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Diese
Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Bildung eines
flüssigkeitsdichten
Verschlusses um die Rotationswelle einer Flüssigkeitspumpe.
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Eine
Flüssigkeitspumpe
weist eine Dichtungsvorrichtung zur Vermeidung des Auslaufens von
Flüssigkeit
aus ihrem Gehäuse
entlang ihrer Rotationswelle, welche sich durch das Gehäuse erstreckt.
Eine bekannte Dichtungsvorrichtung ist zum Beispiel in den japanischen
Patentanmeldungen, die unter der Nummer SHO 55-100421 mit dem Titel „Ceramic
Sliding Device" oder
der Nr. HEI 7-19349 mit dem Titel „Sliding Device" offengelegt sind,
offenbart.
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Bei
der Vorrichtung, wie sie in der früheren Anmeldung offenbart ist,
ist einer ihrer rotierenden und stationären Elemente aus einem gesinterten
Produkt aus Siliciumnitrid gebildet, während der andere aus einem gesinterten
Produkt aus Siliciumcarbid gebildet ist. Diese Vorrichtung weist
allerdings einen Nachteil auf, welcher in der Härte der zwei Materialien liegt.
Die zwei Elemente reiben sich gegenseitig ab, und der Staub, der durch
ihren Abrieb entsteht, bleibt zwischen den Gleitoberflächen hängen und
beschleunigt ihre Abnutzung und verkürzt ihre Lebensdauer.
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Die
Vorrichtung, wie sie in der letzteren Anmeldung offenbart ist, weist
ein Gleitelement aus Kohlenstoff und ein Gleitelement aus Aluminiumoxidkeramik
auf, welches eine Gleitoberfläche
mit einer Rauigkeit Ra von 0,1 bis 0,3 Mikrometer aufweist. Man
hat jedoch festgestellt, dass Gleitelemente aus Aluminiumoxidkeramik
keine gute Dichtung bereitstellen.
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JP-A-1-120486
offenbart ein Dichtungselement einer Flüssigkeitspumpe, die die Eigenschaften
des Oberbegriffes von Anspruch 1 aufweist. Die vorliegende Erfindung
zeichnet sich darüber
hinaus durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aus.
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Die
vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass bei zu kleiner Dichtbreite
der Oberfläche
rp die Vorrichtung leicht keine wirksame Dichtung gegen das Auslaufen
der Flüssigkeit
aufrechterhält.
Wenn sie zu groß ist,
kann die Haltbarkeit der Vorrichtung verringert sein, da wahrscheinlich
Absplittern von Feststoffen auftritt. Das effektive Dichtbreiteverhältnis rp/Di
liegt daher zwischen 0,07/1 und 0,22/1, bevorzugt zwischen 0,1/1
und 0,2/1 und weiter bevorzugt bei etwa 0,15/1, um das Auslaufen
der Flüssigkeit
einzuschränken.
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Die
vorliegenden Erfinder haben ebenso versucht, als Material für ein Gleitelement
einen Ersatzstoff für
Aluminiumoxidkeramik zu finden, und es gelang ihnen, ein gutes Material
zu finden, welches eine verbesserte Dichtung bilden kann, wenn es
eine ausreichende Oberflächenrauigkeit
aufweist.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
dieser Erfindung weist der rotierende Ring daher eine Oberflächenrauigkeit
Ra von zwischen 0,07 und 0,30 Mikrometer und bevorzugt zwischen
0,10 und 0,20 Mikrometer auf. Der rotierende Ring, welcher, wie
bereits festgestellt, ein relativ hohes Maß an Oberflächenrauigkeit aufweist, passt
so gut in den stationären
Ring, dass eine Dichtung von verbesserter Dichtheit aufrechterhalten werden
kann.
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Der
gehärtete
Kohlenstoff weist bevorzugt eine scheinbare relative Dichte, die
1,66 nicht übersteigt, einen
Wärmeausdehnungskoeftizienten,
der 2,2 × 10–6 nicht übersteigt,
und eine Shore-D-Härte
von mindestens 100 auf, so dass der stationäre Ring eine noch effektivere
Dichtung bilden kann.
