DE3513742A1

DE3513742A1 - Kolben-zylinder-anordnung, insbesondere fuer die betaetigung von innerhalb einer gasdichten kapselung gelegenen funktionselementen einer elektrischen mittelspannungsschalt- und -verteileranlage, sowie verfahren zur herstellung einer radialdichtungsstelle an der kolben-zylinder-anordnung

Info

Publication number: DE3513742A1
Application number: DE19853513742
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 6902 Sandhausen Krämer; Rudolf Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Kunze
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1985-04-17
Publication date: 1986-10-23
Also published as: DE3513742C2

Description

BROWN, BOVERI & CIE Aktiengesellschaft

Mannheim 15. April 19Ö5

Mp.-Nr. 552/85 ZPT/P*4 - Pa/Sd

Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere für die Betätigung von innerhalb einer gasdichten Kapselung gelegenen Funktionselementen einer elektrischen Mittelspannungsschalt- und -Verteileranlage, sowie Verfahren zur Herstellung einer Radialdichtungsstelle an der Kolben-Zylinder-^Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit wenigstens einer Radialdichtungsstelle ausgestatteten Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere einer solchen für die Betätigung von innerhalb einer gasdichten, aus hartem Strukturschaumstoff bestehenden Kapselung gelegenen Funktionselementen einer elektrischen Mittelspannungsschalt- und -Verteileranlage; außerdem bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Radialdichtungsstelle an der Kolben-Zylinder-Anordnung.

Mp.-Nr. 552/85 - >& .··,: .··. _:··1·5.04. 1985

Gasdichte Kapselungen für elektrische Funktionselemente finden zunehmend Anwendung, insbesondere auch auf dem Gebiet der Mittelspannungsschalt- und -verteileranlagen. Als Mittelspannung wird hierbei ein Netzspannungsspektrum \on 1 kV bis hin zu 3b kV und darüberhinaus auch bis hin zu 72 kV angesprochen. Als Werkstoff für derartige Kapselungen hat in jüngster Zeit harter Strukturschaumstoff, beispielsweise Polyurethan, Anwendung gefunden, kombiniert mit einer diffusionsdichten Metallkapselung.

10

Kritisch hierbei, wie überhaupt bei allen Kapselungen für elektrische Anlagenteile, sind stets die erforderlichen Durchführungen, die für die Betätigung von Funktionselementen, beispielsweise Leistungsschaltern, unerlättlich sind. Abdichtungen mittels Faltenbälgen sind sehr aufwendig, zumal dann, wenn sie einem gewissen Innendruck innerhalb der Kapselungen standhalten müssen. Stattdessen bietet sich auch die Verwendung einer Kolben-Zylinder-Anordnung an, was aber auch in aller Regel mit einem groben Aufwand infolge der erforderlichen Präzision verbunden ist. Bei Kapselungen aus hartem Strukturschaumstoff kommt aus Gründen der Lichtbogenfuttpunktfreiheit die Forderung hinzu, keine Metallteile zu verwenden, welche vom Kapselungsinneren nach autten geführt werden.

Die Erfindung stellt sich nun zur Aufgabe, sich den angeschnittenen Probienen bezüglich der Durchführung durch die genannten Kapselungen und der Betätigung vom im Kapselungsinneren gelegenen Funktionselementen nicht nur zu stellen, sondern hierfür eine Lösung anzubieten, welche vergleichsweise einfach und auch preiswürdig in der Herstellung ist, darüberhinaus den gestellten Forderun-gen

35

" ^Γ

Mp.-Nr. 552/85 .: ·β1 .··. : .··. y&.OH. 19&5

.j. ·' -U¹T-CO 3513742

nach Dichtigkeit und zugleich Lichtbogenfuhjpunktf reiheit genügt und zugleich einfach zu montieren und weitgehend wartungsfrei ist.

