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Patent Searching and Data


Title:
SEAL ASSEMBLY AND METHOD FOR MONITORING A SEAL ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/148151
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a seal assembly (10), to a method for monitoring a seal assembly, and to the use of a seal assembly of this type as a flap seal in a flap valve. According to the invention, it has been identified as advantageous for the contact stress of the seal element to be measured indirectly, namely by way of a distance measurement (a) between the seal element (1) and the component (2) to be sealed. To this end, the seal assembly has a specific construction including a measuring arrangement (4). A seal assembly has been created which has a simple construction, can be produced simply and inexpensively in terms of manufacturing technology, and can allow even small changes in the seal assembly to be detected. A reliable conclusion about the ageing behaviour and, in particular, the creep behaviour of the seal element is advantageously made possible by way of the method for monitoring the seal assembly.

Inventors:
NAHRWOLD OLAF (DE)
SINDLINGER STEFAN (DE)
TRABER BORIS (DE)
CLAUS TANJA (DE)
KRAMER THOMAS (DE)
LAUER FRANK (DE)
KREISELMAIER RAINER (DE)
HOHMANN GUIDO (DE)
NAUMANN CHRISTOPH (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/050387
Publication Date:
July 23, 2020
Filing Date:
January 09, 2020
Export Citation:
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Assignee:
FREUDENBERG CARL KG (DE)
International Classes:
F16J15/34; F16J15/3296
Foreign References:
US20170009550A12017-01-12
EP2557339A12013-02-13
US20090087303A12009-04-02
US20060022665A12006-02-02
DE102010042340A12012-04-12
US20120119448A12012-05-17
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Claims:
Ansprüche

1. Dichtungsanordnung (10) aufweisend ein Dichtungselement (1 ) und ein abzudichtendes Bauteil (2), wobei das Dichtungselement (1 ) derart am Bauteil (2) aufgenommen ist, dass zwischen Dichtungselement (1 ) und Bauteil (2) eine Kontaktspannung vorliegt und das Dichtungselement (1 ) eine Kontaktfläche (3) besitzt, mit welcher es an dem Bauteil (2) anliegt, und weiter aufweisend eine Meßanordnung (4) zur Überwachung der Alterung des Dichtungselements (1 ),

dadurch gekennzeichnet, dass

in das Dichtungselement (1 ) und in das Bauteil (2) je mindestens eine Meßkomponente (4.1 , 4.2) der Meßanordnung (4) integriert sind, und dass die Kontaktfläche (3) des Dichtungselements (1 ) eine

Oberflächengeometrie (5) mit Vertiefungen (5.1 ) aufweist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Meßkomponente (4.2) des Bauteils (2) angrenzend an die

Kontaktfläche (3) des Dichtungselements (1 ) in das Bauteil (2) integriert ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Meßkomponente (4.1 ) des Dichtungselements (1 ) als in das Volumen des Dichtungselements (1 ) integrierte Struktur ausgeführt ist.

4. Dichtungsanordnungen nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass

die integrierte Struktur elektrisch leitfähig oder magnetisch ist.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4

dadurch gekennzeichnet, dass

die integrierte Struktur aus dem Material des Dichtungselements (1 ) gebildet wird, unter Beigabe von Zusatzstoffen.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5

dadurch gekennzeichnet, dass

sich zwischen der integrierten Struktur und der Kontaktfläche (3) des Dichtungselements (1 ) eine isolierende Schicht befindet, insbesondere aus dem Material des Dichtungselements (1 ).

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6

dadurch gekennzeichnet, dass

die integrierte Struktur in die Vertiefungen (5.1 ) der

Oberflächengeometrie (5) eingebracht ist.

8. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kontaktfläche (3) des Dichtungselements (1 ) im Bereich einer hohen Kontaktspannung liegt.

9. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Oberflächengeometrie (5) mit ihren Vertiefungen (5.1 ) Höcker, Waben, Raster, Nuten oder Einkerbungen ausbildet.

10. Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche

wobei der Abstand (a) zwischen der Meßkomponente (4.1 ) des

Dichtungselements (1 ) und der Meßkomponente (4.2) des Bauteils (2) bestimmt wird.

11.Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung nach Anspruch 10

dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstand (a) zu verschiedenen Lastzuständen erfasst wird und die Differenz der Abstände (Aa) berechnet wird.

12. Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 1

dadurch gekennzeichnet, dass

die Zeit (t) erfasst wird, welche das Dichtungselement (1 ) zur Relaxation zwischen den verschiedenen Lastzuständen benötigt.

13. Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11 oder 12

dadurch gekennzeichnet, dass

der bei Inbetriebnahme der Dichtungsanordnung (10) bestimmte Wert des Abstands (a) und/oder der Differenz (Aa) und/oder der Zeit (t) in einem Datenspeicher der Meßanordnung (4) hinterlegt werden.

14. Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung nach Anspruch 13

dadurch gekennzeichnet, dass

ein aktuell bestimmter Wert des Abstands (a) und/oder der Differenz (Aa) und/oder der Zeit (t) mit dem hinterlegt Wert verglichen wird.

15. Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14

dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer über einem Schwellwert liegenden Abweichung ein Signal ausgegeben wird.

16. Verwendung einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Klappendichtung in einem Klappenventil.

Description:
Anmelderin: Carl Freudenberg KG, 69469 Weinheim

Dichtungsanordnung und Verfahren zur Überwachung einer

Dichtungsanordnung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 , ein Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 10 und die Verwendung einer Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 16.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind die unterschiedlichsten Dichtungen aus Kunststoffen und elastomeren Werkstoff bekannt. Beispielsweise werden durch Flachdichtungen, O-Ringe, Klappendichtungen oder andere Formdichtungen statische Dichtungen ausgebildet.

In der DE 10 2010 042 340 A1 ist eine Klappendichtung für ein Klappenventil, welches auch als Scheibenventil bezeichnet werden kann, beschrieben.

Um den Zustand einer Dichtungsanordnung zu kennen bzw. den Ausfall einer Dichtung zu vermeiden ist es erstrebenswert den Zustand der

Dichtungsanordnung zu überwachen. Dazu sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Messverfahren bekannt. Besonders erstrebenswert ist es eine dazu erforderliche Meßanordnung in die Dichtungsanordnung zu integrieren, da so ein besonders kompakter Aufbau und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht werden.

Die US 2012/0119448 A1 beschreibt einen O-Ring mit einer integrierten Meßanordnung. Durch die Meßanordnung sollen Verschleiß, thermische Veränderung, physische Beschädigung und strukturelle Zerstörung der Dichtung überwacht werden können. Dazu sind in das Dichtungselement zwei elektrisch leitfähige Schichten integriert und es kann eine Auswertung der gemessenen Kapazität erfolgen.

Schwierig bei einer derartigen Meßanordnung ist, dass wegen nur minimalen Abstandsänderungen zwischen den leitfähigen Schichten auch nur minimale Änderungen der Kapazität messbar sind. Damit wird eine sehr hohe

Genauigkeit der Meßanordnung benötigt, was dann mit der Gefahr von Meßungenauigkeiten durch Verfälschungen einhergeht.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Dichtungsanordnung zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau besitzt, fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herstellbar ist und auch bereits kleine Änderungen der Dichtungsanordnung erfassen lässt.

Weitere Aufgabe ist es ein Verfahren zur Überwachung einer

Dichtungsanordnung zu beschreiben, welches eine verlässliche Aussage über das Alterungsverhalten und insbesondere das Setzverhalten eines

Dichtungselements ermöglicht.

