wobei die Ausnehmung In derart breit ausgestaltet ist, dass sich die Ausnehmung ln in Umfangsrichtung auch über den Endabschnitt le erstreckt, sodass der Deckring 2 im Bereich der Ausnehmung ln den Endabschnitt le umschliesst. Eine derartige Dichtungsanordnung 12 weist eine hohe Dichtheit auf, da der Deckring 2 den

Zwischenraum mit der Breite Sl als auch den Spalt zwischen den Endabschnitten ld,le umschliesst, was eine hohe Dichtigkeit in radialer Richtung bewirkt. Zudem wird eine gegenseitige Relativbewegung der beiden Endabschnitte ld,le in radialer Richtung verhindert.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Dichtungsring 1 entlang der Linie A-A gemäss Fig. 2 mit einer weiteren Gestaltungsmöglichkeit des Querschnittes. Der Dichtungsring 1 weist eine zu einer Gleitfläche einer Kolbenstange 4 hin orientierte Fläche lh auf. Diese

Fläche lh weist in axialer Richtung eine Höhe H auf und ist über einen Teil li zylindrisch verlaufend ausgestaltet, um eine Dichtfläche li zu bilden und über einen weiteren Teil lk sich erweiternd ausgestaltet. Die sich erweiternde Fläche 11 kann z. B. konisch unter einem Winkel ß verlaufend ausgestaltet sein.

Die erfindungsgemasse Dichtungsanordnung 12 weist eine ausgezeichnete Dichtwirkung auf, da sowohl in axsialer wie auch in radialer Richtung eine Durchströmung verhindert wird. Somit entweichen Gasanteile vorwiegend zwischen der Dichtfläche li und der Gleitfläche der Kolbenstange 4, was den Vorteil aufweist, dass der Dichtungsring 1 leicht von der Gleitfläche abgehoben wird, und somit die Reibung reduziert wird. Die sich erweiternde Fläche 11 bewirkt, dass die Gasanteile ungehindert in Richtung der reduzierten Dichtfläche li strömen, wobei die Gasanteile sowohl auf die Fläche 11 als auch auf die Fläche li eine in radialer Richtung nach aussen wirkende Kraft auf den Dichtungsring l ausüben. Somit wird eine Leckage zwischen der Dichtfläche li und der Gleitfläche einer Kolbenstange 4 begünstigt, wodurch eine Gaslagerung zwischen Dichtungsring 1 und Kolbenstange 4 entsteht. Die Dichtfläche li kann in ihrer axialen Ausdehnung relativ schmal ausgestaltet sein, um eine ausgeprägte Gaslagerung zu bewirken. Dadurch lässt sich die Reibung zwischen der Dichtfläche li und der Kolbenstange 4 reduzieren, was den Vorteil aufweist, dass sich sowohl die Erwärmung als auch der Verschleiss des Dichtungsringes 1 reduziert. Der Dichtungsring 1 weist eine Ausnehmung ln zur Aufnahme des Deckringes 2 auf. Diese Ausnehmung In kann auch andersartig ausgestaltet sein oder nicht vorhanden sein.

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch eine Trockenlaufdichtungsanordnung beziehungsweise einer

sogenannten Packung 6. Dazu gehört zumindest eine die Kolbenstange 4 umgebende Dichtungskammer 14, die aus zwei Kammerringen 5 gebildet wird, und die zu dem zugeordneten Zylinderraum 15 hin dichtend verschraubt sind. In der Dichtungskammer 14 ist eine zweiteilige

Dichtungsringscheibe 12 angeordnet, umfassend einen Dichtungsring 1 sowie einen Deckring 2. Zudem umspannt eine Schlauchfeder 3 den Deckring 2. Auf Grund der Dichtfunktion des Ringes 1 ist der Druck Pl in der Dichtungskammer 14 grosser als der Druck P2 in der

Durchtrittsöffnung zur nachfolgenden Dichtungskammer 14.

Im Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 2 weist das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Dichtungsringes 1 eine Fläche lh mit einer konusförmig verlaufenden Teilfläche 11 auf. Die Teilfläche 11 ist an drei Stellen unterbrochen durch einen Steg lp. Es kann sich als vorteilhaft erweisen auch mehr als drei Stege lp über den Umfang verteilt anzuordnen. Fig. 4a zeigt einen Schnitt durch den Dichtungsring 1 entlang der Linie B-B und zeigt die konusförig verlaufende Teilfläche 11, welche sich in axialer Richtung über eine Breite lk erstreckt, sowie die zylindrisch verlaufende Teilfläche li. Die konusförmig verlaufende Teilfläche 11 trifft unter einem Winkel ß auf die Oberfläche der Welle 4. Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch einen Steg lp des

Dichtungsrings 1 entlang der Linie C-C. Ein Steg lp ist derart ausgebildet, dass die Innenfläche lh in axialer Richtung eine Breite entsprechend der Breite H des Dichtungsringes l auf und parallel zur Oberfläche der Welle 4 verläuft. Ein Steg lp liegt über der ganzen

Breite H auf der Welle 4 auf und dient zur Stabilisierung des Dichtungsringes 1. Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 weist drei über dem Umfang der Fläche lh verteilt angeordnete Stege lp auf, wobei ein Steg lp im Bereich der Teilung la angeordnet ist. Ein Dichtungsring lb kann

natürlich auch ohne Stege lp ausgestaltet sein, sodass sich die konische Teilfläche 11 ohne Unterbruch über den gesamten Umfang der Fläche lh erstreckt.

Die konisch verlaufende Teilfläche 11 weist gemäss Fig. 4a einen maximalen Abstand B zur Welle 4 auf. In einer Ausführungsform des Dichtungsringes 1 wird das Spiel S derart breit ausgestaltet, dass es eine Breite von "2 mal Pi mal B" aufweist. Ein derartig ausgestalteter Dichtungsring 1 bildet in einer ersten Betriebsphase ein Reibungsring und in einer zweiten Betriebsphase ein Strömungsring. In der ersten Betriebsphase weist der Dichtungsring 1 eine konisch verlaufende Teilfläche 11 auf. Mit zunehmendem Verschleiss an der Dichtfläche li wird die konisch verlaufende Teilfläche 11 zurückgebildet, bis sich die Dichtfläche li über die gesamte Breite H erstreckt. Wird nun das Spiel S entsprechend einer Breite von "2 mal Pi mal B" ausgestaltet, so wird das Spiel = Null sobald die Teilfläche 11 vollständig zurückgebildet ist. In diesem Zustand wird der Dichtungsring 1 zu einen Strömungsring, weil, da das Spiel = Null beträgt, kaum mehr ein Verschleiss der Dichtfläche li erfolgt, sodass der Dichtungsring 1 während der zweiten Betriebsphase eine ungefähr konstante Undichtigkeit aufweist. Der Dichtungsring 1 weist somit während der zweiten

Betriebsphase einen maximalen Strömungswiderstand auf.

Die Teilfläche 11 ist nicht nur konusförmig verlaufend ausgestaltbar sondern kann jeden beliebigen Verlauf annehmen, derart, dass im Bereich der Teilfläche 11 zwischen der Welle 4 und dem Dichtungsring 1 ein Abstand entsteht.