WO2011141299A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

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WO2011141299A1
WO2011141299A1 PCT/EP2011/056808 EP2011056808W WO2011141299A1 WO 2011141299 A1 WO2011141299 A1 WO 2011141299A1 EP 2011056808 W EP2011056808 W EP 2011056808W WO 2011141299 A1 WO2011141299 A1 WO 2011141299A1
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WO
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sealing
machine part
sealing arrangement
coated
arrangement according
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PCT/EP2011/056808
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English (en)
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Inventor
Jochen Lorenscheit
Jürgen Kurth
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Aktiebolaget Skf
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    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings
    • F16J15/453—Labyrinth packings characterised by the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
    • F16C2202/66—Water repelling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/72—Sealings

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement which seals a first area of a machine part against a second area of the machine part, wherein the sealing arrangement has at least one sealing element which contacts the machine part or a component connected to it or that on the machine part or on the component connected thereto with the formation of a gap.
  • Sealing arrangements of this type are well known. They are used both as rubbing (eg, adial shaft seals) and as non-rubbing seals (labyrinth seals), thereby sealing a portion of a component, e.g. As a wave can be ensured. The sealing takes place mostly between the environment (first area) and the interior of a device (second area).
  • the invention is therefore based on the invention, a seal assembly of the type mentioned in such a way that an improved protection against the ingress of moisture, especially water, is given without having to change the seal design.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that the sealing element and / or the machine part and / or the component connected to the machine part is provided or coated with a material in the region of the sealing element in a region facing the first region has an omniphobic property.
  • the transition from the first region to the second region can be formed by a (secondary) sealing lip (in the case of a contacting seal).
  • the sealing lip can start radially and / or axially on the machine part designed as a shaft or on the component connected thereto.
  • An alternative embodiment of the invention provides that two sections are formed in the sealing element between the first region and the second region, which form respective gaps, wherein a receiving space is formed between the two sections.
  • the sections forming the gaps can be provided or coated with the material which has an omniphobic property.
  • the surface of the receiving space can also be uncoated.
  • the omniphatic material is preferably a silane, preferably a trichlorosilane, more preferably an octadecyl trichlorosilane (OTS) or a perfluorooctyl trichlorosilane (PFOTS).
  • the silane can be applied to an oxygen plasma activated elastomer substrate.
  • the sealing arrangement comprises a dust protection lip which consists of elastomeric material or nonwoven material, the surface of the dust protection lip being at least partially coated with a material which has an omniphobic and / or hydrophobic property.
  • This seal acting as a secondary sealing lip can in particular consist of an open-pore nonwoven material whose fibers are coated with (super) hydrophobic or (super) omniphobic material.
  • the pores in the fleece can form a labyrinthine gap seal.
  • the material having (super) hydrophobic property may comprise nanofilaments, preferably silicone nanofilaments, more preferably polymethylsilsesquioxane nanofilaments.
  • omniphobic / super-omniphobic and / or hydrophobic / superhydrophobic coatings provide effective, non-contact and also contacting seals with a high sealing effect.
  • the advantage lies in the reduced or omitted friction of the sealing edge on the sealing mating surface (in the case of a non-contacting seal), whereby a significantly reduced energy consumption and wear of the seal is made possible. Accordingly, the danger is prevented that, for example in rolling bearings lubricants are contaminated by foreign particles and moisture and / or corrode surfaces by water ingress.
  • the invention described here is characterized by a (super) hydrophobic and (super) oliophobic coating which - if it has both properties (hydrophobic and oliophobic) - is referred to herein as omniphobic coatings.
  • such a surface is characterized by large contact angles between water and / or oil and the contact surface / mating surface of the machine component.
  • water forms contact angles greater than 150 °. Wetting of the coated area of the surfaces by water and / or oil practically does not take place.
  • nanofilaments such as silicon nanofilaments (polymethylsilsesquioxane nanofilaments) may also be used in conjunction with fluoroalkyl groups and / or silicon oxides.
  • the contact pressure of the seal on the mating surface of the machine component can be reduced or a contactless seal can be realized while the sealing effect remains constant.
  • Cavities and areas in which superoliophobic / omniphobic coatings are applied and which are combined with superhydrophobic areas would be conceivable.
  • the sealing arrangement may comprise at least one sealing lip according to one embodiment. This may in particular be an adial wave seal.