Technische Lösung Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wurde als vorteilhaft erkannt die Kontaktspannung des Dichtungselements indirekt zu messen, nämlich durch eine Abstandsmessung zwischen Dichtungselement und abzudichtendem Bauteil. Dazu weist die Dichtungsanordnung einen speziellen Aufbau auf.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung weist ein Dichtungselement und ein abzudichtendes Bauteil auf. Bei dem Dichtungselement kann es sich beispielsweise um einen Dichtring handeln. Das Dichtungselement kann insbesondere aus einem Elastomer gefertigt sein. Das abzudichtende Bauteil kann zum Beispiel ein Gehäuse oder ein Maschinenelement sein. Das

Dichtungselement ist derart am Bauteil aufgenommen, dass zwischen

Dichtungselement und Bauteil eine Kontaktspannung vorliegt und das

Dichtungselement eine Kontaktfläche besitzt, mit welcher es an dem Bauteil anliegt. Die Dichtungsanordnung weist weiter eine Meßanordnung zur

Überwachung der Alterung des Dichtungselements auf. Die Alterung umfasst dabei insbesondere das Setzverhalten des Dichtungselements, kann aber auch einen Verschleiß durch Abrieb umfassen.

In vorteilhafter Weise sind in das Dichtungselement und in das Bauteil je mindestens eine Meßkomponente der Meßanordnung integriert. Dadurch wird ein einfacher, kompakter und unempfindlicher Aufbau der Meßanordnung realisiert. Die Kontaktfläche des Dichtungselements weist in vorteilhafter Weise eine Oberflächengeometrie mit Vertiefungen auf. Das Meßelement des

Dichtungselements kann in den Vertiefungen selbst liegen oder noch tiefer in das Dichtungslement integriert sein, sodass eine weitere Schicht des

Dichtungselements zwischen Meßelement und Kontaktfläche liegt. Die

Kontaktfläche liegt dabei besonders bevorzugt im Bereich einer hohen

Kontaktspannung zwischen Dichtungselement und abzudichtendem Bauteil, also dort wo eine hohe Anpresskraft vorliegt. Die Kontaktfläche liegt somit direkt im Kraftfluss der Anpresskraft. Bevorzugt liegt sie im Hauptkraftschluss.

Alternativ liegt sie im Nebenkraftschluss. Eine Anpressfläche, auf welche eine Anpresskraft auf das Dichtungselement aufgebracht wird, liegt an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Dichtungselements.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist eine Meßkomponente des Bauteils angrenzend an die Kontaktfläche des Dichtungselements in das Bauteil integriert. Bei der Meßkomponente kann es sich beispielsweise um eine leitfähige Oberfläche oder um einen Hall- Sensor handeln. Handelt es sich bei dem Bauteil um ein Gehäuse, so kann auch dieses Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein und das ganze Gehäuse die Meßkomponente bilden. Wird die Abstandsmessung durch eine kapazitive Messung realisiert so kann die Kapazität gegen die Masse des Gehäuses gemessen werden, was den Aufbau der Meßkette in vorteilhafter Weise vereinfacht.

In vorteilhafter Weiterbildung der Dichtungsanordnung ist eine Meßkomponente des Dichtungselements als in das Volumen des Dichtungselements integrierte Struktur ausgeführt. Die Struktur kann insbesondere als Fläche, als Gitter, als Linien oder Bänder oder als Körper ausgestaltet sein. Die integrierte Struktur kann dabei entweder elektrisch leitfähig oder magnetisch sein. Wenn die integrierte Struktur elektrisch leitfähig ist, so wird eine kapazitive Messung ermöglicht. Wenn die integrierte Struktur magnetisch ist, so wird eine Messung mittels Hall- Sensor unter Ausnutzung des Hall- Effekts ermöglicht.

In einer besonders vorteilhaften und daher bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung wird die integrierte Struktur aus dem Material des Dichtungselements gebildet, unter Beigabe von Zusatzstoffen. In anderen Worten: die elektrisch leitfähige oder magnetische Struktur wird aus dem Dichtungswerkstoff gebildet, indem lokal begrenzt beispielsweise elektrisch leitfähige oder magnetische bzw. magnetisierte Partikel zugefügt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung kann sich zwischen der integrierten Struktur und der Kontaktfläche des Dichtungselements eine isolierende Schicht befinden, insbesondere aus dem Material des

Dichtungselements, d. h aus Dichtungswerkstoff.