Erfindungsgemäü wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Verwendung von hartem Strukturschaumstoff auch für die Kolben-Zylinder-Anordnung bietet nicht nur den Vorteil einer preiswürdigen Herstellung dieser Bauelemente, sondern darüberhinaus auch noch den Vorteil eines leichten Gewichtes und der gewünschten Lichtbogenfuhspunktfreiheit. Die Anordnung eines Dichtelementes, welches mit dem Material des aufnehmenden Kolbenteiles beziehungsweise Zylinderteiles einen innigen Werkstoffverbund bildet, erleichtert nicht nur die Montage, sondern verbessert auch ganz deutlich die Funktionssicherheit und somit die weitgehende Wartungsfreiheit der Kolben-Zylinder-Anordnung.

Vorteilhaften Ausgestaltungen zufolge wird vorgeschlagen, als Dichtelement ein solches mit einem angenähert kleeblattförmigen (beziehungsweise kreuzförmigen) oder stattdessen herzförmigen Querschnittsprofil auszubilden. Die bei derartigen Querschnittsfoi-men gebildeten "Einbuchtungen" vermögen hierbei die Elastizität des Dichtelementes zu verbessern, zusätzlich zu dessen Ausweichmöglichkit in die umlaufende nutartige Ausnehmung am Kolbenteil beziehungsweise Zylinderteil.

Aber auch ein Dichtelement mit im wesentlichen U-förmi- I gem Profil, dessen freie U-Schenkel in Richtung etwa senkrecht zur abzudichtenden zylindrischen Wandung des Kolbenteiles beziehungsweise des Zylinderteiles verlaufen, vermag die eben genannten Vorteile zu erbringen.·

Mp.-Nr. 5b2/85 ,· -<\ .··.: . '. : 15.O'4.19Ö5

Das gleiche gilt für ein Dichtelemsnt mit im wesentlichen U-förmigen Profil, dessen freie U-Schenkel in axialer Richtung der Kolben-Zylinder-Anordnung verlaufen und im übrigen zur an das Dichtelement angrenzenden nutartigen Ausnehmung am Kolbenteil beziehungsweise am Zylinderteil hin gerichtet sind. Auch durch die U-förmige Gestalt und die geschilderten Anordnungen lassen sich Dichtelemente mit dem erwünschten elastischen Eigenschaften und Dichteffekten schaffen.

Ein weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsvorschlag sieht vor, die umlaufende nutartige Ausnehmung am Kolbenteil beziehungsweise am Zylinderteil gleichzeitig als Schmierstoff-Depot dienen zu lassen. In den Rahmen der Erfindung fällt es natürlich, beiderseits (in axialer Richtung gesehen) dieser als Schmierstoff-Depot vorgesehenen Nut ein Dichtungselement vorzusehen, was den Aufwand nur unwesentlich erhöht, dieses gebildete Schmierstoff-Depot jedoch gegen äuttere Einflüsse weitgehend schützt.

Ein anderer vorteilhafter Vorschlag sieht vor, das Kolbenteil auf seiner zum Kapselungsäuweren gerichteten Oberfläche mit einem Überzug aus Silikonkautschuk oder einem ähnlichen diffusionsdichten Isolierstoff zu versehen. Eine derartige Mattnahme dient zwar nicht der unmittelbaren Kolbenabdichtung an der Kolbenlauffläche, wohl aber dazu, die Diffusionsdichtigkeit des aus hartem Strukturschaumstoff bestehenden Kolbens zu gewährleisten. Hierbei sollte der aus Silikonkautschuk oder einem ahnlichen Material bestehende Überzug bis hin zum Dichtelement geführt sein.

• θ-

Mp.-Nr. 552/85 . % .. . .. .-15.01.19-85

Anlehnend an die bereits geschilderten Herstellungshinweise, bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf \ das im Anspruch 7 genannte Verfahren zur Herstellung der t Radialdichtungsstelle an einer Kolben-Zylinder-Anordnung .

