Gleitringdichtungsanordnung mit Balgdichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Balgdichtung und die Verwendung der Balgdichtung für eine derartige Gleitringdichtungsanordnung.

Die Erfindung bezieht sich damit allgemein auf Gleitringdichtungsanordnungen mit einer Balgdichtung aus nachgiebigem Material zur Schaffung einer axial nachgiebigen Verbindung eines Gleitrings mit einem rotierenden Bauteil, wie es z. B. aus Burgmann Lexikon, ABC der Gleitringdichtung, 1988 Selbstverlag, S. 22-23 bekannt ist. Die Balgdichtung übernimmt zugleich die Aufgabe der dynamischen Sekundärdichtung.

Jedoch besteht ein Bedarf nach einer Abdichtung zwischen einem rotierenden Bauteil und beispielsweise einem Maschinengehäuse gegenüber chemisch aggressiven Substanzen, wobei insbesondere hohe Temperaturen vorliegen können.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche eine hohe Temperaturbeständigkeit und/oder eine hohe chemische Beständigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird von einer Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst, wobei die Balgdichtung im wesentlichen aus einem perfluorelastomerhaltigen Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist.

Es sind zwar Dichtelemente in Form eines O-Rings aus Perfluorkautschuk bekannt, jedoch sind Gleitringdichtungen, deren dynamische Sekundärdichtung durch O-Ringe gebildet werden, gegenüber Verschmutzungen, die sich vor den O-Ringen auf der Welle ablagern können, in ihrem Nachsetzverhalten behindert. Dies führt zu einer Behinderung der axialen Beweglichkeit des Gleitrings, was zur Trennung der

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Gleitfläche, zu hoher Leckage bis hin zum Totalausfall der Gleitringdichtung führen kann.

Ferner sind Elemente aus Perfluorkautschuk einerseits für komplexe Geometrien schwer verarbeitbar bzw. kompliziert oder nahezu nicht herstellbar, wobei insbesondere eine hohe Rissbildung beim Entformen aus dem Herstellungswerkzeug bei geometrisch komplexen Formen auftreten kann, wodurch ein Element aus Perfluorkautschuk als Dichtelement nicht verwendbar ist bzw. Ausschuss darstellt. Andererseits sind Perfluorkautschuke in der Herstellung sehr teuer, wobei das Preisverhältnis zu SBR ungefähr 5000:1 beträgt.

Aufgrund der geringen Reißfestigkeit bzw. hohen Rissbildung und den hohen Kosten bei der Herstellung von Perfluorkautschuk mit komplexen Geometrien hat sich in der Fachwelt ein Vorurteil aufgebaut, dass derartige Materialien für Dichtungen mit komplexen Formen nicht hergestellt bzw. verwendet werden können. Dies wird aufgrund der Tatsache bestätigt, dass Perfluorkautschuk bereits seit den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts bekannt ist und von dem Fachmann aufgrund obiger Erläuterungen nicht für Balgdichtungen in Gleitringdichtungen in Betracht gezogen worden ist.

Jedoch hat die Anmelderin aufgrund umfangreicher Entwicklungsarbeit und entsprechender Versuche überraschenderweise feststellen können, dass Balgdichtungen aus perfluorelastomerhaltigem Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 hergestellt werden können, welche entsprechende Passungen für die Verwendung in einer Gleitringdichtungsanordnung aufweisen und aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit sowie der hohen chemischen Beständigkeit besonders vorteilhaft sind.

Die erfindungsgemäße Balgdichtung kann eine Hitzebeständigkeit von bis zu 260 ⁰ C, bei speziellen Typen bis über 300 ⁰ C aufweisen. Ferner haben erfindungsgemäße Balgdichtungen bei der Verwendung in der erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnung eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber nahezu allen Chemikalienkategorien, wie z. B. polaren Lösungsmitteln, Ketonester, Ether, aliphatischen,

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aromatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen, organischen und anorganischen Säuren und Basen, Dampf, Chlor, Sauergas (Gemisch aus H ₂ S, H ₂ O ₁ CO ₂ und CH ₄ ), Skydrol 500 usw.

