DE8912315U1

DE8912315U1 - Dichtungsanordnung für eine Kolbenpumpe

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Publication number: DE8912315U1
Application number: DE8912315U
Authority: DE
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1989-11-30
Anticipated expiration: 1999-10-18
Also published as: US5144882A

Description

Hewlett-Packard GmbH **-

Int. Azj 2-89-014 ·· *'.'^:

Hewlett-Packard GmbH
Herrenberger Straße 130
D-7030 Böblingen

DICHTUNGSANORDNUNG FÜR EINE KOLBENPUMPE

Die Erfindung betriff: eine Dichtungsanordnung für eine Kolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1. Eine derartige Dichtungsanordnung wird dazu verwendet, den Verdrängerraum im Pumpeninneren, in dem sich der Kolben hin und her bewegt, nach außen hin vor Flüssigkeitsaustritt abzudichten.

Insbesondere bei Hochdruckpumpen, zum Beispiel in der Flüssigkeitschromatographie,

werden an derartige Dichtungen hohe Anforderungen gestellt. Es ist bei Pumpen für die Flüssigkeitschromatographie bekannt, im Bereich des unteren Kolbentotpunktes eine ringförmige Lippendichtung vorzusehen, bei der durch eine in einer Ringnut angeordnete Feder die innere Dichtlippe gegen den Kolben und die äußere Dichtlippe gegen die Wandung des Pumpengehäuses gedrückt wird und so die Dichtwirkung erzeugt. Eine bekannte derartige Dichtung besteht beispielsweise aus graphitfasergefülltem PTFE (Teflon).

Die Dichtungen unterliegen einem Verschleiß, der abhängig ist vom Reibungskoeffizienten und der Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und

Dichtung, der Oberflächenbeschaffenheit des Kolbens und der Dichtung, sowie vom

f\ anstehenden Druck. Der Verschleiß tritt überwiegend zwischen dem beweglichen

Kolben und der inneren Dichtlippe auf. Beim Verschleißen werden kleine Partikel des Grundmaterials (PTFE) oder des Füllstoffs (Graphitfasern) aus der Dichtung herausgelöst, welche in das an die Pumpe angeschlossene hydraulische System gespült werden und dann im Laufe der Zeit zu Verstopfungen führen oder Ventile am ordnungsgemäßen Schließen hindern können. Außerdem kann in der Flüssigkeitschromatographie durch solche Verschmutzungen die angeschlossene chromatographische Trennsäule zerstört werden.

Ein herkömmlicher Weg zur Lösung dieser Probleme besteht darin, Filter und Siebe im hydraulischen System vorzusehen, jedoch werden diese ebenfalls durch die aus. der

Dichtung abgelösten Schmutzpartikel verstopft und müssen dann häufiger ausgetauscht

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werden. Außerdem wird durch den Einsatz von Filtern und Sieben das hydraulische System aufwendiger.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung für eine Kolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zu schaffen, bei welcher die genannten Verschmutzungsprobleme in einfacher Weise, mit geringem apparativem Aufwand, im wesentlichen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird für eine Dichtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1.

Gemäß der Erfindung wird die Verschmutzungsproblematik in sehr einfacher Weise dadurch gelöst, daß oberhalb (d.h. in Richtung zum oberen Kolbentotpunk) des

]■: O Dichtelementes ein Rückhalteelement vorgesehen ist, welches den Kolben eng

\ umschließt. Durch dieses Rückhalteelement wird verhindert, daß eventuell aus der

Dichtung abgelöste Partikel ins Innere der Pumpe gelangen. Die Partikel können sich zwischen Dichtelement und Rückhalteelement sammeln.

; 15 Um die mechanische Belastung dts Rückhalteelementes gering zu halten, wird es

T₁ vorzugsweise porös ausgeführt, so daß sich auf beiden Seiten des Rückhalteelementes H der gleiche Druck einstellt. Die Porosität des Rückhalteelementes ist auch deshalb

wichtig, um ein schnelles Spülen des Dichtelementes beim Anfahren der Pumpe zu gewährleisten. Weiterhin ist es insbesondere bei Pumpen für die Flüssigkeitschromatographie wichtig, bei Betrieb mit zeitlich veränderlicher

Flüssigkeitszusammensetzung den Austausch von Flüssigkeit zwischen Dichtbereich

und Verdrängerraum zu gewährleisten.

