Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Dichtungstechnik und insbesondere ein Dichtungssystem für gasförmige Fluide nach Anspruch 1 sowie dessen bevorzugte Verwendung nach Anspruch 8.

Aus der Dichtungstechnik bekannte Schaltventile für Sauerstoff und brennbare Gase sind üblicherweise als Sitzventile ausgeführt. Der Medienstrom wird immer direkt über eine Dichtkante beziehungsweise Dichtfläche geführt, wodurch mitgeführte Schmutzpartikel Verschleiß und Beschädigungen am Ventilsitz verursachen. Kein bislang bekanntes Dichtungssystem erfüllt die gemeinsamen Anforderungen an Robustheit gegen Verschmutzungen bei stets gegebener Dichtigkeit und zudem hoher Ausbrandsicherheit.

Aufgabe der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden Probleme zu lösen und ein verbessertes, insbesondere ein besonders widerstandfähiges, dichtes und zuverlässiges Dichtungssystem bereitzustellen.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch ein Dichtungssystem für gasförmige Fluide nach Anspruch 1 gelöst, mit einem Gehäuse und einem darin ausgebildeten Fluidkanal zum Leiten des gasförmigen Fluids, der von zwei achsidentisch ausgerichteten und in dem Gehäuse axial verschiebbar gelagerten Kolben umschlossen wird, und mit einem ringförmigen Dichtelement aus einem elastischen Kunststoffmaterial, das in einem Bereich sich gegenüberliegender Enden der beider Kolben in einer ringförmig diesen Bereich umfassenden Kammer des Gehäuses axial verschiebbar gelagert aufgenommen ist, wobei das Dichtelement wenigstens eine konische Dichtfläche gegenüber den beiden Kolben aufweist, die abhängig von einer gegeneinander geschlossenen oder offenen Stellung der Kolben zueinander belastbar oder entlastbar ist, wobei das Dichtelement durch die Kammer abgestützt wird.

Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Dichtungssystems besteht dabei darin, dass das Dichtelement von außen dichtend an den Kolben anliegt und verschiebbar gelagert ist. Da das Dichtelement außerhalb der direkten Strömung liegt, kann es anstatt aus einem festem Material aus einem Weichmaterial hergestellt sein, mit dem eine wesentlich bessere Dichtigkeit erzielbar ist. Dies umso mehr, als zwischen die Dicht- beziehungsweise Schließkraft zwischen den Kolben symmetrisch auf das Dichtelement einwirkt. Bei zueinander verfahrenen Kolben, also deren gegeneinander geschlossener Stellung entsteht damit eine Abdichtung ohne Stützstelle des Dichtelements. Bei voneinander weg verfahrenen Kolben, also bei deren gegeneinander offener Stellung entsteht damit eine Abdichtung mit Stützstelle des Dichtelements in der Kammer. Da das Dichtelement außerhalb der direkten Strömung liegt, kommt zudem nur ein kleiner Teil von dessen Oberfläche überhaupt noch mit dem Fluid in Berührung, womit die Zuverlässigkeit des Dichtungssystems deutlich steigt. Denn Kunststoffe weisen die Eigenschaft auf, sich beispielsweise in einem Sauerstoffstrom leicht zu entzünden und so einen Ausbrand zu verursachen, insbesondere bei hohem Druck.

Bevorzugte Ausführungsformen

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dirchtungssystems ist es vorgesehen, dass durch Entlastung der konischen Dichtfläche ein labyrinthartiger Fluidkanal zwischen dem Dichtelement und der Kammer freigebbar ist, wobei das Dichtelement als Schalldämpfer fungiert. Gleichzeitig entsteht eine Kapillar- beziehungsweise Sogwirkung, die für eine besonders zuverlässige Entlüftung des Fluidkanals sorgt.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems ist es vorgesehen, dass die sich gegenüberliegenden Enden der beiden Kolben so ausgestaltet sind, dass sie in deren geschlossener Stellung ineinander eingreifen. Dadurch werden Druckstöße vor dem Dichtelement abgemildert und die adiabatische Erwärmung des Dichtelements reduziert, wodurch eine deutlich geringere Ausbrandgefahr gegeben ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Ende der Kolben gegenüber der konischen Dichtfläche des Dichtelements eine konische Dichtfläche aufweist. In der geschlossenen Stellung der Kolben liegen damit die jeweiligen konischen Dichtflächen von Kolben und Dichtelement so gegeneinander an, dass das Dichtelement axial gegen ein Ende eines Kolbens und gleichzeitig radial in die Kammer gepresst wird, was die Abdichtung erheblich verbessert. Durch die zusammenwirkenden Konen ist zudem ein Verkanten und damit eine Beschädigung insbesondere eines weichen Dichtelements zwischen Enden der Kolben ausgeschlossen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine konische Dichtfläche des Dichtelements und/oder die konische Dichtfläche wenigstens eines Endes der Kolben in einem Winkelbereich von 20° bis 35° zur Kolbenachse liegt, was einem versuchstechnisch ermittelten Idealbereich entspricht, in dem eine besonders hohe Dichtigkeit und Zuverlässigkeit der Abdichtung erzielt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems ist es vorgesehen, dass das Dichtelement aus einem Polyimid-Material hergestellt ist. Ein derartiges Weichmaterial verfügt über eine besonders gute Dichtwirkung und ist insbesondere nur wegen der Abschirmung von der Strömung und axialsymetrisch einwirkender Schließkraft einsetzbar.