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Die
Dichtungsvorrichtung dieser Erfindung kann mit einer Vielzahl von
Flüssigkeitspumpen
verwendet werden, einschließlich
einer Kühlpumpe,
einer Wasserpumpe, einer Ölpumpe,
einer Pumpe für
ein wasserlösliches
Schmiermittel und einer Pumpe für
ein flüssiges
Arzneimittel.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird hierin im Anschluss nur beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Vorderansicht einer Flüssigkeitspumpe,
teilweise im Querschnitt, darstellt, welche mit einer Dichtungsvorrichtung
versehen ist, die diese Erfindung verkörpert;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils von 1 darstellt;
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3 ein
Diagramm darstellt, welches den festgestellten Zusammenhang zwischen
dem Verhältnis der
Breite der effektiven Dichtungsoberfläche des stationären Rings/seines
Innendurchmessers und der Menge an Verlust durch Auslaufen zeigt;
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4 stellt
ein weiteres Diagramm dar, welches den festgestellten Zusammenhang
zwischen dem Verhältnis
der Breite der effektiven Dichtungsoberfläche des stationären Rings/seines
Innendurchmessers und der Menge an Verlust durch Auslaufen zeigt;
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5A und 5B stellen
schematische Darstellungen dar, welche die Schmierung von zwei verschiedenen
Kombinationen von stationären
und rotierenden Ringen vergleichen;
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6 ist
ein Diagramm, welches den festgestellten Zusammenhang zwischen der
Oberflächenrauigkeit
des rotierenden Rings und der Menge an Verlust durch Auslaufen zeigt;
und
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7A, 7B und 7C sind
Diagramme, die jeweils die festgestellten Zusammenhänge zwischen
der scheinbaren relativen Dichte, dem Ausdehnungskoeffizienten und
der Shore-Härte
von gehärtetem Kohlenstoff
und der Menge an Verlust durch Auslaufen zeigen.
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und keinesfalls
beabsichtigt, die Erfindung oder ihre Anwendung oder Verwendungen
zu begrenzen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 weist eine Flüssigkeitspumpe 1 eine
Rotationswelle 4 auf, welche in einem stationären Gehäuse 2 durch
ein Lager 3 gelagert ist, und an ihrem Ende ein Flügelrad 5 trägt. Die
Rotationswelle 4 ist durch eine Antriebskraft von einer
nicht gezeigten Versorgungsquelle drehbar, um das Flügelrad 5 mit
hoher Drehzahl zu drehen, so dass eine Flüssigkeit wie beispielsweise
ein Kühlmittel
von der Drehachse des Flügelrads 5 abgezogen
und radial auswärts
abgelassen werden kann, wodurch ein erhöhter Druck entsteht.
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Das
Gehäuse 2 und
das Flügelrad 5 weisen
dazwischen einen Abstand 7 auf, durch welchen ein Teil des
Kühlmittels
dazu neigt, zu dem Lager 3 zu fließen. Eine Dichtungsvorrichtung 10 wird
daher bereitgestellt. Die Dichtungsvorrichtung 10 umfasst
einen stationären
Ring 12, der an das Gehäuse 2 angebracht
ist, mit Faltenbalgen 11 und einem Rotationsring 13,
der an das Flügelrad 5 mittels
einer Haltevorrichtung angebracht ist und mit dem stationären Ring 12 in
Berührung
steht, um eine Dichtung dagegen zu bilden, dass Kühlmittel
zur Rotationswelle 4 fließt.
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Die
stationären
und rotierenden Ringe 12 und 13 stehen, wie in 2 gezeigt,
miteinander in Berührung,
um eine Dichtung gegen das Kühlmittel 15 aufrechterhalten.
Die Qualität
der Dichtung hängt
von der Form des Dichtungsteils des stationären Rings 12 und der
Rauigkeit der Kontaktoberfläche
des rotierenden Rings 13 ab, welcher aus einem härteren Material
besteht.
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Leckuntersuchungen
und Untersuchungen zur Bestimmung der optimalen physikalischen Eigenschaften
des stationären
Ringes (aus gehärtetem
Kohlenstoff) wurden wie unten beschrieben durchgeführt, um
die optimale Form des Dichtungsabschnitts des stationären Ringes
und die optimale Oberflächenrauigkeit
des rotierenden Ringes zu bestimmen.