  • the at least one sealing lip can start radially or axially on its mating surface.
  • the sealing lip can start at a thrust washer, which is connected to the machine part.
  • the seal assembly may also be a labyrinth seal.
  • the design of the gap height depends on the (water) contact angle of the material so that the (water) drop is greater than the gap height to reliably prevent entry in this case.
  • the labyrinth areas located in front of the narrowest gap are to be selected such that penetrating drops of water beyond the potential of the surface tensions tend to collect to larger drops.
  • the cooperating with the sealing lip or the labyrinth seal machine part or connected to the machine part component may be a shaft or a stop ring.
  • the proposed concept is suitable both for seals that work with contacting sealing elements and for those that seal without contact.
  • the water can form annular structures (toroidal structures) at appropriate amounts.
  • the sealing effect kung can be supported by an advantageous geometry, so that the water droplets to be separated are conveyed in the desired direction.
  • the collected water takes over the task of a barrier liquid.
  • repellent property is maintained independently of the surface abrasion of the contact surfaces on the seal and mating surface, i. E. H. is wear-independent.
  • the (super) omniphobic material used according to the invention is also referred to as (super) amphiphobic.
  • it has the property that it is both hydrophobic / super-hydrophobic (ie water-repellent) and oliophobic / super-oliophobic (ie oil-repellent).
  • hydrophobic / super-hydrophobic ie water-repellent
  • oliophobic / super-oliophobic ie oil-repellent
  • the starting point of the coating in question is a layer of silicone nanofilaments which is applied to a substrate.
  • a silicone layer is hydrophobic (with a water contact angle of about 1 10 °) and oliophilic (contact angle with hexadecane about 40 °).
  • a prepared silicone nanofilament coating can be superhydrophobic (water contact angle about 165 °) and superoliophilic (contact angle with hexadecane about 2 °).
  • octadecyl trichlorosilane OTS
  • perfluorooctyl trichlorosilane POTS
  • a Coating with a silicone nanofilament without further modification is highly hydrophobic (superhydrophobic) and oliophilic.
  • the plasma treatment of the surface produces a wettability for both water and oil (superamphiphilic property).
  • Refunctionalization with octadecyl trichlorosilane (OTS) restores the original hydrophobicity of the silicone nanofilament, albeit increasing oleophilicity.
  • POTS perfluorooctyl trichlorosilane
  • the silanes are a substance group of chemical compounds, which consist of a
  • the derivatives of the silanes of interest here are formally formed by substitution of the hydrogen atoms by halogens, oxygen, nitrogen and carbon or groups containing these elements.
  • chlorosilanes are formally formed by substitution of the hydrogen atoms by halogens, oxygen, nitrogen and carbon or groups containing these elements.
  • Fig. 3 shows the radial section through a seal assembly in the form of a labyrinth seal according to a first embodiment
  • FIG. 4 shows the radial section through a seal arrangement in the form of a labyrinth seal according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a sealing arrangement 1 which seals a first area (air side or surroundings) U of a machine part 2 in the form of a shaft from a second area (oil side or interior) I.
  • the seal assembly 1 a sealing element 3, which - formed as a radial shaft seal - has a sealing lip 9 which bears frictionally on the shaft 2.
  • the radial shaft seal 3 has - the first area U facing - still a dust protection lip 16.
  • the exact configuration of the sealing element 3 or the sealing lip 9 is apparent from the enlarged view of FIG.
  • a section 5 of the sealing element 3 or the sealing lip 9 extends in the direction of the first region U.
  • a section 7 extends in the direction of the second region I.
  • the section 5 of the sealing element 3 or the sealing lip 9 is coated with a material 6 having omniphobe properties.
  • the section 7 of the sealing element 3 or the sealing lip 9 is uncoated or coated with a material 8 which has (super) hydrophobic properties.
  • the dust protection lip 16 can also be coated on the side facing the first region U, with a super-hydrophobic and / or (super) omniphobic coating 8 preventing or hindering the penetration of water here.
  • the dust protection lip can be an open-pored nonwoven whose fibers have a (super) hydrophobic coating. The pores thus form a labyrinth-like gap seal with the shaft.