In einer alternativen Ausführungsform kann sich in einer Vertiefung der Oberflächengeometrie ein Steg, d. h. eine Erhebung, aus Dichtungswerkstoff befinden und auf der Stirnfläche des Stegs kann die integrierte Struktur aufgebracht sein. Durch eine derartige Ausgestaltung wird erreicht, dass die integrierte Struktur zur Abstandsmessung näher an der Meßkomponente des Bauteils liegt und so eine höhere Messgenauigkeit und Signalgüte mit einem unverrauschten Meßsignal erzielt werden kann.

In einer besonderen Ausführungsform der Dichtungsanordnung ist die integrierte Struktur in die Vertiefungen der Oberflächengeometrie eingebracht. Eine derartige Dichtungsanordnung ist fertigungstechnisch besonders günstig, da in einem ersten Fertigungsschritt die Dichtungsanordnung aus dem

Dichtungswerkstoff hergestellt werden kann und in einem zweiten

Fertigungsschritt die Struktur in die Vertiefungen der Dichtungsanordnung mittels Beschichten, Aufspritzen oder Bedrucken aufgebracht werden kann.

Bei der zuvor beschriebenen Dichtungsanordnung kann die

Oberflächengeometrie mit ihren Vertiefungen Flöcker, Waben, Raster, Nuten oder Einkerbungen ausbilden. Die Vertiefungen können insbesondere in der Größenordnung 0,5 bis 2 mm liegen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung einer Dichtungsanordnung, insbesondere wie obenstehend beschrieben,

wobei der Abstand zwischen der Meßkomponente des Dichtungselements und der Meßkomponente des Bauteils bestimmt wird. Von dem gemessenen Abstand kann dann auf die Alterung des Dichtungselements und insbesondere auf Setzverhalten und Abrieb geschlossen werden. Als Messverfahren kann beispielsweise eine Kapazitätsmessung oder eine Stromänderung im Hall- Sensor verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung einer

Dichtungsanordnung wird der Abstand mittelbar zu verschiedenen

Lastzuständen, insbesondere zu zwei verschiedenen Lastzuständen erfasst und die Differenz der Abstände berechnet. Die mittelbare Messung kann durch Kapazitätenmessung oder unter Verwendung eines Hall- Sensors erfolgen. Ist die Dichtungsanordnung als Ventildichtung ausgeführt, so können die

Lastzustände„Ventil geöffnet“ und„Ventil geschlossen“ sein. Bei der

Ausführung als Klappedichtung eines Klappenventils sind die Lastzustände „Ventilklappe geöffnet“ und„Ventilklappe geschlossen“. Es wurde überraschend festgestellt, dass im Gegensatz zur Messung der Absolutwerte der Abstände die Auswertung der Differenz der Abstände bessere Aussagen über den Zustand der Dichtungsanordnung ermöglicht. Während sich die Absolutwerte der Abstände im Laufe der Zeit nur wenig ändern und damit kaum auswertbar sind, ergibt die Differenz der Abstände einen größeren und damit besser auswertbaren Wert. In anderen Worten: die geometrischen Änderungen durch Relaxation des Dichtungselements im statischen Zustand sind sehr gering. Deshalb macht man sich den größeren Unterschied zwischen zwei Lastfällen zu Nutze. Unter Relaxation wird hierbei die Entspannung des Dichtungselements und Rückführung auf seinen nicht verspannten Zustand verstanden, bzw. das Antwortverhalten eines Kunststoff oder elastomer Körpers auf eine einwirkende Kraft in Abhängigkeit von der Zeit. Diese liefert ein zeitabhängiges Antwortverhalten, sobald die einwirkende Kraft entfernt wird, und einen Endwert bzw Absolutwert erreicht. Dieser Endwert verändert sich durch Alterung.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung einer Dichtungsanordnung kann zusätzlich auch noch die Zeit erfasst werden, welche das Dichtungselement zur Relaxation zwischen den verschiedenen