- (1) Allgemeine
Untersuchungsbedingungen:
Kühlmitteltemperatur:
Etwa 120°C
Ausgangsdruck
der Flüssigkeitspumpe:
Etwa 2 kgf (kg force)/cm2
Drehzahl
der Pumpe: 7000 U/min (rpm = revolutions per minute)
Betriebszyklus:
20 Minuten Rotation und 30 Minuten außer Betrieb
Anzahl der
untersuchten Zyklen: 600 Zyklen
- (2) Bedingungen für
Leckuntersuchungen bei einer ersten Kombinationen der Ringe:
Material
des rotierenden Rings: Gesintertes Siliciumnitrid (Si3N4)
Breite des rotierenden Rings: 4,5
mm
Material des stationären
Rings: Gehärteter
Kohlenstoff mit einer Shore-D- Härte
von 100 bis 120, einer scheinbaren relativen Dichte von 1,56 bis
1,66, einem
Ausdehnungskoeffizienten von 2,2 × 10–6,
einer Biegefestigkeit von 53,9 MPa und einer spezifischen thermoelektrischen
Leitfähigkeit
von 7,4 W/mK
Innendurchmesser Di (2) des stationären Rings:
17 bis 20 mm Breite der effektiven Dichtungsoberfläche rp desselben:
0,68 bis 2,8 mm
Kontaktoberflächendruck: etwa 3 kgf/cm2
- (3) Ergebnisse der Leckuntersuchungen der ersten Kombination:
Die
Ergebnisse sind in 3 gezeigt. Das Diagramm zeigt
den festgestellten Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der
Breite der effektiven Dichtungsoberfläche des stationären Rings/seinem
Innendurchmesser (rp/Di) und der Menge an Verlust durch Auslaufen
(cc oder cm3), wie anhand von 600 Betriebszyklen
bestimmt. Die Kurve, die durch Auftragen von angenäherten,
ausgefüllten
Punkten gezeichnet wurde, die die Untersuchungsergebnisse darstellen,
weist bei einem rp/Di-Wert von 0,07 einen singulären Punkt auf und bestätigt, dass
die Breite der effektiven Dichtungsoberfläche (rp) zu klein für einen
effektive Dichtung ist, wenn der rp/Di-Wert kleiner als 0,07 ist.
- (4) Bedingungen für
Leckuntersuchungen bei einer zweiten Kombination der Ringe:
Innendurchmesser
(Di) des stationären
Rings: 17 mm (festgelegt)
Breite der effektiven Dichtungsoberfläche (rp):
0,50 bis 5,0 mm
Die weiteren Bedingungen sind wie unter (2)
oben erwähnt.
- (5) Ergebnisse der Leckuntersuchungen der zweiten Kombination:
Die Ergebnisse sind in 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt
den festgestellten Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der
Breite der effektiven Dichtungsoberfläche des stationären Rings
zu seinem Innendurchmesser (rp/Di) und der Menge an Verlust durch
Auslaufen (cc oder cm3), wie anhand von
600 Betriebszyklen bestimmt. Die Kurve, die durch Auftragen von
angenäherten
ausgefüllten
Punkten gezeichnet wurde, die die Untersuchungsergebnisse darstellen,
weist jeweils bei den rp/Di-Werten von 0,07 und 0,22 zwei singuläre Punkte
auf und bestätigt,
dass die Breite der effektiven Dichtungsoberfläche (rp) zu klein für eine effektive
Dichtung ist, wenn der rp/Di-Wert kleiner als 0,07 ist und ebenso
die Breite (rp) zu groß ist,
wenn der Wert größer als
0,22 ist.
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Es
wird Bezug auf die 5A und 5B genommen,
welche zwei verschiedene Schmierungsarten für die stationären und
rotierenden Ringe zeigen. 5A zeigt
einen stationären
Ring 12, der eine Dichtungsoberfläche aufweist, welche zwischen
einem Paar von schrägwinkligen
Oberflächen 12a und 12b definiert
ist, und mit einem rotierenden Ring 13 in Berührung steht,
um damit eine Dichtung gegen ein Kühlmittel 15 zu bilden.
Die Dichtungsoberfläche
umfasst einen flüssig-geschmierten
Bereich 16A, der an das Kühlmittel angrenzt, einen dazwischenliegend-geschmierten
Bereich 16B, der längs
des flüssig-geschmierten
Bereichs 16A liegt und eine etwas größere Breite aufweist und eine Verbindung
von Si, C, O und HN enthält,
sowie einen Feststoff-geschmierten Bereich 16C, der an
die Luft angrenzt. Es ist erforderlich, dass die Dichtungsoberfläche eine
bestimmte Breite rp, wie durch den rp/Di-Wert definiert, aufweist,
da eine zu kleine Breite wahrscheinlich dazu führt, dass eine effektive Dichtung
nicht aufrecht erhalten werden kann, wenn sich zwischen den zwei Ringen
Fremdkörper
befinden.
