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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Seriennummer
63/148,772 , die am 12. Februar 2021 eingereicht wurde und hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Drehdurchführungsdichtungen.
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STAND DER TECHNIK
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Dichtungen werden zum Verschließen des Spalts zwischen sich relativ zueinander bewegenden Maschinenteilen in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Drehdurchführungen sind Maschinenteile, die den Durchfluss von Fluiden zwischen relativ rotierenden Maschinenkomponenten ermöglichen. Eine oder mehrere Dichtungen verhindern den Verlust von Fluid außerhalb der Drehdurchführung oder das Eindringen von Verunreinigungen in das Fluid. Typische Dichtungen, die für Drehdurchführungen verwendet werden, können einen dynamischen Dichtungsring aus Kunststoff (z. B. verschiedene PTFE-Verbindungen) und einen Elastomer-Energizer (z. B. Nitrilkautschuk-O-Ring) beinhalten. In einer Maschinenbaugruppe kann diese Art von Dichtung die Übertragung von Fluid oder Partikeln an einem Anschluss zwischen zwei Maschinenteilen verhindern und gleichzeitig eine Hin- und Her-Bewegung oder Drehbewegung dazwischen ermöglichen.
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Die Dichtungsbaugruppe kann in einer Nut in einem ersten Maschinenteil angeordnet sein und bei einer relativen Hin- und Her-Bewegung oder Drehbewegung gegen ein zweites Maschinenteil abdichten. Der Elastomer-Energizer und der dynamische Dichtungsring sind dazu vorgesehen, mit dem ersten Maschinenteil statisch zu bleiben und an der dynamischen Schnittstelle an dem zweiten Maschinenteil zu gleiten.
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Bei einer relativen Drehbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Maschinenteil kann jedoch die vorgesehene statische Schnittstelle einem Schlupf unterliegen und es dem dynamischen Dichtungsring ermöglichen, an der vorgesehenen dynamischen Schnittstelle zu haften und mit dem zweiten Maschinenteil statisch zu bleiben. Dadurch kommt es an der vorgesehenen statischen Schnittstelle zu einer Gleitbewegung zwischen dem dynamischen Dichtungsring und dem Elastomer-Energizer. Dieses Phänomen ist als „Gegendrehung“ bekannt. In Flüssigkeitsdichtungsanwendungen unter hohen Drücken, zum Beispiel 500 bis 2000 psi, kann dieser Schlupf an der vorgesehenen statischen Schnittstelle übermäßigen Verschleiß des Energizers verursachen und zu Leckagen führen.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer Drehdurchführungsdichtung, die Schlupf und eine Gegendrehung unterbindet. Die hierin offenbarte verzahnende Drehdurchführungsdichtung löst diese und andere Probleme.
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ÜBERSICHT ÜBER BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet eine verzahnende Drehdurchführungsdichtung einen dynamischen Dichtungsring, der eine oder mehrere Taschen beinhaltet. Diese Taschen können in Fluidverbindung mit Seitenkanälen stehen und sind bevorzugt breiter als die Seitenkanäle, erstrecken sich aber nicht vollständig durch die dynamische Dichtung. Der Elastomer-Energizer kann sich unter Druck in die Taschen hinein verformen, wodurch eine verzahnende Geometrie entsteht, die eine relative Drehung zwischen dem Elastomer-Energizer und dem dynamischen Dichtungsring verhindert.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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- 1 veranschaulicht eine rechte Seitenaufrissansicht einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung, wobei die linke Seite spiegelbildlich dazu ist;
- 2 veranschaulicht eine detaillierte Teilansicht eines dynamischen Dichtungsrings einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung;
- 3 veranschaulicht eine Teilquerschnittsansicht einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung, die zwischen einem ersten Maschinenteil und einem zweiten Maschinenteil angeordnet ist;
- 4 veranschaulicht eine verzahnende Drehdurchführungsdichtung im Gebrauch, wobei der erste Maschinenteil transparent ist;
