DE4414175A1 - Dichtungsanordnung für ein Absperrorgan, wie Schieber, Klappe oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungsorgan für ein aus einer Schließstellung in eine Offenstellung und umgekehrt beweg­ bares Absperrorgan, wie Schieber, Klappe oder dergleichen, bestehend aus einem Dichtring, der in Schließstellung des Absperrorgans mit seiner Dichtfläche in eine Dichtstellung bewegbar ist.

Eine derartige Dichtungsanordnung ist grundsätzlich bekannt. Es wird diesbezüglich z. B. auf die DE 34 01 955 A1 verwie­ sen. Bei der bekannten Dichtungsanordnung handelt es sich um eine aufblasbare Schlauchdichtung, bestehend aus einem Schlauchkörper aus einem elastischen, hochdichten Werkstoff, und einem in eine Nut desselben einlegbaren und bei Bedarf auswechselbaren Dichtring. Der Schlauchkörper besteht aus einem elastischen und fluiddichten Werkstoff, z. B. einem Fluor-Elastomer, während der Dichtring aus einem besonders reibungsfesten Werkstoff, z. B. aus Silikon, bestehen soll. Die bekannte Dichtungsanordnung dient insbesondere zur Ab­ dichtung eines Drehdeckels für einen Kernreaktortank. Zur Ab­ dichtung von Absperrorganen für Medien hoher Temperatur sowie aggressiver Zusammensetzung ist die bekannte Dichtungsanord­ nung nicht geeignet. Das gleiche gilt für die Dichtungsanord­ nung gemäß der DE 41 14 902 A1, die ringförmige, aufblähbare, gummielastische Dichtungselemente umfaßt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem konstruktivem Aufwand sowie unter Einsatz geringer Kräfte die Aufbringung einer ausreichend hohen Dichtkraft auch dann erlaubt, wenn das Absperrorgan unter der Einwirkung eines Betriebsmediums mit hohem Druck und hoher Temperatur steht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst. Dementsprechend ist der Dichtring, welcher vorzugsweise aus hochverschleißfestem Dichtungsmaterial be­ steht, in einer umlaufenden nutartigen Vertiefung einer mehr­ schichtigen biegeelastischen Membran eingebettet und unter der Wirkung eines die Membran beaufschlagenden Druckmediums mit seiner Dichtfläche in Dichtstellung bewegbar. Der Kern der Erfindung liegt vor allem im mehrschichtigen Aufbau der erwähnten Membran. Durch den mehrschichtigen bzw. mehrlagigen Aufbau der Membran können die Verformungskräfte derselben auf ein Minimum reduziert werden mit der Folge eines entsprechend erhöhten Wirkungsgrades der Drucktransformation vom die Mem­ bran beaufschlagenden Druckmittel auf den Dichtring.

Entsprechend Anspruch S besteht die Membran aus mindestens zwei, insbesondere vier oder mehr hochtemperaturfesten Metallstreifen, die im entlasteten Zustand der Membran über ihre gesamte Länge und Breite dicht aneinanderliegen. Dem­ entsprechend ist die Membran im entlasteten Zustand frei von inneren Spannungen. Auch dies fördert den Wirkungsgrad der erwähnten Drucktransformation erheblich. Außerdem ist die Membran gegenüber hohen Drücken und Temperaturen widerstands­ fähig. Die so ausgebildete Dichtungsanordnung ist also auch für Absperrorgane geeignet, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Des weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Dichtungsan­ ordnung eine Absenkung der Dichtkraft auf ein Minimum mit der Folge einer entsprechend hohen Leichtgängigkeit des Absperr­ organs bei Betätigung bzw. Bewegung desselben aus einer Schließstellung in eine Offenstellung und umgekehrt.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist für alle Arten von Schiebern oder Klappen geeignet. Sie läßt sich sowohl am beweglichen Teil, d. h. Absperrorgan, als auch am unbewegli­ chen Teil, nämlich Gehäuse oder dergleichen der Absperrvor­ richtung anordnen. Dementsprechend ist die Membran längs ihres Innen- und Außenrandes der Anordnung am Absperrorgan fluiddicht mit diesem oder bei Anordnung an einem dem Ab­ sperrorgan zugeordneten Gehäuse mit dem Gehäuse fluiddicht verbunden, insbesondere verschweißt, und zwar derart, daß zwischen Membran einerseits und Absperrorgan bzw. Gehäuse andererseits ein Druckmittelraum begrenzt ist, der über eine Druckmittelleitung mit einem Druckmittelspeicher in Verbin­ dung steht.