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- \

beispielen und den nachfolgenden Erläuterungen hierzu ■'

sollen der Gegenstand der Erfindung und seiner Ausfühungsraöglichkeiten noch einmal erläutert und verdeutlicht werden. J

f Es zeigt: I

Fig. 1 einen Schnitt durch einen kleinen Teil einer
gasdichten Kapselung einer Mittelspannungs-

schalt- und -Verteileranlage,

Fig. 2 eine gegenüber der Figur 1 stark vergröberte j.

Darstellung einer Radialdichtungsstelle einer

Kolben-Zylinder-Anordnung mit einerm klee- .<

blattförmig profilierten Dichtelement, I

Fig. 3 eine solche Radialdichtungsstelle mit einem f'

&'■ angenähert herzförmig profilierten Dichtele- f/

ment und |

Fig. 4+5 weitere Radialdichtungsstellen mit U-profi- It

lierten Dichtelementen. \j>,

Die Figur 1 stellt einen Schnitt durch einen |

kleinen Teil einer im wesentlich aus hartem Struktur- ·

schaumstoff bestehenden Kapselung 10 einer Mittelspan- ) nungsschalt- und -Verteileranlage dar. Erkennbar ist ein

Mp.-Nr. 55Ü/Ö5 ,· ..# ,··,: .··.: -15.04.1985

kreuzförmig ausgebildetes Kapselungselement 11, daran · angeflanschte, nur noch andeutungsweise erkennbare rohrförmige Kapselungselemente 12 und 13 sowie deckelartige Kapselungselemente 14 und 15. Diese genannten Kapselungselemente sind mit Blechumhüllungen versehen - so beispielsweise das Kapselungselemsnt mit einer Blechumhüllung Ib und das Kapselungselement 13 mit einer Blechumhüllung 17 - oder stattdessen auch mit MetallguBumhüllungen, nämlich das Deckelelement IM mit einer Metallguüumhüllung 18 und das Deckelelement 15 mit einer Metallgußumhüllung 19. Weitere Einzelheiten der Kapselung sowie deren Abdichtungsstellen sind hier nicht von Interesse, so da» auch ins einzelne gehende Erläuterungen hierzu entbehrlich sind. Innerhalb der Kapselung 10 sind ein Leistungsschalter 20 erkennbar sowie ein - nur noch andeutungsweise gezeigter - Trennschalter 21. Derartige Schaltaggregate müssen zu ihrer Betätigung und gegebenenfalls auch zum Zwecke ihrer Erdung von autten her beeinflußt werden, was anhand der Betätigungsvorrichtung für den Leistungsschalter 20 hier ein wenig näher erläutert werden soll. Die Betätigung des Leistungsschalters 20 erfolgt über einen BetatigungsstÖttel 22, welcher seinerseits mit einem DurchfUhrungselement in Form eines Kolbens 23 fest verbunden ist. Dieser KoI-ben 23, aus hartem Strukturschaumstoff bestehend, ist wiederum mit einem bereichsweise kolbenartig ausgebildeten metallenen Federaufnahmeelement 24 auf seiner zum Kapselungsäutteren hinweisenden Saite verbunden, welch letzteres mit einem Betätigungsorgan 25 zusammenwirkt. Die Einzelheiten des Betätigungsmechanismus sind hier nicht weiter von Interesse, wohl aber, dafi der genannte Kolben 23 in einer als Zylinderanordnung wirksamen konzentrischen öffnung im deckelartigen Kapselungselement 15 axial verschieblich ist. Diese als Zylinderanordnung

35

Mp.-Nr. 552/85 .: ">?: .".: .··. :·1·5.04.1985

wirksame Öffnung setzt sich auch in der bereits genannten Metallgußumhüllung 19 außerhalb des deckelartigen Kapselungselementes 15 fort.