- 5 veranschaulicht eine detaillierte perspektivische Seitenansicht einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung;
- 6 veranschaulicht eine Teilquerschnittsansicht einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung, die, nicht unter Druck stehend, zwischen einem ersten Maschinenteil und einem zweiten Maschinenteil angeordnet ist; und
- 7 veranschaulicht einen Teilquerschnitt einer verzahnenden Drehdurchführungsdichtung, die, unter Druck stehend, zwischen einem ersten Maschinenteil und einem zweiten Maschinenteil angeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die folgenden Beschreibungen stellen nur Ausführungsbeispiele dar und sind nicht als einschränkend für den Schutzbereich zu betrachten. Jede Bezugnahme hierin auf „die Erfindung“ soll die Erfindung nicht auf exakte Merkmale oder Schritte einer oder mehrerer der in der vorliegenden Beschreibung offenbarten beispielhaften Ausführungsformen beschränken oder begrenzen. Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“, „verschiedene Ausführungsformen“ und dergleichen können angeben, dass die so beschriebene(n) Ausführungsform(en) ein jeweiliges Merkmal, eine jeweilige Struktur oder eine jeweilige Eigenschaft umfassen kann (können), aber nicht jede Ausführungsform umfasst notwendigerweise das jeweilige Merkmal, die jeweilige Struktur oder die jeweilige Eigenschaft. Somit bezieht sich die wiederholte Verwendung des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform.
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Auf die Zeichnungen wird in der gesamten Offenbarung unter Verwendung verschiedener Nummern Bezug genommen. Die verwendeten Nummern dienen nur zur Vereinfachung für den Verfasser, und das Fehlen von Nummern in einer offensichtlichen Reihenfolge sollte nicht als einschränkend angesehen werden und bedeutet nicht, dass zusätzliche Teile dieser jeweiligen Ausführungsform existieren. Nummerierungsmuster von einer Ausführungsform zur anderen müssen nicht bedeuten, dass jede Ausführungsform ähnliche Teile aufweist, obwohl dies der Fall sein kann.
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Dementsprechend sind die jeweiligen offenbarten Anordnungen nur zur Veranschaulichung gedacht und nicht einschränkend in Bezug auf den Schutzbereich der Erfindung, die die vollständige Breite der angefügten Ansprüche und allen Äquivalenten davon aufweisen soll. Es werden hierin zwar spezifische Begriffe benutzt, doch sie werden nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zwecke der Einschränkung verwendet. Sofern hierin nicht ausdrücklich anders definiert, sind diese Begriffe in ihrer breiten, gewöhnlichen und üblichen Bedeutung zu verstehen, die nicht im Widerspruch zu der in der betreffenden Branche geltenden Bedeutung steht, und ohne Einschränkung auf die nachstehend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ist. Wie hierin verwendet, soll der Artikel „ein, eine, einer“ einen oder mehrere Gegenstände umfassen. Wenn der Begriff „oder“ hierin verwendet wird, um eine Liste von Elementen zu verbinden, bezieht er sich auf mindestens eines der Elemente, schließt aber eine Vielzahl von Elementen der Liste nicht aus. Bei beispielhaften Verfahren oder Prozessen sind die Abfolge und/oder die Anordnung der hierin beschriebenen Schritte veranschaulichend und nicht einschränkend.
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Es sollte sich verstehen, dass die Schritte solcher Prozesse oder Verfahren nicht darauf beschränkt sind, in einer jeweiligen Abfolge, Anordnung oder mit einer jeweiligen Grafik oder Schnittstelle durchgeführt zu werden. In der Tat können die Schritte der offenbarten Prozesse oder Verfahren im Allgemeinen in verschiedenen Abfolgen und Anordnungen durchgeführt werden, während sie immer noch in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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Der Begriff „gekoppelt“ kann bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente in direktem physischen Kontakt stehen. „Gekoppelt“ kann jedoch auch bedeuten, dass zwei oder mehr Elemente nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, aber trotzdem zusammenwirken oder miteinander interagieren.