Die Größe der Dichtfläche des Dichtrings ist eine Funktion des Verhältnisses des im Druckmittelraum maximal aufbaubaren Drucks zur erforderlichen Dichtungspressung und Verschleiß­ beständigkeit des Materials des Dichtrings. Das die Membran beaufschlagende Druckmittel kann gasförmig oder flüssig sein.

Weitere konstruktive Details der Erfindung sind in den An­ sprüchen 3 ff beschrieben.

Nachstehend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen in

Fig. 1 einen Teil einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung im Radialschnitt; und

Fig. 2 einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Dichtungsanordnung im Radialschnitt und in Zuordnung zu einem aus einer Schließstellung in eine Offenstellung und umgekehrt bewegbaren Absperrorgan, nämlich Schieber.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Dichtungsanordnung im Radial­ schnitt, d. h. im Schnitt durch die Rotationsachse 4 einer Rohrleitung oder dergleichen, in die eine nicht näher darge­ stellte Absperrvorrichtung mit einem Gehäuse 11 und einem innerhalb dieses Gehäuses 11 quer zur Rotationsachse 4 ver­ schiebbaren Absperrorgan in Form einer Schieberplatte 3 oder dergleichen eingebaut ist. Die Schieberplatte 3 ist in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet. Die Hin- und Herbewegung der Schieberplatte 3 wird durch den Doppelpfeil 17 angezeigt.

Die der Schieberplatte 3 zugeordnete Dichtungsanordnung besteht aus einem sich um die Rotationsachse 4 herum er­ streckenden Dichtring 2 aus hoch verschleißfestem Dichtungs­ material. Die der Absperrplatte 3 zugewandte Seite des Dicht­ ringes 2 ist abgeflacht unter Ausbildung einer umlaufenden Dichtfläche 6. Der Dichtring 2 ist in einer umlaufenden nut­ artigen Vertiefung 18 einer mehrschichtigen bzw. mehrlagigen (5 Lagen), biegeelastischen Membran 1 eingebettet und unter der Wirkung eines die Membran 1 beaufschlagenden Druckmittels mit seiner Dichtfläche 6 in Dichtstellung, d. h. gegen die Absperrplatte 3 bewegbar. Vorzugsweise ist beiden Seiten der Absperrplatte 3 eine Dichtungsanordnung der dargestellten Art zugeordnet, so daß eine Abdichtung der Rohrleitung nicht nur an der Seite geringeren Drucks, sondern auch an der Seite höheren Drucks der Absperrplatte 3 sichergestellt ist.

Die Membran 1 ist längs ihres Innen- und Außenrandes fluid­ dicht mit dem Gehäuse 11 verbunden, nämlich verschweißt (Ringschweißnähte 7), und zwar derart, daß zwischen der Mem­ bran 1 einerseits und dem Gehäuse 11 andererseits ein eben­ falls umlaufender Druckmittelraum 14, 15 begrenzt ist, der über eine Druckmittelleitung 8 mit einem Druckmittelspeicher 9 in Fluidverbindung steht.

Im Bereich der Ringschweißnähte 7 ist die Membran 1 durch zu­ sätzliche, jeweils umlaufende Materialstreifen 19, 20 (längs des Innenrandes der Membran) bzw. 21, 22 (längs des Außenran­ des der Membran) verstärkt, um die in diesem Bereichen erhöht auftretenden Biegemomente kompensieren zu können. Der Quer­ schnitt der Membran 1 ist etwa U-förmig, wobei die beiden Schenkel jeweils so nach außen gebogen sind, daß sie sich etwa parallel zur Dichtfläche 6 des Dichtrings 2 erstrecken. In entsprechender Weise ist die der Membran zugewandte Ring­ fläche des Gehäuses 11 zur bündig versenkten Aufnahme der Membran 1 samt Dichtring 2 ausgebildet, wobei im entlasteten Zustand der Membran zwischen dieser und der erwähnten Ring­ fläche 23 ein umlaufender Druckmittelraum jeweils im Bereich der Sohle der umlaufenden Vertiefung 18 als auch im Biegebe­ reich der beiden Membranschenkel entsteht. Diese Druckmittel­ räume sind mit den Bezugsziffern 15 bzw. 14 gekennzeichnet.