  • a solution can be seen, in which the seal is made by means of a seal assembly 1 with a sealing element 3 in the form of a labyrinth seal. Accordingly, there is a gap 4 between the first region U and the second region I, which ensures the seal. As can be seen in Fig. 3, this gap 4 consists of two partial columns 12 and 13, which in respective sections 10 and
  • a receiving space 14 which rotates in a toroidal or annular manner about the shaft 2; it may also be at least partially incorporated in the shaft 2 or located only in the shaft 2. While the boundaries of column 12 and 13 in section 10 and 11 are provided by material having omniprotic property 6, i. H. are coated, the surface of the receiving space 14 is coated with material having (super) hydrophobic property 8. The surface of the receiving space 14 may also be uncoated.
  • a toroidal or toroidal shape can be formed Form oil ring 15, which fills the receiving space 14 and unfolds a sealing effect analogous to a barrier liquid.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of this concept.
  • the gap 4 extends partly horizontally and partly vertically.
  • the receiving space 14 is formed between the columns 12 and 13 (the upper gap 12 extends vertically, the lower gap 13 meandering) between the columns 12 and 13 (the upper gap 12 extends vertically, the lower gap 13 meandering) is again a receiving space 14 is formed.
  • the gap boundaries of the gaps 12 and 13 are coated with material having omniphobic property 6, while the walls of the receiving space 14 are coated with material having (super) hydrophobic property 8 or uncoated.
  • a ring or toroidal oil ring 15 accumulate.
  • the invention preferably uses nanofilaments to create the (super) hydrophobic effect in the material 8.
  • silicone nanofilaments are preferably used. These have a diameter of about 5 nm and a length of a few micrometers. They are made of silanes, s. above.
  • the chemical structure of silicone nanofilaments corresponds to that of silicones. Under certain conditions, on surfaces during synthesis, solid silicon solids do not form but small filaments only a few nanometers thick and only a few tens of nanometers long.
  • Silicon nanofilaments have diverse, sometimes extreme properties, which are caused by subsequent chemical modification, s. above, let in the extreme opposite.
  • surfaces coated with silicone nanofilaments are extremely water-repellent (superhydrophobic), which is used in the present case. Drops of water are then as almost round beads on the surface, wetting does not take place practically.
  • this property is described by the contact angle, which in the case of silicon nanofilament layers is approximately up to 170 °. Is the surface even at a small angle, z. B. 2 ° oblique, roll off the beads immediately from the surface.
  • the proposed embodiment can be used on any seal arrangements.
  • sealing disks simple sheet-metal cover disks
  • the invention can be used in all radial shaft seals that work with classic sealing lips or those made of PTFE.
  • the idea can also be used with protective elements in the form of nonwoven elements. This also applies if radial shaft seals with axially acting protective lips are used, which use separate thrust rings.

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  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung (1), die einen ersten Bereich (U) eines Maschinenteils (2) gegen einen zweiten Bereich (I) des Maschinenteils (2) abdichtet, wobei die Dichtungsanordnung (1) mindestens ein Dichtungselement (3) aufweist, das das Maschinenteil (2) oder ein mit diesem verbundenes Bauteil berührt oder das an dem Maschinenteil (2) oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil unter Bildung eines Spalts (4) verläuft. Um die Dichtungsanordnung gegen eindringende Feuchtigkeit verbessert zu schützen, sieht die Erfindung vor, dass das Dichtungselement (3) und/oder das Maschinenteil (2) und/oder das mit dem Maschinenteil (2) verbundene Bauteil im Bereich des Dichtungselements (3) in einem dem ersten Bereich (U) zugewandten Abschnitt (5) mit einem Material (6) versehen oder beschichtet ist, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Dichtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die einen ersten Bereich eines Maschinenteils gegen einen zweiten Bereich des Maschinenteils abdichtet, wobei die Dichtungsanordnung mindestens ein Dichtungselement aufweist, das das Maschinenteil oder ein mit diesem verbundenes Bauteil berührt oder das an dem Maschinenteil oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil unter Bildung eines Spalts verläuft.
Dichtungsanordnungen dieser Art sind hinlänglich bekannt. Sie werden sowohl als reibende (z. B. adialwellendichtringe) als auch als nicht-reibende Dichtungen (Labyrinthdichtungen) verwendet, wodurch eine Abdichtung eines Bereichs eines Bauteils, z. B. einer Welle, sichergestellt werden kann. Die Abdichtung erfolgt dabei zumeist zwischen der Umgebung (erster Bereich) und dem Inneren einer Vorrichtung (zweiter Bereich).