Ein vorteilhaftes Material für das Rückhalteelement ist poröses PTFE (Teflon), welches insbesondere den für die Flüssigkeitschromatographie wichtigen Vorteil hat, daß es chemisch beständig gegenüber den dort üblicherweise verwendeten Flüssigkeiten ist. Das Rückhalteelement ist vorzugsweise so gefertigt, daß es eine Bohrung für den Durchgang des Kolbens aufweist, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens. Bei Einführung des Kolbens werden somit die Ränder des Rückhalteelementes um diese Bohrung herum etwas nach oben gebogen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Rückhalteelement als Ring ausgeführt, wodurch die Erfindung in apparativ besonders einfacher Weise realisiert werden kann. Das Rückhalteelement kann jedoch auch in anderen Formen ausgeführt sein, beispielsweise topfförmig mit einer Bohrung in der Mitte für den Durchgang des Kolbens.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.

Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Kolbenpumpe mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung. Die Kolbenpumpe umfaßt ein Pumpengehäuse 1, in welchem sich ein zylindrischer Verdrängerraum 2 befindet. In dem Verdrängerraum 2 is ein zylindrischer Kolben 3 angeordnet, der durch eine Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) in oszillierende Bewegung versetzt werden kann. Im unteren Bereich des Pumpengehäuses 1 verläuft eine Pumpeneinlaßbohrung 4, durch die Flüssigkeit in den Vetdrängerraum 2 eintreten kann. Im oberen Bereich des Pumpengehäuses 1 verläuft eine Pumpenauslaßbohrung S, durch welche Flüssigkeit den Verdrängerraum 2 verlassen kann. Die Bereiche, an denen die Einlaßbohrung 4 bzw. die Auslaßbohrung 5 aus dem Pumpengehäuse 1 austreten, sind mit Einsenkungen 11 bzw. 12 versehen, an die Ventile mit entsprechenden Zu- und Ableitungen adaptiert werden können.

Der Durchmesser des Kolbens 3 ist etwas kleiner als der Durchmesser des Verdrängerraumes 2, so daß Flüssigkeit zwischen dem Kolben 3 und der Wand des Verdrängerraumes 2 fließen kann. Wenn der Kolben 3 nun von seinem oberen Totpunkt nach unten bewegt wird, wird Flüssigkeit durch den Pumpeneinlaß 4 angesaugt, bis der untere Totpunkt erreicht ist. Das Flüssigkeit strömt dabei durch ein Ventil, welches stromaufwärts angeordnet ist (nicht dargestellt), und Flüssigkeit nur in Richtung zum Verdrängerraum 2 durchläßt. Wenn der Kolben sich nun wieder in Richtung zum oberen Totpunkt bewegt, wird die Flüssigkeit durch die Auslaßbohrung 5 nach außen gedrückt. Das stromaufwärts angeordnete Ventil verhindert dabei, daß Flüssigkeit durch die Einlaßöffnung 4 die Pumpe verläßt.

Die Abdichtung des Pumpeninnenraums gegenüber der Umgebung erfolgt durch eine Lippendichtung 6, die den Kolben 3 ringförmig umgibt. In einer Ringnut der Dichtung ist eine ringförmige Feder 7 angeordnet, die die innere Dichtlippe gegen den Kolben 3 und die äußere Dichtlippe gegen die Wandung des Pumpengehäuses 1 drückt. Die Dichtung 6 besteht zum Beispiel aus graphitfasergefülltem PTFE. Die Dichtung 6 wird durch einen Dichtungshalter 8, der an das Pumpengehäuse 1 gepreßt wird, an der erforderlichen Stelle fixiert.