Fig. 1 läßt auch erkennen, daß die umlaufende Vertiefung 18 der Membran 1 in eine korrespondierende umlaufende Vertiefung 24 der zugeordneten Ringfläche 23 des Gehäuses 11 in Bewe­ gungsrichtung des Dichtrings 2 geführt ist, wobei die Bewe­ gungsrichtung des Dichtringes 2 in Fig. 1 mit dem Doppelpfeil 25 gekennzeichnet ist. Diese Axialführung erfolgt im Bereich einer inneren und äußeren umlaufenden Berührungskante 16 zwi­ schen der Membran 1 und der inneren und äußeren seitlichen Begrenzung der Vertiefung 24 im Gehäuse 11. Diese Berührungs­ kante wird unter Herstellung einer Fluidverbindung zwischen den Druckmittelräumen 14 und 15 aufgehoben, wenn es erforder­ lich sein sollte, den Dichtring 2 unter erhöhtem Druck gegen das Absperrorgan 3 zu pressen, insbesondere an der Seite hö­ heren Drucks des Absperrorgans; denn an der Seite niedrigeren Drucks wird das Absperrorgan durch den Betriebsmediumdruck ohnehin gegen die Dichtfläche 6 des zugeordneten, d. h. an der Seite niedrigeren Drucks angeordneten Dichtringes 2 gedrückt. Dabei kann bei einem sehr hohen Druck des Betriebs­ mediums der Dichtring 2 derart stark in die Gehäusevertiefung 24 hineingedrückt werden, daß die Membran 1 über ihre gesamte Länge und Breite vollständig an der Gehäuse-Ringfläche 23 anliegt. Das Volumen der Druckmittelräume 14, 15 wird auf nahezu null reduziert. Vorteilhaft ist, daß dann trotz der hohen Kräfte, die auf den Dichtring 2 wirken, die Membran 1 keiner weiteren Verformung mehr unterworfen wird. Auch die Ringschweißnähte 7 werden dann nicht weiter belastet. Dement­ sprechend hoch ist die Lebensdauer der beschriebenen Dich­ tungsanordnung.

In Fig. 1 ist die Druckübertragungsmembran 1 im entlasteten Zustand gezeigt. In diesem Zustand ist der Abstand 13 zwi­ schen der Dichtfläche 6 des Dichtrings 2 und der zugeordneten Fläche des Absperrorgans 3 etwa gleich dem maximalen Abstand 12 zwischen der Membran 1 und der tiefsten Stelle der Gehäuse-Vertiefung 24. Auf diese Weise können etwa gleiche Spannungen in der Membran mit unterschiedlichen Vorzeichen erzeugt werden. Gleichzeitig ist auch ohne Druckerhöhung im Druckmittelraum 15 eine Minimaldichtkraft des Dichtrings 2 sichergestellt, und zwar allein durch die Federelastizität der Membran l. Im übrigen sind nur sehr kleine Volumenände­ rungen des Druckmittels im Druckmittelspeicher 9 erforder­ lich, um die jeweiligen Endstellungen der Membran bzw. des in der Membran eingebetteten Dichtringes 2 zu erreichen. Volu­ mendifferenzen durch Änderung der Betriebstemperatur werden dadurch ausgeglichen, daß der Druckmittelbehälter 9 als Aus­ dehnungsbehälter bzw. -gefäß ausgebildet ist, und zwar vor­ zugsweise balgartig. Der Druckmitteldruck wird vorzugsweise rein mechanisch erzeugt, und zwar z. B. durch ein Gewicht 10. Statt eines Gewichtes kann auch eine Feder vorgesehen sein. Alternativ ist es auch möglich, den Druckmittelbehälter 9 unter hydraulischen oder pneumatischen Druck zu stellen. Das an erster Stelle erwähnte Gewicht 10 hat den Vorteil, daß der Druckmitteldruck im wesentlichen konstant bleibt, und zwar unabhängig von der Betriebstemperatur aufgrund der Expansi­ onsmöglichkeit des Druckmittelbehälters 9. Vorzugsweise dient als Druckmittel ein flüssiges Medium.