Trotz entsprechender Aufwendungen kann nicht immer verhindert werden, dass Feuchtigkeit und Schmutz in den abzudichtenden Bereich eintritt. Durch einen solchen Wassereintritt resultieren eine Korrosionsgefahr bzw. eine Kontamination des Schmierstoffs (Öl oder Fett), was Betriebsstörungen bzw. sogar Betriebsausfälle nach sich ziehen kann. In der Regel kann ein verbesserter Schutz gegen das Eintreten von Feuchtigkeit nur erreicht werden, indem konstruktive Veränderungen an der Dichtungsanordnung vorgenommen werden, beispielsweise durch die Anordnung einer höheren Zahl von Dichtelementen bzw. Dichtlippen. Gerade wenn nicht- reibende Dichtungen (insbesondere Labyrinth-Dichtungen) zum Einsatz kommen, ist die Dichtwirkung nicht immer zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zu Grunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verbesserter Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasser, gegeben ist, ohne das Dichtungsdesign verändern zu müssen.
Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement und/oder das Maschinenteil und/oder das mit dem Maschinenteil verbundene Bauteil im Bereich des Dichtungselements in einem dem ersten Bereich zugewandten Abschnitt mit einem Material versehen oder beschichtet ist, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist.
Eine vorteilhafte Fortführung dieses Konzepts sieht vor, dass ein dem zweiten Bereich zugewandter Abschnitt mit einem Material versehen oder beschichtet ist, das eine (super)hydrophobe Eigenschaft aufweist. Dieser Abschnitt kann auch unbeschichtet sein.
Der Übergang vom ersten Bereich zum zweiten Bereich kann dabei durch eine (sekundäre) Dichtlippe gebildet werden (im Falle einer berührenden Dichtung). Die Dichtlippe kann radial und/oder axial an dem als Welle ausgebildeten Maschinenteil oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil anlaufen.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwei Abschnitte in dem Dichtungselement ausgebildet sind, die jeweilige Spalte bilden, wobei zwischen den beiden Abschnitten ein Aufnahmeraum ausgebildet ist. Die die Spalte bildenden Abschnitte können dabei mit dem Material versehen oder beschichtet sein, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist. Indes kann die Oberfläche des Aufnahmeraums mit einem Material versehen oder beschichtet sein, das eine (super)hydrophobe Eigenschaft aufweist. Die Oberfläche des Aufnahmeraums kann auch unbeschichtet sein.
Das Material mit omniphober Eigenschaft ist bevorzugt ein Silan, bevorzugt ein Trichlorosilan, besonders bevorzugt ein Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) oder ein Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS). Das Silan kann dabei auf ein mit einem Sauerstoffplasma aktiviertes Elastomersubstrat aufgebracht sein.
Die Dichtungsanordnung umfasst gemäß einer Weiterbildung eine Staub schutzlip- pe, die aus Elastomermaterial oder aus Vliesmaterial besteht, wobei die Oberfläche der Staubschutzlippe zumindest teilweise mit einem Material beschichtet ist, das eine omniphobe und/oder hydrophobe Eigenschaft aufweist. Diese als sekundäre Dichtlippe fungierende Dichtung kann insbesondere aus einem offenporigen Vlieswerkstoff bestehen, deren Fasern mit (super)hydrophobem oder (super)omnipho- bem Material beschichtet sind. Die Poren im Vlies können eine labyrinthartige Spaltdichtung bilden.
Das Material mit (super)hydrophober Eigenschaft kann Nanofilamente, bevorzugt Silikonnanofilamente, besonders bevorzugt polymethylsilsesquioxane Nanofilamente, aufweisen.
Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung kann erreicht werden, dass mit omnipho- ben/super-omniphoben und/oder hydrophoben/super-hydrophoben Beschichtungen effektive, berührungslose und auch berührende Dichtungen mit hoher Dichtwirkung zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil liegt in der verminderten oder entfallenden Reibung der Dichtkante an der Dichtungsgegenfläche (im Falle einer nicht berührenden Dichtung), wodurch ein erheblich reduzierter Energieaufwand und Verschleiß der Dichtung ermöglicht wird. Demgemäß wird der Gefahr vorgebeugt, dass beispielsweise in Wälzlagern Schmierstoffe durch Fremdpartikel und Feuchtigkeit kontaminiert werden und/oder Oberflächen durch Wassereintritt korrodieren. Die hier beschriebene Erfindung zeichnet sich also durch eine (super)hydrophobe und (super)oliophobe Beschichtung aus, die - wenn sie beide Eigenschaften (hydrophob und oliophob) aufweist - hier als omniphobe Beschichtungen bezeichnet wird. In der Anwendung bedeutet dies, dass die beschichteten Oberflächen also superhydrophobe und/oder superoliophobe Eigenschaften besitzen. Auch die Erzeugung von Oberflächen mit Hinterschneidungen direkt an der Substratoberfläche, die oben genannte superhydrophobe/superoliophobe/omniphobe Eigenschaften besitzen, ist möglich.
Charakterisiert wird eine solche Oberfläche je nach Beschichtungsart/Oberflä- chenstruktur durch große Kontaktwinkel zwischen Wasser und/oder Öl und der Kontaktfläche/Gegenfläche des Maschinenbauteils. Bei Wasser bilden sich beispielsweise Kontaktwinkel größer 150° aus. Eine Benetzung des beschichteten Bereichs der Oberflächen durch Wasser und/oder Öl findet praktisch nicht statt.
Als Beschichtungsmaterialen, die auf die Oberflächen aufgebracht werden, können Nanofilamente, wie beispielsweise Silikonnanofilamente (polymethylsilsesquioxane Nanofilamente) auch in Verbindung mit Fluoralkyl-Gruppen und/oder Silizium- Oxyden dienen.
Durch entsprechende Formgebung und Strukturierung des zu beschichtenden Substrats (d. h. hier der Dichtung) kann bei gleichbleibender Dichtwirkung der Anpressdruck der Dichtung auf die Gegenfläche des Maschinenbauteils reduziert bzw. eine kontaktlose Dichtung realisiert werden. Denkbar wären hier Kavitäten und Bereiche, in denen superoliophobe/omniphobe Beschichtungen aufgetragen sind und die mit superhydrophoben Bereichen kombiniert werden.
Durch die Reduktion des Anpressdrucks, was im Extremfall zu einer berührungslosen Dichtung führt, kann die Verlustleistung (Reibung) der Dichtung stark reduziert werden. Energetische Einsparungen sind damit bei mindestens gleichbleibender Dichtwirkung möglich und ein evtl. ungewünschter Wärmeeintrag kann vermieden werden. Durch die omniphoben Beschichtungen ist außerdem eine verbesserte Dichtwirkung zu erwarten und Wartungsintervalle und damit die Wirtschaftlichkeit erhöhen sich. Des Weiteren verringert sich der Verschleiß, so dass die Gebrauchsdauer höher ist. In Summe werden die Nachteile der Lösungen nach Stand der Technik weitgehend behoben.
Die Dichtungsanordnung kann gemäß einer Ausführungsform mindestens eine Dichtlippe umfassen. Dabei kann es sich insbesondere um eine adialwellendich- tung handeln. Die mindestens eine Dichtlippe kann an ihrer Gegenfläche radial oder axial anlaufen. Die Dichtlippe kann dabei an einer Anlaufscheibe anlaufen, die mit dem Maschinenteil verbunden ist.
Die Dichtungsanordnung kann auch eine Labyrinthdichtung sein. Die Auslegung der Spalthöhe erfolgt in Abhängigkeit des (Wasser)Kontaktwinkels des Materials so, dass der (Wasser)Tropfen größer als die Spalthöhe ist, um den Eintritt in diesem Falle zuverlässig zu vermeiden. Die dem engsten Spalt vorgelagerten Labyrinthbereiche sind so zu wählen, dass eindringende Wassertropfen über das Potential der Oberflächenspannungen dazu neigen, sich zu größeren Tropfen zu sammeln.
Das mit der Dichtlippe oder der Labyrinthdichtung zusammenwirkende Maschinenteil oder das mit dem Maschinenteil verbundene Bauteil kann eine Welle oder ein Anlaufring sein.
Das vorgeschlagene Konzept eignet sich sowohl für Dichtungen, die mit berührenden Dichtelementen arbeiten, als auch für solche, die berührungsfrei abdichten.