Der Verdrängerraum 2 ist im Bereich des unteren Kolbentotpunkts leicht trompetenförmig aufgeweitet. Im Bereich dieser Aufweitung 9 mündet auch der Pumpeneinlaß 4 in den Verdrängerraum 2. Durch die Aufweitung 9 wird eine gute

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Spülbarkeit des Dichtraumes einschließlich der Lippendichtung 6 erreicht, so daß unter anderem eventuell vorhandene Gasblasen schnell entfernt werden.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung ist eine ringförmige Scheibe. 10 vorgesehen, die den Kolben 3 umgibt und sich zwischen der Dichtung 6 und der im wesentlichen waagrecht verlaufenden (d.h. senkrecht zur Kolbenachse) Schulter 13 der Aufweitung 9 befindet. Der Innendurchmesser der Scheibe 10 ist etwas kleiner als der Durchmesser des Kolbens 3, so daß der Ring den Kolben fest umschließt. Der Außenbereich der Scheibe 10 ist in einer Ausführungsform der Erfindung eingeklemmt zwischen der Dichtung 6 und der Schulter 13 der Aufweitung 9. Es ist jedoch auch möglich, daß der Abstand zwischen der Schulter 13 und der Dichtung 6

geringfügig größer ist als die Dicke des Ringes 10. In beiden Fällen ist gewährleistet, ( daß der Außenbereich der Scheibe 10 auch bei sich bewegendem Kolben im

wesentlichen an Ort und Stelle bleibt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Scheibe 10 ein Ring aus porösem PTFE (Teflon) mit einer Dicke von ca. 0,2 mm. Die

Porosität bei diesem praktischen Beispiel kann durch die folgenden Parameter

beschrieben werden:
Porenvolumen: größer/gleich 30%
Luftdurchlässigkeit größer/gleich 250 ml/(s · cm² · bar) Wasserrückhaltevermögen: größer/gleich 0,5 m

Die Scheibe 10 erfüllt somit zum einen die Funktion, daß sie Schmutzpartikel vom

Kolben 3 abstreift, die beispielsweise von Abrieb an der Dichtung 6 herrühren. Zum anderen wird durch den Ring 10 eine Kammer zur Aufnahme von Schmutzpartikeln gebildet, die auf der anderen Seite durch die Dichtung 6 und nach innen durch den &iacgr; ; Kolben 3 begrenzt ist. Insgesamt wird also durch den Ring 10 verhindert, daß

Schmutz, insbesondere von der Dichtung 6 abgelöste Teilchen, ins Innere des

Verdrängerraumes gelangt. Da der Innendurchmesser des Rings 10 etwas kleiner gefertigt ist als der Kolbendurchmesser, wird der Ring beim Einführen des Kolbens etwas nach oben gebogen , wie in Figur 1 dargestellt. Damit entsteht also zusätzlicher Raum für die Aufnahme von Schmutzpartikeln. Außerdem dient auch die Ringnut, in welcher die Feder 7 angeordnet ist, als Sammelraum für Schmutz.

Die Scheibe ist derart gewählt, daß sie eine gewisse Durchlässigkeit für Flüssigkeit hat, um die Spülbarkeit des gesamten Dichtungsraumes zu gewährleisten. Dies ist unter anderem deshalb wichtig, damit beim Anfahren der Pumpe mit trockenen Dichtungen diese schnell benetzt werden. Die Flüssigkeitsdurchlässigkeit ist auch von Wichtigkeit, wenn die Pumpe in der Flüssigkeitschromatographie für Anwendungen eingesetzt

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wird, in denen sich die Zusammensetzung der von der Pumpe geförderten Lösungsmittel schnell ändert In diesem Falle ist es nämlich erforderlich, daß die Pumpe bei jedem Zyklus sauber gespült wird und keine Reste von früheren Pumpzyklen zurückbleiben, damit stets eine gut definierte Zusammensetzung der mobilen Phase erreicht wird.

Aufgrund der Porosität der Scheibe 10 herrscht vor und hinter der Scheibe der gleiche Druck. Somit wird die Scheibe trotz des sehr hohen absoluten Druckes wenig belastet und unterliegt selber kaum einem Verschleiß. Außerdem bewirkt der im Dichtbereich, insbesondere im Bereich der für die Feder 7 vorgesehenen Ringnut herrschende hohe Druck, daß die innere bzw. äußere Dichtlippe fest gegen den Kolben bzw. die Wandung des Pumpengehäuses gedruckt werden und damit für eine zuverlässige Abdichtung sorgen. Durch Verwendung der Scheibe 10 wird außerdem noch der Vorteil erreicht, daß, wenn das System sauber gespült und frei von Gasblasen ist, sie ein weiteres Einspülen von Gasblasen in den Dichtungsraum verhindert.