Lastzuständen benötigt. Werden beispielsweise die zwei Lastzustände„Ventil geschlossen“ und„Ventil offen“ verwendet, so kann die Zeit erfasst werden welche für die Relaxation des Dichtungselements nach dem Öffnen des Ventils erforderlich ist. D.h. es wird die Zeit erfasst, während welcher sich das

Dichtungselement entspannt, nachdem das Ventil geöffnet wurde und somit keine Anpresskraft durch die Ventilklappe mehr auf das Dichtungselement aufgebracht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der bei der Inbetriebnahme der

Dichtungsanordnung bestimmte Wert des Abstands und/oder der Differenz und/oder der Zeit in einem Datenspeicher der Meßanordnung hinterlegt werden. D. h. es werden die Anfangswerte hinterlegt, welche für eine neue und intakte Dichtungsanordnung ohne Alterungserscheinungen gelten. Werden zu einem späteren Zeitpunkt Abstand und/oder Differenz und/oder Zeit erfasst, so können diese aktuellen Werte mit den hinterlegten Anfangswerten verglichen werden. So kann auch zusätzlich der Wert des Abstands im Lastzustand„Ventil geschlossen“ herangezogen werden, um einen Abrieb bzw. Verschleiß der Dichtfläche zwischen Ventilklappe und Dichtungselement zu detektieren, da sich mit zunehmendem Abrieb der Wert des Abstandes vergrößert. . Verschleiß führt zu einer kleineren Dimension des Dichtungselements, was wiederum eine kleinere einwirkende Kraft im Falle einer geschlossenen Ventillappe bedingt.

In Weiterbildung des Verfahrens zur Überwachung einer Dichtungsanordnung wird bei Vorliegen einer über einem definierten und hinterlegten Schwellwert liegenden Abweichung oder auch bei einer stark zunehmenden Drift des Werts von Abstand und/oder Differenz und/oder Zeit ein Signal ausgegeben. Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um ein Warnsignal oder eine Aufforderung zum Austausch des Dichtungselements oder eine automatisierte

Ersatzteilbestellung, etc. handeln.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Dichtungsanordnung wie obenstehend beschrieben als Klappendichtung in einem Klappenventil. Dabei ist eine Ventilklappe bzw. Ventilscheibe schwenkbar innerhalb eines

Dichtungsrings angeordnet und der Dichtungsring besitzt an seinem

Innendurchmesser eine Dichtfläche und ist an seinem Außendurchmesser in einem Gehäuse aufgenommen. Die Kontaktfläche liegt dabei zwischen

Außendurchmesser des Dichtungrings und Gehäuse, sodass hier die spezielle Oberflächengeometrie mit Vertiefungen vorliegt und die Meßanordnung positioniert ist.

Die beschriebene Erfindung und die beschriebenen vorteilhaften

Weiterbildungen der Erfindung stellen auch in Kombination miteinander - soweit dies technisch sinnvoll ist - vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und in konstruktiver und funktioneller Hinsicht vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren verwiesen.

Ausführungsbeispiel

Am Beispiel einer Klappendichtung soll die Erfindung näher erläutert werden. Eine Klappendichtung wird undicht, wenn die Kontaktspannung abnimmt und diese unter den Anpreßdruck des anliegenden Mediendruckes fällt. Daher ist es interessant, vorherzusagen, wann die Dichtung undicht werden wird, im Sinne einer vorausschauenden Wartung (predictive maintainance), damit der Kunde rechtzeitig die Dichtung wechseln kann bevor es zur Leckage kommt.

Die Fragestellung lautet daher: Wie kann man den Verlust der

Kontaktspannung möglichst kontinuiertlich erfassen? Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es eine geometrische Änderung zu erfassen, die als Längenänderung meßbar ist.

Um eine Längenänderung ausreichender Größe zu erreichen, die

messtechnisch erfassbar ist, wird eine Strukturierung der Dichtungsanordnung durch Vertiefungen angewendet, welche überraschende Verbesserungen mit sich bringt.