Der dauerhafte superhydrophobe Effekt sorgt über die Oberflächenspannung des Wassers auf ebenen Flächen für das Ausbilden von kugelförmigen Wassertropfen, die bei Neigung rückstandsfrei abrollen (abperlen) können. Bei gekrümmten Flächen, wie beispielsweise im Falle von Wellen, kann das Wasser bei entsprechenden Mengen ringförmige Strukturen (torusförmige Gebilde) bilden. Die dichtende Wir- kung kann durch eine vorteilhafte Geometrie unterstützt werden, so dass die abzusondernden Wassertropfen in die gewünschte Richtung gefördert werden. Das gesammelte Wasser übernimmt die Aufgabe einer Sperrflüssigkeit.
Vorteilhaft ist es, dass die abweisende Eigenschaft unabhängig vom Oberflächenab- rieb der Kontaktflächen an Dichtung und Gegenlauffläche aufrechterhalten wird, d. h. verschleißunabhängig ist.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende (super)omniphobe Material wird auch als (super)amphiphobisch bezeichnet. Es hat im Sinne der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft, dass es sowohl hydrophob/super-hydrophob (also wasserabweisend) als auch oliophob/super-oliophob (also ölabweisend) ist. Die Herstellung derartiger Materialien ist nicht Gegenstand dieser Erfindung. Vielmehr wird ausdrücklich auf den Beitrag von J. Zimmermann et al.„Patterned superfunctional sur- faces based on a silicone nanofilament coating" in The Royal Society of Chemistry, 2008, Heft 4, Seiten 450 bis 452, verwiesen und Bezug genommen, wo Details zu diesem Material beschrieben sind.
Der Ausgangspunkt der fraglichen Beschichtung ist eine Schicht aus Silikon- Nanofilamenten, die auf ein Substrat aufgetragen wird. Grundsätzlich ist eine Silikon-Schicht hydrophob (mit einem Wasserkontaktwinkel von ca. 1 10°) und oliophil (Kontaktwinkel mit Hexadekan ca. 40°). Wegen ihrer hohen Oberflächenrauheit kann eine präparierte Silikon-Nanofilament-Beschichtung superhydrophob (Wasserkontaktwinkel ca. 165°) und superoliophil (Kontaktwinkel mit Hexadekan ca. 2°) sein. Diese Eigenschaften können mit den Maßnahmen, die in dem genannten Beitrag von J. Zimmermann et al. beschrieben sind, zur Verfügung gestellt, aber auch modifiziert werden. Der Auftrag erfolgt einfach und schonend für den Grundwerkstoff.
Hierbei ist insbesondere der Einsatz von Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) oder Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS) als Beschichtungsmaterial zu nennen. Eine Beschichtung mit einem Silikon-Nanofilament ohne weitere Modifikation ist stark hydrophob (superhydrophob) und oliophil. Die Plasmabehandlung der Oberfläche erzeugt eine Benetzbarkeit sowohl für Wasser als auch für Öl (superamphiphilische Eigenschaft). Die Refunktionalisierung mit Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) stellt die ursprüngliche Hydrophobie des Silikon-Nanofilaments wieder her, wobei allerdings die Oliophilie erhöht wird. Wenn Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS) in der Refunktionalisierung verwendet wird, wird die Beschichtung abweisend sowohl für polare als auch für nicht-polare Flüssigkeiten (d. h. die superamphiphobische Eigenschaft, d. h. Omniphobie, wird erzeugt).
Zu den hier bevorzugt eingesetzten Stoffen OTS und PFOTS sei folgendes bemerkt: Die Silane sind eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen, die aus einem
Silicium-Grundgerüst und Wasserstoff bestehen. Sie können einen verzweigten (iso- und neo-Silane) oder unverzweigten (n-Silane) Aufbau haben.
Die hier interessierenden Derivate der Silane entstehen formal durch Substitution der Wasserstoffatome durch Halogene, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff bzw. diese Elemente enthaltene Gruppen. Zu nennen sind hier die Chlorsilane
Monochlorsilan (SiH3Cl), Dichlorsilan (SiH2Cl2), Trichlorsilan (SiHCl3) und Tetrachlorsilan (SiCl4).