Die Erfindung kann eingesetzt werden in jeder Art von Kolbenpumpen, zum Beispiel

auch in der Hochdruckstufe einer Zweikolbenpumpe, bei welcher die beiden Pumpstufen hydraulisch in Reihe angeordnet sind und sich zwischen den Pumpstufen ein Ventil befindet, das Flüssigkeit nur in Richtung zur Hochdruckstufe strömen läßt. Eine derartige zweistufige Hochdruckpumpe ist bekannt aus der europäischen

Patentanmeldung EP-Al- 0309596 . Da bei einer solchen Hochdruckpumpe Drücke

von bis zu 400 bar auftreten, gibt es hier in besonderem Maße Probleme mit Abrieb an der Dichtung. In einer praktischen Anwendung der Erfindung in einer Hochdruckkolbenpumpe für die Flüssigkeitschromatographie hat der Kolben 3, der zum Beispiel aus Saphir besteht, einen Durchmesser von 3,175 mm , der PTFE-Ring 10 hat einen Innendurchmesser von 3,1 mm und einen Außendurchmesser von 6,2 mm. Mit einem Schmutzrückhaltesystem gemäß diesem Beispiel wird der anfallende Schmutz zum größten Teil zurückgehalten. Die Intervallzeiten zum Reinigen bzw. Austauschen von Filtern werden wesentlich verlängert. Der Ring 10 mit dem sich ' darunter ansammelnden Schmutz kann mindest solange in der Pumpe verbleiben, bis ohnenhin das Dichtelement 6 ausgetauscht wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann anstatt eines porösen Teflonringes ein Metallring vorgesehen werden, der mit vielen Löchern zum Flüssigkeitsaustausch versehen ist. Die Materialien des Ringes und des Kolbens sind dabei so auszuwählen, daß ein Zerkratzen des Kolbens vermieden wird. Es versteht sich , daß die Erfindung in einstufigen oder mehrstufigen Kolbenpumpen eingesetzt

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werden kann und daß dabei der Pumpeneinlaß und Pumpenauslaß außer in der in Figur 1 gezeigten Art auch auf andere Art angeordnet sein kann, beispielsweise können Einlaß und Auslaß auf gleicher Höhe im Bereich des oberen Totpunktes angeordnet sein.

Claims

Hewlett-Packard GmbH Int. Azj 2-89-014 13. Oktober 1989 -- SCHUTZANSPRÜCHE |

1. Dichtungsanordnung einer Kolbenpumpe, bei welcher ein Kolben (3) in einem Verdrängerraum (2) der Pumpe beweglich angeordnet ist, mit einem den Verdrängerraum (2) nach außen abdichtenden Dichtelement (6), welches im , Bereich des unteren Kolbentotpunktes angeordnet ist und den Kolben (3) !

ringförmig umgibt ,

gekennzeichnet durch ein oberhalb (in Richtung zum oberen Kolbentotpunkt) des Dichtelementes (6) angeordnetes Rückhalteelement (10), welches den Kolben (3) ringförmig eng umschließt, so daß Schmutzpartikel aus dem Bereich unterhalb des Rückhalteelementes (10) m;ht in das Innere des Verdrängerraums (2) gelangen können.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rückhalteelement (10) porös ist, so daß Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Verdrängerraum (2) und dem Bereich unterhalb des Rückhalteelementes stattfinden kann.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Rückhalteelement (10) aus porösem Polytetrafluorethylen (Teflon) besteht und eine Bohrung für den Durchgang des Kolbens (3) aufweist, deren Durchmesser geringfügig kleiner gefertigt ist als der Durchmesser des Kolbens (3).

4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückhalteelement (10) ein Ring ist. .

S. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (6) eine Lippendichtung ist, welche in einer ringförmigen Nut eine Feder (7) aufweist, die die innere Dichtlippe gegen den Kolben (3) drückt.