Die Simulation zeigt, dass die geometrischen Änderung durch physikalische Relaxation im statischen Zustand sehr gering sind. Das Messen der

geometrischen Unterschiede in nur diesem Lastfall sind hier nur schwer auflösbar. Deutlich größere Unterschiede misst man, wenn man den

Unterschied zwischen dem Lastfall einer offenen und geschlossen Ventilklappe betrachtet. Ohne Alterungseffekte sollten diese Differenzen immer gleich bleiben.

Es zeigt sich, dass bei größeren Vertiefungen auch die Längenänderungen, die beim Schließen bzw. Öffnen der Klappe auftreten, größer sind.

Durch die Alterung, d.h. Verlust der Relaxationsfähigkeit des Materials (d.h. die Rückstellkräfte), wird beim Öffnen der Ventilklappe das Dichtungsmaterial langsamer zurückfedern, wobei dies in einer langsameren Streckenänderung (Äa pro Zeiteinheit t) zu messen ist. Auch das Absolutniveau von Aa wird im gealterten Dichtungsmaterial immer niedriger liegen, da durch physikalische und chemische Alterung die Rückstellkräfte verloren gehen. Es wurde als vorteilhaft erkannt, dass eine Abstandsänderung entweder im offenen Zustand der Ventilklappe zu messen ist (als Absolutwert von Aa) oder beim Öffnen der Ventilklappe als Form der Kurve in Abhängigkeit von der Zeit. D. h. eine Messung, wie schnell der Dichtungskörper nach der Entlastung in die unbelastete Form zurückkehrt.

Die Erfindung soll an Fland beigefügter Figuren noch näher erläutert werden. Einander entsprechende Elemente und Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit der Figuren wurde auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet.

Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Dichtungselement

Fig. 2 verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der

Oberflächengeometrie der Kontaktfläche des Dichtungselements

Fig. 3a-b eine Dichtungsanordnung mit zwei unterschiedlichen

Messanordnungen

Fig. 4a-e mögliche Varianten zur Ausgestaltung der integrierten Struktur der

Meßkomponente des Dichtungselements

Fig. 5 die Komprimierung, Relaxation und Alterung eines

Dichtungselements

Fig. 6 das zeitliche Relaxationsverhalten eines Dichtungselements in einem Schaubild

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Dichtungselement 1 , nämlich einen Dichtrings einer Klappendichtung. Die beiden Durchgangsöffnungen 8 oben und unten sind für die Drehachse der Ventilklappe 9 vorgesehen, die hier nicht dargestellt ist. Die Ventilklappe 9 befindet sich also innerhalb des

Dichtungselements 1 und das Dichtungselement 1 hat an seinem Innendurchmesser eine Dichtfläche, welche eine Abdichtung zur Ventilklappe 9 bewirkt. An seinem Außendurchmesser ist das Dichtungselement 1 an einem Bauteil 2 aufgenommen, beispielsweise in eine Nut eines Gehäuses integriert. Das Gehäuse 2 ist in Figur 1 nicht dargestellt, sondern nur dessen Position angedeutet. An seinem Außendurchmesser hat das Dichtungselement 1 eine Kontaktfläche 3, mit welcher das Dichtungselement 1 an dem Bauteil 2 anliegt. Im Bereich dieser Kontaktfläche 3 liegt eine hohe Kontaktspannung zwischen Dichtungselement 1 und Bauteil 2 vor. Teilschnitte durch das Dichtungselement 1 an der mit Pfeilen angegebenen Stelle sind in den Figuren 4a - 4e näher dargestellt.

Fig. 2 zeigt verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der

Oberflächengeometrie 5 der Kontaktfläche 3 des Dichtungselements 1. Die Vertiefungen 5.1 können beispielsweise zwischen kreisförmigen,

wabenförmigen oder quadratischen Erhebungen liegen. Alternativ werden die Vertiefungen 5.1 durch linienförmige Nuten gebildet.

Fig. 3a-b zeigen eine Dichtungsanordnung 10 mit zwei unterschiedlichen Messanordnungen 4.

