DE2722037A1

DE2722037A1 - Dichtungselement

Info

Publication number: DE2722037A1
Application number: DE19772722037
Authority: DE
Inventors: Douglas Daniel Joh Nightingale
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1977-11-24
Also published as: JPS534141A; IT1084751B; NL7705312A; FR2352239A1

Description

TlEDTKE - BüHLING - KlNNb - Gf.UP?

Dipl.-Chem. Bühling 2722037 Dipl.-Ing. Kinne

Dipl.-Ing. Grupe

Bavarlarlng 4, Postfach 20 24 8000 München 2

Tel.: (0 89)53 96 53-56

Telex: 5 24 845 tipat

cable. Germaniapatent München

16. Mai 1977

B818^ICI case P.28870/ 28970/28786

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED London, Großbritannien

Dichtungselement

138

Dresdner Bnnk (München) KIo 3939 M4 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dichtungselement, und zwar insbesondere auf ein Dichtungselement für Wellendichtungen, die wiederum speziell für Wellen von Rührwerken geeignet sind, wie sie bei gläsernen Laborgeräten und chemischen Anlagen benutzt werden.

Die erfindungsgemäß wesentlichen Merkmale des Dichtungselementes ergeben sich aus Patentanspruch 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch eine Rührwerksdichtung, die in eine Versuchsvorrichtung eingebaut ist;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein abgewandeltes

Dichtungselement;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein weiteres Dichtungselement mit zusätzlichen Stützflanschen.

-A-

70-9847/1138

ϊι Fig. 1 ist ein Glaskolben 1 dargestellt, an dem ein kegeliger, geschliffener Glashals 2 sowie ein rohrförmiger Anschluß 3 angeformt sind. Im kegeligen bzw. konischen Hals sitzt ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 4, das eine Kappe 5 trägt, die aus blauem Kunststoffmaterial geformt ist und eine mittige öffnung 6 aufweist, durch die eine gläserne Rührwerkswelle 8 geführt ist. Die vorstehend beschriebenen Teile sind als Laborausrüstungsgegenstände allgemein bekannt und erhältlich. Um die Rührwerkswelle herum ist ein Dichtungselement 10 angeordnet, das aus flexiblem polymeren' Material besteht und einen rohrförmigen Abschnitt 11 mit zylindrischer Form umfaßt. An einem Ende des rohrförmigen Abschnitts befindet sich ein umlaufender Flansch 12, der radial nach außen weist und zwischen dem mit Gewinde versehenen Abschnitt des Verbindungsstücks 4 und der blauen Kappe 5 eingeklemmt bzw. eingespannt ist. Mit gewissem Abstand voneinander sind am rohrförmigen Abschnitt zwei Ringwulste 13 und 14 ausgebildet. Diese Ringwulste, die auch als Flansch bezeichnet werden können, ragen von der Innenfläche des rohrförmigen Abschnitts aus nach innen. Der Innendurchmesser der zwei Ringwulste ist etwas kleiner als der Durchmesser der Rührwerkswelle, so daß die Ringwulste nach außen gedrückt werden und dadurch den rohrförmigen Abschnitt aufweiten bzw. dehnen, was wiederum dazu führt, daß die Ringwulste gegen die Rührwerkswelle gedrückt werden. Dies wird dadurch möglich, daß die Ringwulste in Ebenen liegen, die nicht mit der Ebene des Flansches zusammenfallen, der in der Vorrichtung eingespannt ist und daher nicht aufgeweitet werden kann, und daß der rohrförmige Abschnitt nicht an irgendwelchen Vorrichtungsteilen anliegt, die verhindern könnten, daß sich der rohrförmige Abschnitt nach außen ausdehnt. Da die Bereiche des rohrförmigen Abschnitts, in denen sich die Ringwulste befinden, ferner unbehindert von der übrigen Vorrichtung aufgrund der Flexibilität des Dichtungselementes auch seitwärts, d.h. quer zur Rührwerkswelle, ausgelenkt werden