Bei Anordnung der beschriebenen Dichtungsanordnung an der Druckseite eines Absperrorgans lassen sich auch dort Leckagen sicher vermeiden. Die Anpressung des Dichtringes 2 erfolgt in Abhängigkeit vom Betriebsmediumdruck. Die beschriebene Dich­ tungsanordnung ist also abhängig von äußeren Bedingungen ein­ stellbar.

Um die Anordnung der die beiden Ränder der Membran 1 verstär­ kenden Materialstreifen 19, 20 bzw. 21, 22 zu vermeiden, ist gemäß Fig. 2 vorgeschlagen, daß sich an beiden Seiten der nutartigen Vertiefung 18 der mehrlagigen Membran 1 jeweils eine umlaufende Welle 26 (radial innen) und 27 (radial außen) mit etwa S-förmigem Querschnitt anschließt derart, daß Innen- und Außenrand der Membran 1 sich jeweils etwa parallel zur Bewegungsrichtung 25 des Dichtringes 2 erstrecken. Damit las­ sen sich Randspannungen der Membran auf ein Minimum reduzie­ ren, ohne daß die Flexibilität derselben beeinträchtigt wird. In entsprechender Weise ist natürlich auch die der Membran 1 zugewandte Ringfläche 23 des Gehäuses 11 ausgebildet. Diese weist im Radialschnitt eine Kontur auf, die derjenigen der Membran 1 entspricht. Damit lassen sich wiederum dieselben Effekte und Vorteile erzielen, wie sie anhand des Ausfüh­ rungsbeispieles gemäß Fig. 1 beschrieben sind.

Die einzelnen Materialstreifen, aus denen die Membran 1 besteht, sind aus hochtemperaturfestem und auch bei hohen Temperaturen noch ausreichend elastisch verformbarem Metall hergestellt. In jedem Zustand der Membran liegen die Materi­ alstreifen über ihre gesamte Länge und Breite dicht aneinan­ der. Dadurch wird der Wirkungsgrad der eingangs erwähnten Drucktransformation zusätzlich gefördert.

Die oben erwähnte Last 10, die auf den Druckmittelspeicher 9 einwirkt, ist mit dem Antrieb und Tothub des Absperrorgans 3 derart gekoppelt, daß bei Betätigung desselben eine teilweise oder vollständige Entlastung des Druckmittelspeichers 9 erfolgt. Damit ist eine gewünschte Leichtgängigkeit des Absperrorgans 3 bei Bewegung desselben aus der Schließ­ stellung in die Offenstellung und umgekehrt gewährleistet.

Zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sei auch noch erwähnt, daß durch die S-förmig geschwungene Kontur von Innen- und Außenrand der Membran 1 der Bereich maximaler Spannung von den Ringschweißnähten 7 wegverlagert wird in den Bereich des ersten sich jeweils an die Ringschweißnaht 7 anschließenden Bogens der Membran 1.

In Fig. 2 ist noch ein Minimalabstand 5 zwischen der Membran 1 und dem Absperrorgan 3 dargestellt, der im entlasteten Zu­ stand, d. h. in Bewegungsstellung des Absperrorgans 3 einge­ halten werden muß unter Berücksichtigung des maximalen Ver­ schleißes an der Dichtfläche 6, um eine unmittelbare Berüh­ rung zwischen Membran 1 und Absperrorgan 3 zu vermeiden.