Weiterhin sei auf den Beitrag von A. Tuteja et al.„Robust omniphobie surfaces" in PNAS, 25. November 2008, Vol. 105, Nr. 47, Seite 18200 bis 18205, hingewiesen, auf den ausdrücklich Bezug genommen wird und in dem gleichermaßen Detailinformationen zur Herstellung einer omniphoben Oberfläche enthalten sind. Hier wird insbesondere der Einsatz von fluorierten polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen (fluorodecyl POSS) hingewiesen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Radial- wellendichtung,
Fig. 2 die Einzelheit„Z" gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Labyrinthdichtung gemäß einer ersten Ausführungsform und
Fig. 4 den Radialschnitt durch eine Dichtungsanordnung in Form einer Labyrinthdichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine Dichtungsanordnung 1 zu sehen, die einen ersten Bereich (Luftseite oder Umgebung) U eines Maschinenteils 2 in Form einer Welle von einem zweiten Bereich (Ölseite oder Inneres) I abdichtet. Hierfür weist die Dichtungsanordnung 1 ein Dichtungselement 3 auf, das - als Radialwellendichtung ausgebildet - eine Dichtlippe 9 hat, die reibend an der Welle 2 anliegt.
Die Radialwellendichtung 3 weist - dem ersten Bereich U zugewandt - noch eine Staubschutzlippe 16 auf.
Die genaue Ausgestaltung des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 geht aus der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 hervor. Hier ist zu sehen, dass von der Kontaktstelle der Dichtlippe 9 auf der Wellenoberfläche aus sich ein Abschnitt 5 in Richtung des ersten Bereichs U erstreckt. Von der Kontaktstelle der Dichtlippe 9 aus erstreckt sich ein Abschnitt 7 in Richtung des zweiten Bereichs I. Der Abschnitt 5 des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 ist mit einem Material 6 beschichtet, das omniphobe Eigenschaften aufweist. Indes ist der Abschnitt 7 des Dichtungselements 3 bzw. der Dichtlippe 9 unbeschichtet oder mit einem Material 8 beschichtet, das (super)hydrophobe Eigenschaften aufweist. Infolge dessen kann vom Bereich U kommendes Wasser bzw. sonstige Verunreinigungen durch die Abweisewirkung des (super)omniphoben Materials nicht die Kontaktstelle der Dichtlippe 9 an der Welle 2 überwinden. Gleichzeitig sammelt sich im (insbesondere unbeschichteten) Bereich 7 Öl 17, das den Dichtkontakt schmiert. Durch die Beschich- tung 6 mit omniphober Eigenschaft wird der Öl-Meniskus an der Dichtlippe 9 in den zweiten Bereich I zurückgedrückt. Die Dichtwirkung der Dichtungsanordnung
I ist somit verbessert.
Die Staubschutzlippe 16 kann an der dem ersten Bereich U zugewandten Seite auch beschichtet werden, wobei eine super-hydrophobe und/oder (super)omniphobe Be- schichtung 8 hier das Eindringen von Wasser verhindert bzw. erschwert. Die Staubschutzlippe kann ein offenporiges Vlies sein, deren Fasern eine (su- per)hydrophobe Beschichtung aufweisen. Die Poren bilden so zur Welle eine labyrinthartige Spaltdichtung.
In Fig. 3 ist eine Lösung zu sehen, bei der die Abdichtung mittels einer Dichtungsanordnung 1 mit einem Dichtelement 3 in Form einer Labyrinthdichtung hergestellt wird. Demgemäß befindet sich ein Spalt 4 zwischen dem ersten Bereich U und dem zweiten Bereich I, der für die Abdichtung sorgt. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, besteht dieser Spalt 4 aus zwei Teilspalten 12 und 13, die in jeweiligen Abschnitten 10 und
I I ausgebildet sind. Zwischen den beiden Abschnitten 10 und 1 1 befindet sich ein Aufnahmeraum 14, der torusförmig bzw. ringförmig um die Welle 2 umläuft; er kann auch zumindest teilweise in die Welle 2 eingearbeitet sein oder sich nur in der Welle 2 befinden. Während die Begrenzungen der Spalte 12 und 13 im Abschnitt 10 und 1 1 durch Material mit omniphober Eigenschaft 6 versehen, d. h. beschichtet sind, gilt für die Oberfläche des Aufnahmeraums 14, dass dieser mit Material mit (super)hydrophober Eigenschaft 8 beschichtet ist. Die Oberfläche des Aufnahmeraums 14 kann auch unbeschichtet sein.