An ihrem in der Darstellung nach recnts weisenden Bereich weist die Metallgußumhüllung 19 ein buchsenartiges Element 2b aus hartem Strukturschaumstoff auf, welch letzteres mit der Metallgußumhüllung 19 einen Werkstoffverbund bildet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch nicht auf konstruktive Einzelheiten des Durchtrittsmechanismus für die Betätigung des Leistungsschalters 2ü, sondern vielmehr einzig und allein auf die radialen Abdichtungen zwischen den kolbenartigen Teilen (23»;2t) und den Zylinderanordnungen, welche im deckelartigen Kapselungselement 15 und in der Metallgußumhüllung 19 beziehungsweise deren buchsenartigem Element 2b ausgebildet sind. Von Interesse sind deshalb hier die Radialdichtungsstellen 27 und 28. Einzelheiten dieser mit "Strich-Punkt-Umkreisungen" 29 und 30 umgebenen Radialdichtungsstellen 27 beziehungsweise 28 veranschaulichen die nachfolgend erläuterten Figuren 2 bis einschließlich 5.

Figur 2 veranschaulicht in gegenüber Figur 1 stark vergrößertem Maßstab die beiden Radialdichtungsstellen 27 und 28, welche sich in dieser Ausschnittvergröiierung völlig gleich darstellen. Aus diesem Grunde sind die die Radialdichtungsstelle 27 bezeichnenden Bezugsziffern neben in Klammern gesetzte Bezugsziffern der Radialdichtungsstelle 28 gesetzt, womit gleichzeitig die "Gleichwertigkeit" von erfindungsgemäß ausgeführten Radialdichtungsstellen an einem Kolbenteil und an einem Zylinderteil verdeutlicht werden soll. Erkennbar an dem Kolben

Mp.-Nr. 552/85 .· ·#; ,'·,: .* ·. ;·75.04.1985

.I. ¹¹J⁵T¹O;".:- 35137Α2

23 beziehungsweise am buchsenartigen Element 26 ist ein umlaufendes, übrigens gas- und diffusionsdichtes, gummielastisches Element 31 (beziehungsweise 32) welches im vorliegenden Falle ein kleeblattförmiges oder auch angenähert kreuzförmiges Querschnittsprofil aufweist. Dieses Dichtelement 31 (32) weist entlang der durch eine Punktmarkierung 33 gekennzeichneten Fläche einen innigen WerkstoffVerbund mit dem Strukturschaumstoff-Material des Kolbens 23 beziehungsweise des buchsenartigen Elementes 2b auf. Daneben angrenzend gezeigt ist ein nach dem Herstellungsvorgang entweder verlorenes oder auch wiederverwendbares, vorzugsweise zweiteiliges Ringelement 34 beziehungsweise 3b angeordnet, welches nach dem Herstellungsvorgang - wie eben bereits angedeutet - entfernt wird und eine nutartig umlaufende Ausnehmung hinterlättt. Diese Ausnehmung verbessert ganz deutlich die Elastizität des Dichteleraentes 31 beziehungsweise 32 und kann zugleich als Schmierstoff-Depot dienen, um die Gleiteigenschaften des Dichtelementes zu verbessern und gegebenenfalls die Abdichtung auch noch zu unterstützen.

Die Figur 3 zeigt eine Radialdichtungsstelle 3b, welche im Prinzip sehr ähnlich derjenigen in Figur 2 ist. Ira Unterschied hierzu weist das erkennbare Dichtelement 37 eine angenähert herzförmige Profilierung auf und ist im übrigen ebenfalls - entlang der Punktmarkierung 38 - mit dem Material des angrenzenden Strukturschaurastoff-Werkstoffes 39 innig verbunden. Auch hier ist - für den Herstellungsvorgang - ein Ringeleraent 40 vorgesehen, dessen Aufgabe und Bedeutung bereits zuvor erläutert worden ist. Abweichend von dem zuvor erläuterten AusfUhrungsbeispiel weist dieses Strukturschaumstoff-Material 39 auf seiner in der Darstellung nach recht3 weisenden Seite einen Überzug 41 aus Silikonkaut