709847/1138 " ⁵ "

können, können auch kleinere Unregelmäßigkeiten der sich drehenden Rührwerkswelle aufgefangen bzw. ausgeglichen werden. Eine im wesentlichen mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung übereinstimmende Vorrichtung wurde im Hinblick auf ihre Fähigkeit, hohes Vakuum zu halten, untersucht, während die Rührwerkswelle, die vom Dichtungselement abgedichtet wurde, mit hoher Drehzahl gedreht wurde. Der seitliche Anschluß 3 war an eine Vakuumpumpe und eine herkömmliche Einrichtung zur Messung der Leckrate angeschlossen, die einen Kolben mit einem Inhalt von 1 1 sowie ein Druckmeßgerät umfaßte. Das Dichtungselement war aus Polytetrafluoräthylen hergestellt und sein rohrförmiger Abschnitt hatte eine Länge von 25 mm und eine konstante Dicke von 1,5 mm. Die zwei Ringwulste standen aus der Innenfläche um 0,5 mm vor, und hatten einen Innendurchmesser von 6,5 mm, bevor sie von der Rührwerkswelle ausgedehnt wurden, deren Durchmesser 6,8 mm betrugt. In das offene Ende des Raumes 15 zwischen der Welle und dem rohrförmigen Abschnitt oberhalb des äußeren Ringwulstes 13 wurde etwas Fett gegeben.

-4 Die Vorrichtung wurde auf einen Druck 10 mmHg evakuiert und dann von der Vakuumpumpe abgeschaltet. Während das Rührwerk mit 1000 Upm arbeitete, wurde der sehr langsame Druckanstieg gemessen. Die Leckrate betrugt lediglich 1 χ 10 1 Torr see . Diese sehr niedrige Leckrate blieb mit sehr geringen Schwankungen unverändert, während das Rührwerk während eines Zeitraumes von ungefähr 4 Stunden weiterarbeitete.

Das Dichtungselement kann alternativ umgekehrt eingebaut werden, so daß es nach unten in das Verbindungsstück 4

hineinragt, sofern es dann nicht im Hals des Verbindungsso
Stücks 2 festsitzt, daß sich der rohrförmige Abschnitt nicht mehr ausdehnen kann oder daß geringere Lageänderungen durch die Welle verhindert werden. Wenn große Druckunterschiede abgedichtet werden sollen, wird vorzugsweise der Druckunter-

709847/1138 - 6 -

-C-

schied zur Erhöhung und nicht zur Verringerung des Dichtungsdrucks ausgenutzt. Wenn ein evakuierter Kolben abgedichtet werden soll, wird daher der rohrförmige Abschnitt vorzugsweise so angeordnet, daß er vom evakuierten Kolben wegweist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn dagegen ein unter hohem überatmosphärischem Druck stehender Kolben abgedichtet werden soll, wird das Dichtungselement vorzugsweise so angeordnet, daß sich sein rohrförmiger Abschnitt in den unter Druck stehenden Kolben erstreckt. Wenn jedoch der überatmosphärische Druck nicht zu hoch ist, wird vorzugsweise in der Regel der rohrförmige Abschnitt ebenfalls außen angeordnet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, wenn mit hohen Drehzahlen gerührt wird, damit eine bessere Kühlwirkung erreicht wird. Um eine lange Lebensdauer der Dichtung zu erreichen, kann dies selbst dann wichtig sein, wenn Materialien mit sehr niedrigem Reibungskoeffizienten, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen, verwendet werden. Wenn die Dichtung unter extrem schwierigen Bedingungen arbeiten muß, kann vorzugsweise zusätzliche Kühlung vorgesehen sein, beispielsweise durch Anblasen der Dichtung mit kalter Luft.