Fig. 3a zeigt eine Dichtungsanordnung 10 im Querschnitt mit

erfindungsgemäßer Oberflächengeometrie 5: Als integrierten Struktur der Meßkomponente 4.1 des Dichtungselements 1 wird eine leitfähige Schicht verwendet, die der Oberflächengeometrie 5 folgt. Zudem ist hier auch das Schaltbild eines Kondensators eingezeichnet, was verdeutlichen soll, dass als Messanordnung 4 ein Kapazitätsmessgerät verwendet wird. Eine

Relativbewegung der elektrischen Schicht 4.1 relativ zur Meßkomponente 4.2 des Bauteils 2 bewirkt dann eine messbare Änderung der Kapazität. Von dieser Änderung der Kapazität kann auf eine Abstandsänderung der

Meßkomponenten 4.1 , 4.2 geschlossen werden.

Fig. 3b zeigt ebenfalls eine Dichtungsanordnung 10, wobei hier das Schaltbild eines Hall-Sensors eingezeichnet ist, was verdeutlichen soll, dass als

Messanordnung 4 ein Hall-Sensor verwendet wird. Als Meßkomponente 4.1 wird anstelle einer leitfähigen Schicht eine magnetische Schicht verwendet. Eine Relativbewegung der magnetischen Schicht relativ zum Feld des Hall- Sensors bewirkt dann eine messbare Stromänderung. Von dieser

Stromänderung kann auf eine Abstandsänderung der Meßkomponenten 4.1 , 4.2 geschlossen werden.

Fig. 4a-e zeigen mögliche Varianten zur Ausgestaltung der Meßkomponente (4.1 ) des Dichtungselements 1 als integrierte Struktur.

In Fig. 4a ist die integrierte Struktur 4.1 als flächige Schicht eben hinter der Oberflächengeometrie 5 angeordnet. Dadurch ist der Herstellungsprozess vereinfacht.

In Fig. 4b werden - im Unterschied zu Fig. 4a - nur sehr kleine Vertiefungen 5.1 vorgesehen.

Fig. 4c zeigt eine Anordnung, bei der die integrierte Struktur 4.1 als Linien nachträglich in die Vertiefungen 5.1 , d.h. in die Kanäle der

Oberflächengeometrie 5 eingebacht wurde. Die Linien können beispielsweise durch eine Beschichtung oder ein Aufdrucken erzeugt werden.

Fig. 4d zeigt im Querschnitt eine Dichtungsanordnung 10, bei der in der Vertiefung 5.1 ein erhabener Steg 6 vorgesehen ist. D. h. der Steg 6 ist gegenüber der Vertiefung 5.1 erhöht, weist an seiner Stirnfläche jedoch noch einen Abstand zum Bauteil 2 auf. Auf der Stirnfläche des Stegs 6 ist eine integrierte Struktur 4.1 angebracht. Diese integrierte Struktur 4.1 hat keinen Kontakt zum Gehäuse 2 und erfährt somit keine Kontaktspannungen. Auf Grund der Verformungen beim Öffnen und Schließen einer Ventilklappe 9 verändert sich der Abstand a der integrierten Struktur 4.1 zum Gehäuse 2. Als Isolator zwischen der integrierten Struktur 4.1 auf dem Steg 6 und dem

Gehäuse 2 wirkt die sich dort befindliche Luft. Ein solcher Aufbau der

Dichtungsanordnung 10 findet Anwendung wenn die Ausgestaltung der Meßanordnungen 4 nur einen kleinen Abstand zwischen den Meßkomponenten 4.1 , 4.2 zulässt.

Fig. 4e zeigt eine alternative Ausgestaltung der Dichtungsanordnung (10).

Dabei wird der Körper des Dichtungselements 1 selbst als Meßkomponente 4.1 des Dichtungselements 1 verwendet. Für ein kapazitives Messverfahren ist das Dichtungselement 1 aus einem elektrisch leitfähigen Dichtungswerkstoff. Bei Verwendung eines Hall- Sensors ist das Dichtungselement 1 aus einem magnetischen Dichtungswerkstoff. An der Kontaktfläche 3 ist das

Dichtungselement 1 mit einer isolierenden Beschichtung 7 versehen.