Mp.-Nr. 552/85 · "β: .··.: .··.: 1-5.04.1985

y schuk auf. Hierbei wird unterstellt, daß der in der Dar-

[i · stellung links des Dichteleraentes 37 gelegene Bereich

II des Strukturschaumstoff-Materials 39 zum Kapselungsinneren hin gerichtet ist, der rechts des Dichtelementes 37

gelegene Bereich hingegen zum Kapselungsäuberen. Dieser ;< Überzug 41 aus Silikon-Kautschuk soll nun eine Diffusion ί vom Kapselungsinneren hin zum Kapselungsäuberen verhindern, was ohne besondere Mattnahmen sonst bei der Verwendung von hartem Strukturschaumstoff möglich wäre. Oder mit anderen Worten: dieser Überzug 41 aus Silikonkaut-

schuk ist vergleichbar den Blechurahüllungen (1b, 17)

beziehungsweise Metallguöumhüllungen (18, 19). wie sie im Zusammenhang mit den Erläuterungen zur Figur 1 be- \

reits erwähnt worden sind. Es bedarf eigentlich keiner _s Erwähnung mehr, daö auch dieses Ringeleraent 40 nach dem 1 Herstellungsvorgang entfernt wird und sich in der ver- 1 bleibenden umlaufenden Nut ein Schmierstoff-Depot ein- f

richten lättt. I

Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbei- f.

spiel, und zwar ein U-förraiges Dichteleraent 42, welches |

einen festen Werkstoffverbund mit einem harten Struktur- E

schaumstoff 43 - entlang der Punktmarkierung 44 - bil- |

det. In diesem Falle ist ein (nicht dargestelltes) ver- I

lorenes oder wiederverwendbares Ringelement aus dem p

fertiggestellten Teil entfernt worden und es verbleibt ; auch hier wieder eine - gegebenenfalls als Schmier- t

stoff-Depot verwendbare - Nut 45 am Kolben- beziehungs- | weise Zylinder-Teil. Erkennbar ist, dab die freien f

Schenkel des U-förmigen Dichtelement-Profils sich paral-IeI zur zylindrischen Fläche 4b des Kolbens- bzw. Zylin der-Teiles erstrecken. Es ist einleuchtend, datt ein derart ausgebildetes und gelegenes Dichtelement (42) in weitem Ausmatt elastisch ist und gleichzeitig zwischen

35

!■'p.-Nr. 552/85 ■' }0 ,·'.: .· ·. V15.04 . 1985 ■ ϊ?

seinen freien Flanken das Volumen des Schmierstoff-Depots zu erweitern vermag.

Ein ähnlich profiliertes Dichtelement 47 zeigt die Figur 5 . Im Gegensatz zum vorher erläuterten Ausführungsbeispiel verlaufen hier allerdings die freien Schenkel des U-profilförraigen Dichteleraentes 47 senkrecht zur zylindrischen Fläche 48 des Kolben- bzw. Zylinderteiles aus hartem Strukturschaumstoff 49. Bei dieser Ausführung ist es denkbar, auch zwischen den freien Flanken des U-profilförmigen Dichtelementes 47 noch ein zusätzliches Schmierstoff-Depot vorzusehen; in jedem Falle weist aber ein derart geformtes und gelegenes Dichteleraent (47) gewissermaßen zwei Dichtlippen auf, was die erwünschte Dichtwirkung mitunter durchaus zu verbessern vermag.

Die in den Darstellungen gezeigten Ausführungsbeispiele für Dichtelemente und deren Anordnung in entsprechenden Kolben- bzw. Zylinder-Teilen stellen lediglich Ausfüh-K, 20 rungsbeispiele dar. Abweichende Dichtungsprofile sowie auch Abweichungen hinsichtlich der Querschnittsform von

Ji entfernbaren Ringelementen sind durchaus denkbar, ohne

?! den Erfindungsgedanken zu verlassen.