Das vorstehend beschriebene Dichtungssystem soll wegen seiner besonderen Dichtigkeit und Zuverlässigkeit bevorzugt als Entlüftung für Hochdruckventile, insbesondere für Hochdruckventile für Sauerstoff, bevorzugt im Druckbereich von bis zu 420 bar eingesetzt werden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen:

Figur 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem in geschlossenem Zustand;

Figur 2a einen Axialschnitt durch ein Flochdruckschaltventil mit einem erfindungsgemäßen Dichtungssystem, und

Figur 2b den vergrößerten Teilbereich des erfindungsgemäßen Dichtungssystems in

Figur 2a.

Figur 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem 1 in geschlossenem Zustand. Das Dichtungssystem 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem darin ausgebildeten Fluidkanal 3 zum Leiten eines gasförmigen Fluids auf, der von zwei achsidentisch ausgerichteten und in dem Gehäuse 2 axial verschiebbar gelagerten Kolben 4,

5 umschlossen ist. In dem Bereich sich gegenüberliegender Enden der beiden Kolben 4, 5 ist ein ringförmiges Dichtelement 6 aus einem elastischen Dichtmaterial angeordnet, das in einer ringförmig diesen Bereich umfassenden Kammer 7 des Gehäuses 2 axial verschiebbar gelagert aufgenommen ist. Das Dichtelement 6 weist zwei konische Dichtflächen 6-1, 6-2 gegenüber den beiden Koben 4, 5 auf, die abhängig von einer gegeneinander geschlossenen oder offenen Stellung der Kolben 4, 5 zueinander belastbar oder entlastbar sind, wobei dich das Dichtelement 6 in der Kammer 7 abstützt.

Das gezeigte Dichtungssystem 1 wird bevorzugt in sauerstoffangereicherter Umgebung eingesetzt und ist in diesem speziellen Fall als ein Entlüftungsventil ausgeprägt, das in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre unter Druckbeaufschlagung zum Einsatz kommt. Häufig ist es dabei nicht möglich, Dichtwerkstoffe zu verwenden, die bei den geforderten Drücken in Sauerstoffatmosphäre nicht brennbar sind. Es gilt also sicherzustellen, dass es zu keiner Zündung kommt, da dies zum Verbrennen des Dichtelements und gegebenenfalls auch weiterer angrenzender Komponenten des Systems führen kann.

Das Dichtelement 6 des hier gezeigten Entlüftungsventils ist dafür zwischen den zwei axial verschiebbaren Kolben 4, 5 gelagert. Werden beide Kolben 4, 5 gegeneinander gedrückt, so wird das Dichtelement 6 zwischen den Kolben 4, 5 eingeklemmt, so dass es gegen beide Kolben 4, 5 abdichtet. Dadurch wird ein Austritt gasförmigen Fluids zwischen den Kolben 4, 5 unterbunden; das Entlüftungsventil ist somit geschlossen.

Die endseitigen Konen 6-1, 6-2 des Dichtelements 6 wirken dabei mit entsprechenden endseitigen Konen 4-1, 5-1 der jeweiligen Kolben 4, 5 zusammen, um eine Verkantung und damit mögliche Beschädigung des Dichtelements 6 an den Kolbenenden zu vermeiden und zugleich die Dichtfläche zwischen Kolben 4, 5 und Dichtelement 6 zu vergrößern. Idealerweise liegen die konischen Dichtflächen 6-1, 6-2 des Dichtelements 6 dabei in einem Winkelbereich von 25° ± 5° bis 30° ± 5° zu einer Kolbenachse A.

Die Kolben 4, 5 sind dabei derart gestaltet, dass sie sich bei geschlossenem Entlüftungsventil vor dem Dichtelement 6 überlagern, also ineinander greifen. Dadurch werden Druckstöße vor dem Dichtelement 6 abgeschwächt, was zu einer Reduzierung der adiabatischen Erwärmung an dem Dichtelement 6 führt. Der Gefahr eines Sauerstoffausbrands, insbesondere durch ein Zünden des Dichtelements 6 wird somit entgegen gewirkt.