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Die Begriffe „beinhaltend“, „umfassend“, „aufweisend“ und dergleichen, wie sie in Bezug auf Ausführungsformen verwendet werden, sind synonym und sind im Allgemeinen als „offene“ Begriffe zu verstehen (z. B. soll der Begriff „umfassend“ als „umfassend, aber nicht beschränkt auf“ interpretiert werden, der Begriff „aufweisen“ soll als „mindestens aufweisend“ interpretiert werden und der Begriff „umfasst“ soll als „umfasst, ist aber nicht beschränkt auf“ interpretiert werden, usw.).
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Drehdurchführungsdichtungen aus dem Stand der Technik weisen einen Elastomer-Energizer und einen dynamischen Dichtungsring auf. Der Elastomer-Energizer und der dynamische Dichtungsring sind dazu vorgesehen, mit dem ersten Maschinenteil statisch zu bleiben und an der dynamischen Schnittstelle an einem zweiten Maschinenteil zu gleiten. Da jedoch ein verzahnender Mechanismus zwischen dem Elastomer-Energizer und dem dynamischen Dichtungsring fehlt, kann es zu Schlupf/einem Gleiten zwischen den beiden kommen, was zu übermäßigem Verschleiß und Leckagen führt.
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Im Gegensatz dazu verhindert die verzahnende Drehdurchführungsdichtung, wie in 1-7 gezeigt, Schlupf/ein Gleiten zwischen dem Elastomer-Energizer und dem dynamischen Dichtungsring, wodurch die Probleme des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere beinhaltet mit Bezug auf 1-3 eine verzahnende Drehdurchführungsdichtung 100 einen Elastomer-Energizer 102 und einen dynamischen Dichtungsring 104, wobei der dynamische Dichtungsring 104 mindestens eine Tasche 106A-I (z. B. eine Aussparung oder Kerbe) beinhaltet. In einigen Ausführungsformen stehen die eine oder die mehreren Taschen 106A-I in Fluidverbindung mit einem entsprechenden Seitenkanal 108A-I. Wie gezeigt, sind die Taschen 106A-I im Allgemeinen breiter als die Seitenkanäle 108A-I. Die Taschen 106A-I stehen zwar bevorzugt in direkter Verbindung mit den Seitenkanälen 108A-I, aber eine solche Konfiguration ist nicht erforderlich, und es versteht sich, dass die eine oder die mehreren Taschen 106A-I im Verhältnis zu den Seitenkanälen 108A-I versetzt sein können. Des Weiteren muss die Anzahl der Taschen 106A-I nicht mit der Anzahl von Seitenkanälen 108A-I korrelieren. Des Weiteren können auch mehr oder weniger Taschen 106A-I und Seitenkanäle 108A-I verwendet werden, ohne dass hiervon abgewichen wird.
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Mit Bezug auf 3 ist die verzahnende Drehdurchführungsdichtung 100 in einer Nut 110 eines ersten Maschinenteils 112 angeordnet, wobei der Elastomer-Energizer 102 zwischen dem ersten Maschinenteil 112 und dem dynamischen Dichtungsring 104 angeordnet ist, wobei der dynamische Dichtungsring 104 in Kontakt mit dem zweiten Maschinenteil 114 steht und dieses abdichtet, mit dem ersten Maschinenteil 112. Wie gezeigt, verformt sich der Elastomer-Energizer 102, wenn Fluiddruck von links nach rechts aufgebracht wird (die Druckrichtung ist durch Pfeile angegeben), und füllt die Tasche 106A auf der rechten Seite. Wenn der Elastomer-Energizer 102 in die Tasche 106A hinein verformt ist, ist der Elastomer-Energizer 102 mit dem dynamischen Dichtungsring 104 verzahnt, wodurch Schlupf zwischen den beiden verhindert wird. Infolgedessen werden die Probleme des Standes der Technik überwunden. In einigen Ausführungsformen kann der Elastomer-Energizer 102 mit Vorsprüngen geformt sein, die jeweils mit einer Tasche 106A-I zusammenpassen; in einer bevorzugten Ausführungsform hat der Elastomer-Energizer 102 jedoch keine Vorsprünge, was eine einfache Herstellung (z. B. O-Ringe) und Montage ermöglicht (keine Notwendigkeit, Vorsprünge mit Taschen auszurichten), und verformt sich stattdessen einfach in die Taschen 106A-I hinein, wenn Druck aufgebracht wird. 4 veranschaulicht eine verzahnende Drehdurchführungsdichtung 100, wobei die erste Komponente 112 transparent ist und der Elastomer-Energizer 102 über die Taschen 106A, 106B mit dem dynamischen Dichtungsring 104 verzahnt gezeigt ist. Mit anderen Worten, Druck wird aufgebracht, sodass sich der Elastomer-Energizer in die Taschen 106A, 106B hinein verformt, wie in 3 gezeigt.