Es sei auch noch erwähnt, daß die zu beiden Seiten des Dicht­ rings 2 ausgebildeten Druckmittelräume 14 ursprünglich druck­ mittelfrei sind. Druckmittel gelangt in diese Räume 14 erst dann, wenn Druckmittel die umlaufenden Berührungskanten 16 passiert. Darüber entweicht auch überschüssiges Druckmittel wieder aus den umlaufenden Druckmittelräumen 14 in den umlau­ fenden Druckmittelraum 15, welcher mit der Druckmittelleitung 8 fluidverbunden ist.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie ein­ zeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1 Druckübertragungsmembran
2 Dichtring
3 Absperrorgan
4 Rotationsachse
5 Minimalabstand zwischen Membran 1 und Absperrorgan 3 in Bewegungsstellung desselben
6 Dichtfläche
7 Ringschweißnaht
8 Druckmittelleitung
9 Druckmittelspeicher
10 Last
11 Gehäuse
12 Abstand
13 Abstand
14 Druckmittelraum
15 Druckmittelraum
16 umlaufende Berührungslinie als Axialführung der Mem­ bran
17 Doppelpfeil
18 umlaufende Vertiefung
19-22 Materialstreifen
23 Ringfläche
24 umlaufende Vertiefung
25 Doppelpfeil

Claims (10)

1. Dichtungsanordnung für ein aus einer Schließstellung in eine Offenstellung und umgekehrt bewegbares Absperrorgan (3), wie Schieber, Klappe oder dergleichen, bestehend aus einem Dichtring (2), der in Schließstellung des Ab­ sperrorgans (3) mit seiner Dichtfläche (6) in eine Dichtstellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (2) in einer umlaufenden nutartigen Ver­ tiefung (18) einer mehrschichtigen bzw. -lagigen biege­ elastischen Membran (1) eingebettet und unter der Wir­ kung eines die Membran (1) beaufschlagenden Druckmittels mit seiner Dichtfläche (6) in Dichtstellung bewegbar ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) längs ihres Innen- und Außenrandes bei Anordnung am Absperrorgan (3) fluiddicht mit diesem oder bei Anordnung an einem dem Absperrorgan (3) zugeordneten Gehäuse (11) mit dem Gehäuse fluiddicht verbunden, insbesondere verschweißt ist, derart, daß zwischen Membran (1) einerseits und Ab­ sperrorgan (3) bzw. Gehäuse (11) andererseits ein Druck­ mittelraum (14, 15) begrenzt ist, der über eine Druck­ mittelleitung (8) mit einem Druckmittelspeicher (9) in Verbindung steht.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf beiden Seiten der nutartigen Vertiefung (18) jeweils eine umlaufende Welle (26, 27) mit etwa S-förmigem Querschnitt anschließt derart, daß Innen- und Außenrand der Membran (1) sich jeweils etwa parallel zur Bewegungsrichtung (25) des Dichtringes (2) erstrecken.

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im entlasteten Zustand der Membran (1), d. h. in Bewegungsstellung des Absperror­ gans, diese sich mit Abstand (12) vom zugeordneten Ab­ sperrorgan (3) oder Gehäuse (11) unter Ausbildung eines mindestens im Bereich des Dichtrings (2) umlaufenden Druckmittelraums (15) erstreckt.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran (1) zuge­ wandte Ringfläche (23) des Absperrorgans oder alternativ Gehäuses (11) im Radialschnitt eine Kontur entsprechend derjenigen der Membran (1) aufweist.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Vertiefung (18) der Membran (1) in einer korrespondierenden umlau­ fenden Vertiefung (24) der zugeordneten Ringfläche (23) des Absperrorgans (3) oder alternativ Gehäuses (11) in Bewegungsrichtung (25) des Dichtringes (2) geführt ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus minde­ stens zwei, insbesondere vier oder mehr hochtemperatur­ festen Materialstreifen besteht, die im entlasteten Zustand der Membran über ihre gesamte Länge und Breite dicht aneinander liegen.

8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelspeicher (9) als Ausdehnungsbehälter bzw. -gefäß, insbesondere balg­ artig ausgebildet und in Schließstellung des Absperr­ organs (3) durch eine insbesondere konstante Last (10) vorspannbar ist.

9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (10) mit dem Antrieb des Absperrorgans (3) derart gekoppelt ist, daß bei Betätigung desselben eine Entlastung des Druckmit­ telspeichers (9) erfolgt.

10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das die Membran (1) beauf­ schlagende Druckmittel gasförmig oder flüssig ist.