Des weiteren sind die erfindungsgemäßen Gleitringdichtungsanordnungen gegenüber Verschmutzungen und Ablagerungen besonders unempfindlich, da der Balgbereich der Balgdichtung aus Perfluorelastomer für eine gewünschte axiale Beweglichkeit sorgt und man somit eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit für die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung erhält. Insbesondere ist dabei die geringe Haftneigung des Perfluorelastomers vorteilhaft, durch welche Verschmutzungen an der Balgdichtung aus Perfluorelastomer nicht oder nur in geringem Maße anhaften, und wobei als Folge davon das Nachsetzverhalten nicht behindert wird. Folglich sind Gleitringdichtungen mit einer Balgdichtung aus Perfluorelastomer besonders vorteilhaft, da aufgrund den obigen Ausführungen bei Balgdichtungen aus Perfluorelastomer die Trennung der Gleitflächen und auch eine hohe Leckage verhindert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So besteht die erfindungsgemäße Balgdichtung aus perfluorelastomerhal- tigem Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk im wesentlichen aus einem Copolymer von Tetrafluorethylen und Perfluormethylvinylether mit einem geringen Zusatz eines Vernetzungsmonomers, welches durch eine perfluorierte Verbindung mit funktionellen Gruppen eine Vernetzung bewerkstelligt.

Darüber hinaus wird die Balgdichtung bevorzugt aus FFKM perfluoriertem Kautschuk hergestellt, bei welchem alle Substituenten der Polymerkette Fluor, Perfluoralkyl- oder Perfluoralkoxy-Gruppen sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind neben dem Kautschuk für die Balgdichtung Füllstoffe vorgesehen, welche insbesondere perfluorierte Weichmacheröle umfassen.

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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind neben dem Kautschuk für die Balgdichtung Vulkanisierungsmittel vorgesehen, insbesondere Bisphenol AF oder Peroxid mit Coagens.

Die erfindungsgemäße Balgdichtung weist zumindest einen Balgbereich und endsei- tige Montagebereiche auf, von denen einer zur drehfesten Montage an dem rotierenden Bauteil oder einem weiteren Element und der andere zur Halterung eines Gleitrings vorgesehen ist, wobei die Balgdichtung im wesentlichen aus einem perfluor- elastomerhaltigen Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist, und wobei die erfindungsgemäße Balgdichtung insbesondere in einer Gleitringdichtungsanordnung mit zumindest einem Gleitring, auf den eine Vorspannkraft wirkt, zur Abdichtung zwischen einem stationären Bauteil und einem rotierenden Bauteil verwendet wird.

Im folgenden wird nun die vorliegende Erfindung rein beispielhaft gemäß einer Ausführungsform und den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt im Längshalbschnitt einen rotationssymmetrischen Teil der Gleitringdichtungsanordnung gemäß der Erfindung im Einbauzustand; und

Figur 2 zeigt in einer vergrößerten längsgeschnittenen Detailansicht den rotierenden Teil der Gleitringdichtungsanordnung von Figur 1.

Die Gleitringdichtungsanordnung nach der Erfindung trägt in Figur 1 das allgemeine Bezugszeichen 1 und umfasst ein paar zusammenwirkende Gleitringe 2, 3, von denen der Gleitring 2 an einem stationären Bauteil, z. B. dem Gehäuse 4 einer Pumpe oder dergleichen, in geeigneter Weise drehfest gehalten ist. Der andere Gleitring 3 ist dagegen zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil, z. B. einer Welle 5, vorgesehen, die mittels der Gleitringdichtungsanordnung gegenüber dem Gehäuse 4 abgedichtet werden soll. Die Gleitringe 2, 3 haben radiale oder annähernd radiale Dichtflächen, zwischen denen bei Betrieb ein Dichtspalt gebildet wird.

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Geeignete Materialien für die Gleitringe 2, 3 sind z. B. Burgmann-Lexikon a.a.O., S. 269 zu entnehmen. Bezüglich näherer Details kann daher hierauf Bezug genommen werden.

Nachfolgend wird auf Figur 2 Bezug genommen, die den rotierenden Teil der Gleit- ringdichtungsanordnung in vergrößertem Maßstab zeigt. Dieser umfasst eine Balganordnung in Form einer Balgdichtung 6, welche im wesentlichen aus einem perfluo- relastomerhaltigen Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist. Insbesondere besteht die Balgdichtung 6 aus perfluor- elastomerhaltigem Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk im wesentlichen aus einem Copolymer von Tetrafluorethylen und Perfluormethylvinylether mit einem geringen Zusatz eines Vernetzungsmonomers, welches durch eine perfluorierte Verbindung mit funktionellen Gruppen eine Vernetzung bewerkstelligt. Die Balgdichtung 6 kann in an sich bekannter Weise in drei Bereiche definiert werden, nämlich einen ersten Montagebereich 8, einen davon axial beabstandeten zweiten Montagebereich 9 und einen die beiden Montagebereiche 8, 9 miteinander verbindenden faltbaren Balgbereich bzw. Zwischenbereich 7. Der faltbare Balgbereich 7 kann beim Einsatz, wie in Figur 2 gezeigt ist, eine Z-förmige Konfiguration annehmen. Die Erfindung ist jedoch auf eine derartige Konfiguration des faltbaren Bereiches 7 nicht beschränkt. Andere mögliche Konfigurationen sind z. B. Burgmann- Lexikon a.a.O., S. 23 zu entnehmen. Die Montagebereiche 8, 9 haben vorzugsweise eine im wesentlichen rohrförmige Ausbildung.