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Es versteht sich, dass verschiedene Formfaktoren von Kombinationen von Elastomer-Energizern und dynamischen Dichtungsringen verwendet werden können, ohne dass hiervon abgewichen wird. Zum Beispiel beinhaltet mit Bezug auf 5-7 eine verzahnende Drehdurchführungsdichtung 200 einen X-Ring (auch bekannt als „Quad-Ring“), einen Elastomer-Energizer 202 und einen dynamischen Dichtungsring 204. Es ist wichtig anzumerken, dass die Kombinationen aus X-Ring-Elastomer-Energizern und dynamischen Dichtungsringen nach dem Stand der Technik immer noch Schlupf und Gegendrehung aufweisen, was zu übermäßigem Verschleiß und Leckagen führt. Im Gegensatz dazu umfasst der dynamische Dichtungsring 204 Taschen 206A-D, die es dem X-Ring-Elastomer-Energizer 202 ermöglichen, sich darin zu verformen, wenn er unter Druck steht, wodurch sich der dynamische Dichtungsring 204 und der X-Ring-Elastomer-Energizer 202 verzahnen. In einigen Ausführungsformen sind die Taschen 206A-D jeweils an einem Ende eines Seitenkanals 208A-D positioniert, obwohl diese Position nicht erforderlich ist. Die Seitenkanäle 208A-D ermöglichen es dem Fluid, sich gleichmäßig zu dem X-Ring-Elastomer-Energizer auszubreiten, wodurch eine gleiche Druckbeaufschlagung um die verzahnende Drehdurchführungsdichtung 200 sichergestellt wird. Wie gezeigt, erstrecken sich die Seitenkanäle 208A-D im Allgemeinen radial von dem Innendurchmesser des dynamischen Dichtungsrings 204 zu dem Außendurchmesser des dynamischen Dichtungsrings 204, wo sie sich mit den Taschen 206A-D an einem Außenrand verbinden können.
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Wie in 6-7 gezeigt, sind der Elastomer-Energizer 202 und der dynamische Dichtungsring 204 in einer Nut 210 einer ersten Komponente 212 angeordnet, um die erste Komponente 212 gegen eine zweite Komponente 214 abzudichten. Wie in 6 gezeigt, befindet sich der Elastomer-Energizer 202 in einer standardmäßigen Ruheposition, in der kein Fluiddruck aufgebracht ist. Infolgedessen ist der Elastomer-Energizer 202 nicht in die Taschen 206A oder 206I hinein verformt. Sobald jedoch Druck aufgebracht wird (die Richtung des Drucks ist in 7 mit Pfeilen veranschaulicht), verformt sich der Elastomer-Energizer 202, um die Tasche 206A zu füllen. Wenn der Elastomer-Energizer 202 in die Tasche 206A hinein verformt ist, ist der Elastomer-Energizer 202 mit dem dynamischen Dichtungsring 204 verzahnt, wodurch eine relative Drehung, Abnutzung und Leckage verhindert werden. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Taschen 206A-D verwendet werden kann und die Anzahl nicht auf die hierin gezeigte oder beschriebene Anzahl beschränkt ist. Wie des Weiteren bereits erwähnt, sind die Taschen 106, 206 zwar mit den Seitenkanälen 108 bzw. 208 ausgerichtet, eine solche Ausrichtung ist jedoch nicht erforderlich, und die Taschen 106, 206 können sich auch anders auf dem dynamischen Dichtungsring 104, 204 befinden.