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5B zeigt
einen stationären
Ring 12, der keine schrägwinklige
Oberfläche
aufweist, sondern eine größere Breite
der Dichtungsoberfläche,
als in 5A gezeigt, aufweist. Während seine
Dichtungsoberfläche ebenso
flüssig-geschmierte,
dazwischenliegendgeschmierte und Feststoff-geschmierte Bereiche 16A, 16B und 16C aufweist,
unterscheiden sich die flüssig-
und dazwischenliegend-geschmierten Bereiche 16A und 16B im
Wesentlichen nicht in der Breite von ihren Gegenstücken in 5A,
lediglich der Feststoff-geschmierte Bereich 16C weist eine
zu große
Breite auf. Der stationäre
Ring 12, wie in 5B gezeigt,
weist daher aufgrund des Absplitterns seines festen Materials wahrscheinlich
eine geringere Haltbarkeit auf.
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Die
beschriebenen Ergebnisse lehren, dass bei Verwendung eines stationären Rings
aus Siliciumnitrid und eines rotierenden Rings aus gehärtetem Kohlenstoff
zur Bildung einer Dichtung der stationäre Ring besser eine solche
Größe aufweisen
sollte, dass sein rp/Di-Wert
innerhalb des Bereichs von 0,07 bis 0,22 liegt.
- (6)
Bedingungen für
die Untersuchungen der Oberflächenrauigkeit:
Material
des rotierenden Rings: Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid
Schleifkörner, die
zur Oberflächenbehandlung
verwendet werden: SiC (Siliciumcarbid) oder Diamant
Durchmesser
der Schleifkörner:
6 oder 9 Mikrometer
Oberflächenbehandlung:
Durchführung
unter Verwendung fester Schleifkörner
(Schleifstein oder Läppfilm) oder
freie Schleifkörner
(Läppen).
Oberflächenrauigkeit: „mittlere
Durchschnittsrauigkeit, Ra" wie
durch JIS B0601 definiert Ausgelaufene Flüssigkeit: Menge, wie anhand
von 600 Betriebszyklen bestimmt
- Diese Bedingungen und die erhaltenen Untersuchungsergebnisse
sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Untersuchungsnummern 1 bis 10 wurden
durchgeführt
und ergaben eine ausgelaufene Flüssigkeit von
0,5 bis 8,1 cm3. Die Ergebnisse sind auch
in 6 gezeigt. Das Diagramm zeigt den festgestellten
Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauigkeit
(Ra) des rotierenden Rings und der Menge an Verlust durch Auslaufen
(cm3), wie anhand von 600 Betriebszyklen
bestimmt. Zur weiteren Information über die in 6 verwendeten
Symbole wie beispielsweise Kreise und Dreiecke wird Bezug auf Tabelle
1 genommen. Die an den Symbolen angebrachten Ziffern entsprechen
den Untersuchungsnummern, die in Tabelle 1 erscheinen.
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Untersuchungsnummern 5 (ausgefülltes Dreieck)
und 6 (ausgefüllter
Kreis) zeigten eine sehr große Menge
an Verlust durch Auslaufen, da die rotierenden Ringe aus Aluminiumoxid
bestanden. Alle weiteren Untersuchungen zeigten eine relativ kleine
Menge an Verlust durch Auslaufen, da die rotierenden Ringe aus Siliciumnitrid
(Si3N4) bestanden,
und man festgestellt hat, dass die rotierenden Ringe mit einer Oberflächenrauigkeit
(Ra) von 0,1 oder 0,2 Mikrometer eine besonders gute Dichtung mit
einer ausgelaufenen Flüssigkeit
von 1,0 cm3 oder weniger bilden.
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3 zeigt
allerdings, dass 2,0 cm3 die Mindestmenge
an Verlust durch Auslaufen Flüssigkeit
darstellt, die nach 600 Betriebszyklen erreichbar ist. Wenn der
Wert von 2,0 cm3 in der Praxis als die Mindestmenge
an Verlust durch Auslaufen annehmbar ist, wird es daher aus 6 deutlich,
dass der rotierende Ring eine Oberflächenrauigkeit (Ra) zwischen
0,07 und 0,30 Mikrometer aufweisen kann. Daher weist der rotierende Ring
bevorzugt eine Oberflächenrauigkeit
(Ra) von 0,07 und 0,30 Mikrometer auf, wenn der stationäre Ring aus
gehärtetem
Kohlenstoff und der rotierende Ring aus einem gesinterten Produkt
aus Siliciumnitrid gebildet ist. Am meisten bevorzugt liegt die
Oberflächenrauigkeit
(Ra) im Bereich von 0,10 μm – 0,30 μm, so dass
die ausgelaufene Flüssigkeit
um etwa die Hälfte
vermindert sein kann.