Die Form des Dichtungselementes kann auf verschiedene Weisen abgewandelt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Ringwulste geändert werden, wobei ein einziger Ringwulst in der Regel für zahlreiche Anwendungsfälle ausreicht, bei denen die Druckunterschiede nicht zu groß sind. Eine weitere nützliche Abwandlung besteht darin, den umlaufenden Flansch an anderer Stelle als an einem Ende des rohrförmigen Abschnitts abzuordnen. Wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, kann sich der Flansch 21 in einer Ebene befinden, die ungefähr in der Mitte zwischen den zwei Ringwulsten 22 und 23 liegt, die vom rohrförmigen Abschnitt 24 aus nach innen vorstehen.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Dichtungselementen

709847/1138 " ⁷ "

2722Ü37

sind zwei Ringwulste vorgesehen. Bei Benutzung in vorstehend beschriebener Weise können beide Ringwulste zur Verringerung der Gesamtleckrate beitragen; sie haben jedoch unterschiedliche Hauptaufgaben. Der obere Ringwulst 13 dichtet einen beispielsweise unter Unterdruck stehenden Kolben gegen das Eindringen von Luft ab. Daher muß dieser Ringwulst fest gegen die Welle gedrückt werden. Selbst PTFE (Polytetrafluoräthylen) kann warm werden, wenn es stark gegen eine sich schnell drehende Welle gedrückt wird , was zu schnellerem Verschleiß führt. Dieser Verschleiß kann behoben oder zumindest gemindert werden, indem Fett oder Schmiermittel zugegeben wird, wie dies vorstehend erläutert wurde. Der untere Ringwulst dient dazu, jegliches Fett oder Schmiermittel, das möglicherweise am oberen Ringwulst vorbeigelangt ist, abzufangen, und er braucht daher nicht so kräftig gegen die Welle gedrückt zu werden. Da der untere Ringwulst nicht besonders geschmiert wird, wird sogar ein geringerer Dichtungs- bzw. Anpreßdruck bevorzugt, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, daß der Innendurchmesser des unteren Ringwulstes etwas größer als der des oberen Ringwulstes ist. Der untere Ringwulst kann sogar durch eine einfache herkömmliche Lippendichtung ersetzt werden, die entweder am Dichtungselement angeformt ist oder als getrennter Bestandteil eingesetzt wird. Wenn zwei oder mehr dichtende Ringwulste vorgesehen sind, können ein oder mehrere Entlüftungslöcher im rohrförmigen Abschnitt zwischen den Ringwulsten ausgebildet sein.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung, bei der das Dichtungselement einen rohrförmigen Abschnitt 31 umfaßt, um den zwei sich radial erstreckende, angeformte Flansche 32 und 33 herumlaufen. Auf der Innenfläche des Dichtungselementes ist in der Mitte zwischen den Ebenen der zwei Flansche ein einziger Ringwulst 34 angeformt.
35

70 9 847/1138 " ⁸ "

~ ö —

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist das Dichtungselement in ein Verbindungsstück 35 eingesetzt dargestellt, das dem Verbindungsstück 4 gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme gleicht, daß an der Innenfläche des Verbindungs-Stücks eine Schulter 36 ausgebildet ist. Das Dichtungselement sitzt mit einer Preßpassung im Verbindungsstück, da der Außendurchmesser seiner Flansche um beispielsweise ungefähr 0,4 mm größer als der Innendurchmesser des Verbindungsstücks ist. Wenn das Dichtungselement und das Verbindungsstück auf eine unter Unterdruck stehende Vorrichtung wie die gemäß Fig. 1 gesetzt sind, kann das Dichtungselement wegen der Schulter 36 nicht in den Kolben hineingesaugt werden.

Durch das Dichtungselement verläuft eine Welle 37, deren Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des Ringwulstes 34 ist, und zwar beispielsweise um 0,25 mm. Der Ringwulst und der benachbarte Bereich des rohrförmigen Abschnitts werden daher von der Welle ausgedehnt bzw. aufgeweitet, so daß der Ringwulst aufgrund dieser Dehnung des rohrförmigen Abschnitts gegen die Welle gedrückt wird. Am rohrförmigen Abschnitt können in Ebenen, die nicht mit den Ebenen der Flansche zusammenfallen, weitere dichtende Ringwulste vorgesehen sein. In ähnlicher Weise können auch zusätzliche Flansche vorgesehen sein, die besonders lange Dichtungselemente zusätzlich abstützen.