Ob für die Meßkomponente 4.1 des Dichtungselements 1 elektrisch leitfähige oder magnetische Materialien verwendet werden ist abhängig vom

anzuwendenden Messverfahren. Für das kapazitve für Messverfahren werden elektrisch leitfähige und bei Verwendung eines Hall- Sensors magnetische Materialien verwendet.

Wenn die Meßkomponente des Dichtungselements als integrierte Struktur ausgeführt ist, so besteht diese ebenfalls aus dem Dichtungswerkstoff des Dichtungselements 1 , jedoch unter Zugabe von elektrisch leitfähigen oder magnetischen Partikeln. In Fig. 5 wird die Komprimierung, Relaxation und Alterung eines

Dichtungselements 1 gezeigt, nämlich die Veränderung des Abstands (a) zur Oberfläche des Gehäuses 2, bzw. genauer die Veränderung des Abstandes (a) zwischen den Messkomponenten 4.1 , 4.2 von Dichtungselement 1 und Bauteil 2. Dargestellt wird dies am Beispiel einer Klappendichtung eines

Klappenventils:

In der obersten Darstellung ist ein Ventil offen und das Dichtungselement 1 wird nicht verpresst sondern befindet sich im entspannten Zustand. Dargestellt ist der Zustand bei einer neuen Dichtungsanordnung 10, bei oder kurz nach Erstmontage. In der mittleren Darstellung ist ein Ventil geschlossen und das

Dichtungselement 1 wird verpresst durch eine anliegende Anpresskraft F. Damit ergibt sich ein geringerer Abstand a1.

In der unteren Darstellung ist ein Ventil ebenfalls offen, aber durch das

Nachlassen der Kontaktspannung nach einer gewissen Nutzungsdauer ist das Dichtungselement 1 nicht wieder in den Ausgangszustand zurückgekehrt und a2 ist kleiner als a.

Fig. 6 zeigt das zeitliche Relaxationsverhalten eines Dichtungselements 1 in einem Schaubild. Die obere Kurve zeigt das Verhalten bei einer neuen

Dichtungsanordnung 10. Die untere Kurve das Verhalten bei einer

Dichtungsanordnung 10 nach einer gewissen Nutzungszeit. Gezeigt sind zwei Kurvenverläufe des gemessenen Abstands a zwischen den Messkomponenten 4.1 , 4.2 von Dichtungselement 1 und Bauteil 2 während der Relaxation des Dichtungselements 1 , d.h. über die Zeit nach erfolgtem Öffnen des Ventils. Bei der oberen Kurve ist zu sehen, dass sich das Dichtungselement 1 kurz nach dem Öffnen des Ventils gut und schnell zurückstellt. Die untere Kurve zeigt das Verhalten des Dichtungselements 1 , wenn das Rückstellverhalten deutlich nachgelassen hat. Das Rückstellverhalten ist deutlich langsamer und das Dichtungselement 1 kann sich nicht mehr so gut zurückstellen.

Die Auswertung des Schaubildes ergibt also folgendes: Durch die Alterung, d.h. den Verlust der Relaxationsfähigkeit des Materials des Dichtungselements und von dessen Rückstellkräften, wird beim Öffnen der Ventilklappe das

Dichtungsmaterial langsamer zurückfedern, wobei dies in einer langsameren Streckenänderung (Aa pro Zeiteinheit t) zu messen ist. Auch das Absolutniveau von Aa wird im gealterten Dichtungsmaterial immer niedriger liegen, da durch physikalische und chemische Alterung die Rückstellkräfte verloren gehen. Bezugszeichenliste

1 Dichtungselement

2 abzudichtendes Bauteil

3 Kontaktfläche

4 Meßanordnung

4.1 Meßkomponente Dichtungselement (z.B. integrierte Struktur)

4.2 Meßkomponente Bauteil

5 Oberflächengeometrie

5.1 Vertiefungen

6 Steg

7 Beschichtung

8 Durchgangsöffnung

9 Position Ventilklappe

10 Dichtungsanordnung

a Abstand

F Anpresskraft