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Des Weiteren befinden sich in einigen Ausführungsformen die Taschen 106, 206 bevorzugt an beiden äußeren Umfangsrändern des dynamischen Dichtungsrings 104, 204 zur Verwendung bei der Abdichtung, wenn Druck in beide Richtungen aufgebracht wird. Es versteht sich jedoch, dass sich die Taschen 106, 206 nicht auf beiden Seiten befinden müssen.
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Obwohl die verzahnende Drehdurchführungsdichtung 100, 200 so gezeigt und beschrieben ist, dass sie in einem Außengehäuse (erstes Maschinenteil) mit einer relativ drehbaren Welle (zweites Maschinenteil) angeordnet ist, sollte es sich verstehen, dass auch eine umgekehrte Version möglich ist. Zum Beispiel kann das zweite Maschinenteil die Nut zur Aufnahme der verzahnenden Drehdurchführungsdichtung 100, 200 aufweisen, sodass sich der dynamische Dichtungsring 104, 204 auf einem Außendurchmesser und der Elastomer-Energizer 102, 202 auf einem Innendurchmesser befindet, wobei eine dynamische relative Drehbewegung gegen die Innenseite einer Bohrung eines ersten Maschinenteils erfolgt.
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Daher versteht es sich, dass die hierin offenbarte, verzahnende Drehdurchführungsdichtung eine relative Drehung zwischen dem Elastomer-Energizer und der dynamischen Drehdurchführungsdichtung verhindert, wodurch Verschleiß reduziert und Leckagen verhindert und Probleme des Standes der Technik überwunden werden.
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Es versteht sich, dass Systeme und Verfahren gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Eigenschaften oder Merkmale (z. B. Komponenten, Glieder, Elemente, Teile und/oder Abschnitte), die in anderen Ausführungsformen beschrieben sind, umfassen, aufnehmen oder anderweitig beinhalten können. Dementsprechend können die verschiedenen Merkmale gewisser Ausführungsformen mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kompatibel sein, mit diesen kombiniert werden, in diesen umfasst sein und/oder in diese aufgenommen werden. Daher sollte die Offenbarung gewisser Merkmale in Bezug auf eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung nicht als Einschränkung der Anwendung oder Einbeziehung der genannten Merkmale in die spezifische Ausführungsform ausgelegt werden, sofern dies nicht angegeben ist. Vielmehr versteht es sich, dass auch andere Ausführungsformen diese Merkmale, Elemente, Teile und/oder Abschnitte umfassen können, ohne dass dies notwendigerweise eine Abweichung vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Sofern außerdem ein Merkmal nicht so beschrieben ist, dass es ein anderes Merkmal in Kombination mit diesem erfordert, kann jedes Merkmal hierin mit jedem anderen Merkmal einer gleichen oder einer anderen hierin offenbarten Ausführungsform kombiniert werden. Darüber hinaus werden verschiedene bekannte Aspekte von veranschaulichenden Systemen, Verfahren, Geräten und dergleichen hierin nicht im Besonderen detailliert beschrieben, um zu vermeiden, dass Aspekte der Ausführungsbeispiele verschleiert werden. Solche Aspekte werden hierin jedoch ebenfalls betrachtet.
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Ausführungsbeispiele sind oben beschrieben. Kein Element, keine Handlung oder Anweisung, die in dieser Beschreibung verwendet wird, darf als wichtig, notwendig, entscheidend oder wesentlich ausgelegt werden, es sei denn, es wird ausdrücklich so beschrieben. Obwohl hierin nur einige der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, wird der Fachmann leicht erkennen, dass viele Modifikationen an diesen Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne dass von den neuartigen Lehren und Vorteilen hierin wesentlich abgewichen wird. Dementsprechend sollen alle derartigen Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung umfasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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