': 25

30

³⁵

Claims

Ansprüche

jf) 5 1. Mit wenigstens einer Radialdichtungsstelle aus- || gestattete Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere einer

Ι' solchen für die Betätigung von innerhalb einer gasdich-

I ten, aus hartem Strukturschaumstoff bestehenden Kapse-

i lung gelegenen Funktionseimenten einer elektrischen Mit-

^, 10 telspannungsschalt- und -Verteileranlage, dadurch ge- \ kennzeichnet,

ü da» die Kolben-Zylinder-Anordnung (23/15; 24/2b) eben-

I falls im wesentlichen aus einem harten Strukturschaum-

jp stoff besteht,

U 15 da« die Radialabdichtungsstelle (27, 28; 3b) von einem I vom Kolbenteil (23) oder vom Zylinderteil (2b) aufgenom-

I menen umlaufenden, gas- und diffusionsdichten, gummiela-

I stischen Dichtelement (31, 32; 37, 42, 47) gebildet

}? wird, welches mit dem Material des aufnehmenden Kolben-

il ²⁰ teiles bzw. Zylinderteiles einen innigen, unmittelbaren I I Werkstoffverbund bildet, wenigstens geringfügig über der

zylindrischen Aulienwandung (4b, Figur 4; 48 Figur 5) des Kolbenteiles bzw. der Innenwandung des Zylinderteiles vorsteht und an mindestens einer seiner in axialer Rich-25 tung gelegenen Profilseiten an eine umlaufende nutartige Ausnehmung (45, Figur 4) am Kolbenteil bzw. am Zylinderteil angrenzt.

2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, da-³⁰ durch gekennzeichnet, daft das Dichtelement (31» 32; 37) ein angenähert kleeblattförmiges (bw. kreuzförmiges) oder herzförmiges Querschnittsprofil aufweist. (Figuren 2 und 3)

35

Mp.-Nr. 552/85 η. '. .··. :"15.04.198.5

3· Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab das Dichteleraent (47) ein im wesentlichen U-förmiges Profil aufweist, dessen freie U-Schenkel in Richtung etwa senkrecht zur abzudichtenden zylindrischen Wandung (48) des Kolbenteiles bzw. des Zylinderteiles verlaufen. (Figur 5)

4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab das Dichtelement (42) ein im wesentlichen U-förmiges Profil aufweist, dessen freie U-Schenkel in axialer Richtung des Kolben- bzw. Zylinder-Teiles verlaufen und zur an das Dichtelement angrenzenden nutartigen Ausnehmung (45) am Kolbenteil bzw. am Zylinderteil hin gerichtet sind. (Figur 4)

5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dab die umlaufende nutartige Ausnehmung (45 in Figur 4) am Koi-

benteil bzw. Zylinderteil als Schmierstoff-Depot dient. 20

b. Kolben-Zylinder-Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dab das Kolbenteil auf seiner zum Kapselungsäuberen gerichteten Oberfläche einen Überzug (41) aus Silikonkautschuk oder einem ähnlichen diffusionsdichten Isolierstoff aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung der Radialdichtungsstelle an der Kolben-Zylinder-Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis b, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:

Mp.-Nr. 552/85 .3* ^: .•■.:·-Τ5.04.19·&5

a) Einlegen des Dichtelementes (31, 32, 37) und eines angrenzenden, infolge einer entsprechenden Oberflächenbehandlung nach dem Ausschäumen herausnehmbaren verlorenen oder wiederverwendbaren, vorzugsweise 2-teiligen Ringeleraentes (31, 35, 40) in das Formwerkzeug für das Kolbenteil bzw. das Zylinderteil

b) Ausschäumen des Formwerkzeuges, wobei zwischen dem Dichtungselement (31, 32, 37) und dem Strukturschaumstoff (23, 2b, 39) des herzustellenden Teiles (Kolbenteil bzw. Zylinderteil) ein unmittelbarer inniger Werkstoffverbund (entlang der Punktmarkierungen 33, 38 usw.) gebildet wird, nicht hingegen zwischen dem Strukturschaumstoff und dem Ringelement (34, 35, 40) und

c) Entfernen des verlorenen oder wiederverwendbaren Ringelementes (34, 35, 40).