Werden die Kolben 4, 5 dagegen auseinander bewegt, so ist das Dichtelement 6 zwischen beiden Kolben 4, 5 frei beweglich und das gasförmige Fluid kann zwischen diesen entweichen; das Entlüftungsventil ist also geöffnet.

Bei geöffnetem Entlüftungsventil wird dabei zwischen dem Dichtelement 6 und der Kammer 7 ein labyrinthartiger Fluidkanal 8 freigegeben, der bei der Entlüftung des Fluidkanlas 3 zum einen schalldämpfend wirkt und zum anderen auch eine Kapillar- oder Sogwirkung entfaltet, die zu einer zuverlässigen Entlüftung des Fluidkanals 3 führt. Der Fluidkanal 8 ergibt sich dabei sowohl aus der Überdeckung der beiden Kolbenenden, als auch aus der spezifischen Querschnittsform des Dichtelements 6. Dessen im wesentlichen rechteckiger Querschnitt weist nämlich eine umlaufende Ausnehmung aus, die für eine radial nach außen gerichtete, mäandernde Führung des gasförmigen Fluids sorgt, genauso wie für eine besonders gute Abdichtung des Fluidkanals 3 bei geschlossenem Entlüftungsventil. Wegen der Abschirmung des Dichtelements 6 von der Strömung und der axialsymetrisch einwirkenden Schließkraft kann das Dichtelement 6 aus einem Weichmaterial mit besonders guter Dichtwirkung hergestellt sein, das aber gleichzeitig auch eine besonders gute schalabsorbierende Wirkung aufweist.

Ein weiterer möglicher Zündmechanismus ist grundsätzlich auch die Erzeugung von Funken durch das Aufschlagen von in der Strömung befindlichen Partikeln an in Sauerstoffatmosphäre brennbaren Komponenten oder in deren unmittelbarer Umgebung. Das Dichtelement 6 stellt grundsätzlich eine solche Komponente dar. Da das Dichtelement 6 aber außerhalb des Fluidkanals 3 gelagert ist, wird es zusätzlich vor in dem gasförmigen Fluid mitgeführten Partikeln geschützt. Eine Zündung durch Partikel, die im Bereich des Dichtelements 6 einschlagen, ist damit ausgeschlossen.

Das derart angeordnete und gestaltete Dichtelement 6 hat sich als wesentlich dichter als die bisher geprüften und verwendeten Dichtungen erwiesen und entlüftet besonders zuverlässig.

Figur 2a zeigt einen Axialschnitt durch ein Flochdruckschaltventil 9 mit einem erfindungsgemäßen Dichtungssystem , das bis auf eine abweichende Geometrie des Dichtungselements dem der Figur 1 entspricht. Ein gasförmiges Fluid strömt dabei in dem Fluidkanal 3 dessen Gehäuses 2 vom Eingang 1-1 kommend in Richtung Ausgang 0-1. Es liegt dabei Druck an dem Kolben 5 und dem Dichtelement 6' an. Es wird nun ein Eingang 1-2 eines Schaltmechanismus 10 mit Steuerluft beaufschlagt, womit sich ein Schaltkolben 11 entgegen die Kraft einer Feder 12 nach links bewegt und einen Schalthebel 13 entgegen dem Uhrzeigersinn um einen Drehpunkt D bewegt. Dadurch wird der Kolben 4 in Richtung des Eingangs 1-1 verschoben und gibt den Durchfluss durch einen Dichtsitz 14, den Kolben 5 und den Kolben 4 in Richtung Ausgang 0-1 frei. Wird der Eingang 1-2 wieder entlastet, schiebt die Feder 12 den Schaltkolben 11 in Richtung Eingang 1-2. Es liegt wiederum Druck an dem Kolben 5 und des Dichtelements 6' an. Der Kolben 4 bewegt sich jetzt in Richtung des Ausgangs 0-1 und trennt sich von dem Kolben 5 ab. Das Dichtelement 6 entlüftet dann das gasförmige Fluid im Kolben 4 und Kolben 5 in Richtung eines Ausgangs 0-2.

Figur 2b zeigt den vergrößerten Teilbereich des erfindungsgemäßen Dichtungssystems G in Figur 2a mit in geschlossener Stellung befindlichen Kolben 4, 5. Im Gegensatz zur Figur 1 ist hier das Dichtelement 6' im Querschnitt ungefähr rechteckig ausgeführt, wodurch sich der labyrinthartige Fluidkanal 8 im wesentlichen aus der Überdeckung, also dem gegenseitigen Eingriff der beiden Kolbenenden ergibt. Schon diese einfache Ausführungsform des Dichtelements 6' lässt dabei eine hohe Abdichtung, schallmindernde Wirkung und geringe Ausbrandgefahr des Dichtsystems G zu.