Die Balganordnung kann ferner ein Mitnehmergehäuse 12 mit einem ersten Kraftübertragungsbereich 13 und einem zweiten im Durchmesser reduzierten Kraftübertragungsbereich 14 aufweisen, die durch einen zwischenliegenden Schulter- oder Absatzbereich 15 miteinander verbunden sind. Der erste Kraftübertragungsbereich 13 ist zur Aufnahme des ersten Montagebereiches 8 der Balgdichtung 6 ausgelegt, dergestalt, dass bei einer koaxialen übergreifenden Beziehung zwischen dem Gleitring 3, dem Montagebereich 8 und dem Kraftübertragungsbereich 13, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, der Montagebereich 8 der Balgdichtung 6 sandwichartig zwischen der

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äußeren Umfangsfläche des Gleitrings 3 und der inneren Umfangsfläche des Kraftübertragungsbereiches 13 eingeschlossen und zusammengepresst ist, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den genannten Bauteilen zustande kommt. Eine Drehkraft kann daher vom Kraftübertragungsbereich 13 über den Montagebereich 8 auf den Gleitring 3 im wesentlichen schlupffrei übertragen werden.

Wenn erwünscht, könnte anstelle einer kraftschlüssigen Verbindung unter den genannten Bauteilen auch eine feste Verbindung, z. B. durch Kleben oder dergleichen, vorgesehen sein.

Der zweite Kraftübertragungsbereich 14 des Mitnehmergehäuses 12 definiert eine Bohrung oder Durchgangsöffnung mit einer radialen Innenabmessung D. Der zweite Kraftübertragungsbereich 14 kann eine Vielzahl umfänglich verteilt angeordnete, axial sich erstreckende Finger umfassen, die in Axialnuten 17 in einem Mitnehmerring 16 aus einem geeigneten Material, wie Metall, eingreifen. Der Mitnehmerring 16 ist, vorzugsweise kraftschlüssig, am zweiten Montagebereich 9 der Balgdichtung 6 fixiert, oder diese Fixierung wird bei der Montage erhalten, indem die Balgdichtung 6 mit dem Mitnehmerring 16 mit Untermaß auf die Welle 5 aufgesetzt wird. Eine Drehung der Welle 5 wird daher über den Montagebereich 9 und den Mitnehmerring 16 auf das Mitnehmergehäuse 12 und von dort in der vorbeschriebenen Weise auf den Gleitring 3 übertragen.

Eine Vorspanneinrichtung ist vorgesehen, um den Gleitring 3 gegen den stationären Gleitring 2 mechanisch vorzuspannen. Obschon andere Vorspanneinrichtungen vorgesehen sein könnten, umfasst diese bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise eine Wendel- oder Schraubenfeder 10, die sich einerends an einem Wellenabsatz, siehe Figur 1 , und anderenends am Schulterbereich 15 des Mitnehmergehäuses 12 abstützt. Vorzugsweise umfasst die Wendelfeder 10 einige eng anliegende Windungen, die den zweiten Kraftübertragungsbereich 14 des Mitnehmergehäuses 12 außenumfänglich umgeben und einer eventuellen Spreizung

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der Finger des Kraftübertragungsbereiches 14 entgegenwirken. Die Wendelfeder 10 hat ferner vorzugsweise, wie Figur 1 zeigt, eine konische Ausbildung.

Desweiteren kann zur axialen Abstützung des Gleitrings 3 ein Stützelement 11 vorgesehen sein, das in geeigneter Weise von der Balgdichtung 6 gehalten ist. Beim Stützelement 11 kann es sich um eine Ringscheibe aus einem geeigneten Material, wie Metall, handeln, das eine ausreichende Steifigkeit besitzt, um, anders als die Balgdichtung 6, axial einwirkenden Kräften nicht oder nur in wesentlich verringertem Maße durch Verformung nachzugeben. Anstelle von Metall könnte das Stützelement 11 auch aus einem formstabilen Kunststoffmaterial wie PEEK oder dergleichen bestehen.