Als Material für das Dichtungselement werden vorzugsweise Polytetrafluoräthylenverbindungen benutzt. Dazu gehören beispielsweise Tetrafluoräthylenhomopolymere und Copolymere aus Tetrafluoräthylen mit geringeren Mengen von beispielsweise bis zu 10 Gew% des Polymers eines oder mehrerer Comonomere wie Äthylen oder Hexafluorpropen. Die Verbindung kann auch einen oder mehrere Füllstoffe umfassen.

709847/1138 " ⁹ "

Das erfindungsgemäße Dichtungselement kann auch zum Abstützen und Abdichten von Thermometern dienen.

Im folgenden wird die Erfindung an hand von Versuchen erläutert, die durchgeführt wurden, um die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Dichtungselementes mit der alternativer Dichtungselemente verschiedener Formen, die nicht mehr unter die Erfindung fallen, zu vergleichen. Das erfindungsgemäße Dichtungselement hatte eine ähnliche Form wie das in Fig. 1 dargestellte, wobei der Unterschied bestand, daß es nur einen dichtenden Ringwulst aufwies. Das Dichtungselement, das im folgenden als "Element A" bezeichnet wird, umfaßte einen zylindrischen Abschnitt aus PTFE mit einer Gesamtlänge von 14 mm und einem Außendurchmesser von 11 mm.

An einem Ende des rohrförmigen Abschnitts befand sich auf der Außenfläche ein radial nach außen weisender Flansch mit einem Außendurchmesser von 16 mm. Die Dicke des Flansches betrug 3 mm, so daß die Länge des Restes des rohrförmigen Abschnitts 11 mm betrug. In der Mitte dieses Restes des rohrförmigen Abschnitts befand sich auf dessen Innenfläche ein dichtender Ringwulst mit einer Dicke von 1 mm. Die Ebenen des Ringwulstes und des Flansches hatten daher einen gewissen Abstand voneinander. Der Abstand des Ringwulstes vom Flansch betrug 5 mm und vom freien Ende des rohrförmigen Ab-Schnitts ebenfalls 5 mm. Der Ringwulst ragte aus der Innenfläche des rohrförmigen Abschnitts um 0,5 mm hervor, und der Innendurchmesser des Ringwulstes betrug 6,35 mm.

Das erste Vergleichsdichtungselement, das im folgenden als "Element B" bezeichnet wird, hatte eine im wesentlichen mit der Form des Elementes A übereinstimmende Form, wobei der Unterschied bestand, daß die Innenfläche des rohrförmigen Abschnitts nicht zur Bildung eines Ringwulstes hinterschnitten war. Das Element B umfaßte somit einen zylindrischen Abschnitt aus PTFE mit einem Außendurchmesser von 11 mm und

7 0 9847/1138 - 10 -

einem Innendurchmesser von 6,35 mm, der eine Gesamtlänge von 14 mm hatte. Am einen Ende dieses zylindrischen Abschnitts befand sind ein Flansch mit gleichen Abmessungen wie der Flansch des Elementes A.
5

Das zweite Vergleichsdichtungselement, das im folgenden als "Element C" bezeichnet wird, war einfach eine Dichtungsscheibe aus PTFE mit einer Dicke von 3 mm, einem Innendurchmesser von 6,35 mm und einem Außendurchmesser von 16 mm.

Jedes dieser drei Dichtungselemente wurde am Mund eines Behälters mittels sines Flansches eingespannt. Durch das Dichtungselement wurde eine Stange mit Übermaß eingesetzt, wodurch der Mund des Behälters geschlossen wurde, wonach der Behälter evakuiert wurde. Der Druck innerhalb des Behälters wurde überwacht. Die Stange hatte ein Übermaß von 0,25 mm, d.h. einen Außendurchmesser von 6,6 mm. Alle drei Dichtungselemente konnten das Vakuum innerhalb des Behälters gut halten, solange die Stange stillstand.