- (7) Optimale physikalische
Eigenschaften von gehärtetem
Kohlenstoff:
Untersuchungen wurden durch Herstellung von stationären Ringen
aus drei verschiedenen Arten von gehärtetem Kohlenstoff mit verschiedenen
physikalischen Eigenschaften gemäß einem
Beispiel dieser Erfindung und Vergleichsbeispielen 1 und 2, wie
unten gezeigt, durchgeführt.
Beispiel:
Gehärteter
Kohlenstoff mit einer scheinbaren relativen Dichte von 1,60 und
einem Ausdehnungskoeffizienten von 2,2 × 10– 6 sowie einer Shore-D-Härte von 110;
Vergleichsbeispiel
1: Ein Produkt von Nippon Carbon Co., EG-5E3, mit einer scheinbaren
relativen Dichte von 1,85 und einem Ausdehnungskoeffizienten von
4,0 × 10– 6 sowie einer Shore-D-Härte von 65; und
Vergleichsbeispiel
2: Ein Produkt von Nippon Carbon Co., HC-5E3, mit einer scheinbaren
spezifischen Dichte von 1,78 und einem Ausdehnungskoeffizienten
von 4,0 × 10– 6 sowie einer Shore-D-Härte von 95.
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Die
Untersuchungen wurden ansonsten unter den Bedingungen wie unter
(2) oben angegeben durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in 7A, 7B und 7C gezeigt.
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7A zeigt
die Menge an Verlust durch Auslaufen im Verhältnis zur scheinbaren spezifischen
Dichte von gehärtetem
Kohlenstoff. Größere Mengen
an Verlust durch Auslaufen wurden aus Vergleichsbeispielen 1 und
2 festgestellt, bei denen gehärteter
Kohlenstoff mit einer höheren
spezifischen scheinbaren Dichte als der Wert von 1,60 von gehärtetem Kohlenstoff
gemäß dem Beispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen,
dass es bevorzugt ist, gehärteten
Kohlenstoff mit einer möglichst
geringen scheinbaren spezifischen Dichte und einem Wert zu verwenden,
der 1,66 nicht übersteigt,
wie zuvor unter (2) festgestellt.
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7B zeigt
die Menge an Verlust durch Auslaufen im Verhältnis zu dem Ausdehnungskoeffizienten von
gehärtetem
Kohlenstoff. Das Beispiel der vorliegenden Erfindung, welches gehärteten Kohlenstoff
mit dem niedrigsten Ausdehnungskoeffizienten verwendet, zeigte die
geringste Menge an Verlust durch Auslaufen. Es ist offensichtlich,
dass ein stationärer
Ring mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten einem höheren Ausmaß an thermischer
Verformung unterliegen kann und dass die stationären und rotierenden Ringe einen
ungleichmäßigen Abstand
dazwischen bilden, was zu einer weniger effektiven Dichtung führt. Daher
ist es bevorzugt, gehärteten
Kohlenstoff mit einem möglichst
niedrigen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, der höchstens
2,2 × 10–6 wie
im Fall von gehärtetem
Kohlenstoff gemäß dem oben
erwähnten
Beispiel nicht übersteigt.
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7C zeigt
die Menge an Verlust durch Auslaufen im Verhältnis zur Shore-Härte von
gehärtetem Kohlenstoff.
Das Beispiel der vorliegenden Erfindung, welches gehärteten Kohlenstoff
mit der höchsten
Härte verwendet,
zeigte die kleinste Menge an Verlust durch Auslaufen, weil es offensichtlich
weniger wahrscheinlich ist, dass die zwei Ringe einen Abstand mit
erhöhter
Breite aufwiesen. Daher weist der stationäre Ring bevorzugt eine Shore-D-Härte von
mindestens 100 auf.
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Daher
ist es bevorzugt, für
den stationären
Ring gehärteten
Kohlenstoff mit einer scheinbaren spezifischen Dichte, die 1,66
nicht übersteigt,
einem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der 2,2 × 10–6 nicht übersteigt sowie
einer Shore-D-Härte von
mindestens 100 zu verwenden, um die Bildung einer effektiven Dichtung sicherzustellen.
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Verschiedene Änderungen
und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung sind vor dem Hintergrund der
obigen Lehre möglich.
Es ist daher selbstverständlich,
dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche die vorliegende Erfindung
auf andere Art und Weise als ausdrücklich beschrieben ausgeübt werden kann.