Das Stützelement 11 ist außenumfänglich, kraftschlüssig oder durch Klebung, in einer Nut im ersten Montagebereich 8 der Balgdichtung 6 nahe dem faltbaren Bereich 7 gehalten und enthält eine Bohrung, durch die die Welle 5 hindurchgeführt ist. Das Stützelement 11 hat ferner eine bestimmte radiale Außenabmessung A, die um ein geeignetes Maß größer als die radiale Innenabmessung D der Bohrung des zweiten Kraftübertragungsbereiches 14 des Mitnehmergehäuses 12 ist. Der Gleitring 3 kann mit seiner benachbarten Endseite an einer Stirnseite des Stützelementes 11 axial anliegen, während sich an der gegenüberliegenden Stirnseite des Stützelementes 11 ein Abschnitt des faltbaren Bereichs 7 der Balgdichtung 6 beim Einsatz und Betrieb abstützen kann.

Mit dem vorbeschriebenen Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung wird erreicht, dass eine axiale Kraft, die durch die mechanische Vorspanneinrichtung 10 oder unter den beim Betrieb einwirkenden hydraulischen Drücken aufgebracht wird und eine axiale Bewegung des Mitnehmergehäuses 12 und der Balgdichtung 6 relativ zum Gleitring 3 bewirken kann, nicht dazu führen kann, dass der rotierende Gleitring 3, der aufgrund seines Zusammenwirkens mit dem stationären Gleitring 2 an einer ebensolchen axialen Bewegung im wesentlichen gehindert ist, in die Bohrung mit der Abmessung D des Mitnehmergehäuses 12 unter weitgehender Zerstörung oder Be-

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Schädigung der Balgdichtung 6 eindringen kann. übermäßige auf die Gleitringdich- tungsanordnung einwirkende hydraulische oder mechanische axiale Kräfte können lediglich zur Folge haben, dass das Stützelement 11 zu einer Position nahe dem Schulterbereich 15 des Mitnehmergehäuses 12 bewegt wird und dort zum Stillstand kommt, was keine schädlichen Auswirkungen auf die Balgdichtung 6 hat.

Weitere nicht näher dargestellte Ausführungsformen der Erfindung sind beispielsweise auf Seite 23 des Burgmann-Lexikons, ABC der Gleitringdichtung, 1988 Selbstverlag, dargestellt, wobei die Balgdichtung jeweils aus perfluorelastomerhaltigem Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist.

Insbesondere stellt die Balgdichtung ein Dichtungselement dar, welches im wesentlichen aus dem perfluorelastomerhaltigen Material oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist, wobei die erfindungsgemäße Balgdichtung zusammen mit der Gleitringdichtungsanordnung oder als separates Bauteil zur nachträglichen Montage verwendet und vertrieben werden kann.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Balgdichtung, welche aus Perfluor- elastomer und/oder perfluoriertem Kautschuk aufgebaut ist, für Gleitringdichtungsan- ordnungen verwendet werden, welche zumindest einen Gleitring zur Abdichtung zwischen einem stationären Bauteil und einem rotierenden Bauteil, wobei eine Federkraft auf den Gleitring wirkt, und die Balgdichtung aufweist, welche zumindest einen Balgbereich und endseitige Montagebereiche aufweist, von denen einer zur drehfesten Montage an dem rotierenden Bauteil oder einem weiteren Element und der andere zur Halterung des Gleitrings vorgesehen ist.

Somit wird eine Gleitringdichtungsanordnung sowie eine Balgdichtung und die Verwendung der Balgdichtung für eine derartige Gleitringdichtungsanordnung beschrieben, wobei diese zumindest einen Gleitring zur Abdichtung zwischen einem stationären und einem rotierenden Bauteil, wobei eine Vorspannkraft auf den Gleitring wirkt, und die Balgdichtung aufweist, welche zumindest einen Balgbereich aus nachgiebi-

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gern Material und endseitige Montagebereiche umfasst, von denen einer zur drehfesten Montage an dem rotierenden Bauteil oder einem weiteren Element und der andere zur Haltung des Gleitrings vorgesehen ist, wobei die Balgdichtung im wesentlichen aus einem perfluorelastomerhaltigen Material und/oder aus FFKM perfluoriertem Kautschuk nach DIN ISO 1629 aufgebaut ist.

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