Dann wurde die Stange mit 300 Upm gedreht. Jede der drei Dichtungen an der sich drehenden Stange hielt zunächst das Vakuum, bis die Dichtungswirkung abnahm, was verhältnismäßig plötzlich geschah. Die Zeitdauer, während der das jeweilige Dichtungselement noch wirksam war, betrug für

Element A 5,5 Stunden Element B 4 Minuten Element C 2 3 Minuten Das Element B wurde so warm, daß PTFE verkohlte, das vom

Dichtungselement abgerieben war. Bei einer Wiederholung dieses Versuches mit neuen Dichtungselementen, die die Form des Elementes A hatten, ergab sich eine Streuung der Zeitdauer im Bereich von ungefähr 4 Stunden bis ungefähr 6 Stunden. 35

709847/1138 ~ ¹¹

Die erfindungsgemäßen Dichtungselemente wurden ferner mit Lippendichtungen verschiedener Abmessungen aus dem gleichen Material verglichen. Diese Lippendichtungen umfaßten dünne, im wesentlichen kegelstumpfförmige Elemente, die aus einem flachen Ring gepresst waren; solche Lippendichtungen werden beispielsweise als öldichtungen benutzt. Bei Benutzung dieser Lippendichtungen zum Abdichten von Gasen (Luft) gegen ein starkes Vakuum oder bei erhöhten Temperaturen führten die Lippendichtungen selbst bei stillstehender Welle zu erheblichen Leckraten, und zwar bei Druckunterschieden, bei denen erfindungsgemäße Dichtungselemente (Element A) auch bei sich drehender Welle lediglich eine vernachlässigbare Leckrate zulassen. Der Unterschied war sehr ausgeprägt.

Die erfindungsgemäße Wellendichtung ist besonders geeignet als Rührwerksdichtung für gläserne Laborgeräte und chemische Anlagen.Sie umfaßt einen rohrförmigen Abschnitt, der in einem diesen umgebenden Körper mittels zumindest eines angeformten radial verlaufenden Flansches abgestützt ist. Am rohrförmigen Abschnitt ist zumindest ein dichtender Ringwulst angeformt, der nach innen weist und sich in einer von den Ebenen der Flansche unterschiedlichen Ebene befindet. Wenn das Dichtungselement auf einer Welle mit Obermaß sitzt, wird dadurch der rohrförmige Abschnitt ausgedehnt bzw. aufgeweitet, so daß der Ringwulst gegen die Welle gedrückt wird. Das Dichtungselement besteht aus einem elastisch flexiblen polymeren Material, vorzugsweise PTFE.

709847/1138

Claims

Patentansprüche

(1. Dichtungselement für eine Wellendichtung, g e k e η η zeichnet durch einen zylindrischen, rohrförmigen Abschnitt (11, 24, 31), um den zumindest ein sich radial erstreckender, angeformter Flansch (12, 21, 32, 33) läuft, der das Dichtungselement innerhalb eines umgebenden Körpers abstützt und dabei den rohrförmigen Abschnitt in gewissem Abstand vom Körper hält, und zumindest einen angeformten Ringwulst (13, 14, 22, 23, 34), der von der Innenfläche des rohrförmigen Abschnitts aus nach innen ragt und in einer anderen als der Ebene des Flansches liegt, wobei das Dichtungselement aus einem elastisch flexiblen polymeren Material besteht, so daß beim Einschieben einer Welle, deren Durchmesser größer als der Innendurchmesser des Ringwulstes ist, in den rohrförmigen Abschnitt dieser nach außen gedehnt wird und den Ringwulst gegen die Welle drückt.

0 2. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es im wesentlichen aus einem zylindrischen rohrförmigen Abschnitt (11, 24), an dem sich zwei nach innen weisende, dichtende Ringwulste (13, 14, 22, 23) befinden, und einem einzigen stützenden Flansch (12, 21) besteht, der sich radial nach außen vom rohrförmigen Abschnitt erstreckt.

3. Dichtungselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest zwei stützende Flansche (32, 33).

4. Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß es aus Polytetrafluoräthylen besteht.

- 3 -

^ππΡΠ/Ι 1 1(1