Das hat zur Folge, dass Öl aus den Spalten 12 und 13 verdrängt wird (wegen der hier gegebenen omniphoben Eigenschaft der Wandungen) und sich im Aufnahmeraum 14 sammeln kann (da hier keine Ölabweisung vorliegt, lediglich Hydrophobie). In der Konsequenz kann sich im idealisierten Fall ein ring- bzw. torusförmiger Ölring 15 ausbilden, der den Aufnahmeraum 14 füllt und analog zu einer Sperrflüssigkeit eine Dichtwirkung entfaltet.
In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform dieses Konzepts zu sehen. Hier erstreckt sich der Spalt 4 teils horizontal und teils vertikal. Zwischen den Spalten 12 und 13 (der obere Spalt 12 verläuft vertikal, der untere Spalt 13 mäanderförmig) ist wiederum ein Aufnahmeraum 14 ausgebildet. Auch hier sind die Spaltbegrenzungen der Spalte 12 und 13 mit Material mit omniphober Eigenschaft 6 beschichtet, während die Wandungen des Aufnahmeraums 14 mit Material mit (su- per)hydrophober Eigenschaft 8 beschichtet oder unbeschichtet sind. Demgemäß kann sich auch hier wieder ein ring- bzw. torusförmiger Ölring 15 ansammeln.
Die Erfindung setzt zur Erzeugung des (super)hydrophoben Effekts in dem Material 8 bevorzugt Nanofilamente ein. Zu diesen sei folgendes angemerkt: Zum Erzeugen eines superhydrophoben Effekts werden bevorzugt Silikonnanofilamente eingesetzt. Diese haben einen Durchmesser von ca. 5 nm und eine Länge von einigen Mikrometern. Sie werden aus Silanen hergestellt, s. oben. Die chemische Struktur von Si- likonnanofilamenten entspricht der der Silikone. Unter bestimmten Bedingungen entstehen auf Oberflächen während der Synthese keine massiven Silikon- Festkörper, sondern kleine Filamente, die nur wenige Nanometer dick und nur einige zehn Nanometer lang sind.
Silikonnanofilamente haben vielfältige, teilweise extreme Eigenschaften, die sich durch nachträgliche chemische Modifikation, s. oben, in das extreme Gegenteil verkehren lassen. So sind mit Silikonnanofilamenten beschichtete Oberflächen extrem wasserabweisend (superhydrophob), was vorliegend genutzt wird. Wassertropfen liegen dann als nahezu runde Kügelchen auf der Oberfläche, eine Benetzung findet praktisch nicht statt. Beschrieben wird diese Eigenschaft - wie erläutert - durch den Kontaktwinkel, der im Fall von Silikonnanofilamentschichten bei annähernd bis zu 170° liegt. Steht die Oberfläche auch nur in einem kleinen Winkel, z. B. 2° schräg, rollen die Perlen sofort von der Oberfläche ab. Die vorgeschlagene Ausgestaltung kann an beliebigen Dichtungsanordnungen eingesetzt werden. Dies gilt beispielsweise für Dichtscheiben (einfache Blechdeckscheiben), die im axialen Endbereich eines Wälz- oder Gleitlagers eingesetzt sind, mit einem der Lageringe mitdrehen und am anderen Lagerring reibend anliegen oder zu diesem einen Spalt einhalten, also reibungslos abdichten. Genauso kann die Erfindung bei allen Radialwellendichtungen eingesetzt werden, die mit klassischen Dichtlippen oder solchen aus PTFE arbeiten. Genauso kann die Idee auch bei Schutzelementen in Form von Vlieselementen genutzt werden. Das gilt genauso, wenn Radialwellendichtrmge mit axial wirkenden Schutzlippen eingesetzt werden, die separate Anlaufringe einsetzen.
Bezugszeichenliste
1 Dichtungsanordnung
2 Maschinenteil
3 Dichtungselement
4 Spalt
5 Abschnitt
6 Material mit omniphober Eigenschaft
7 Abschnitt
8 Material mit (super)hydrophober Eigenschaft
9 Dichtlippe
10 Abschnitt
1 1 Abschnitt
12 Spalt
13 Spalt
14 Aufnahmeraum
15 Ölring
16 Staubschutzlippe
17 Öl
U erster Bereich (Umgebung)
I zweiter Bereich (Inneres)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Dichtungsanordnung
Dichtungsanordnung (1), die einen ersten Bereich (U) eines Maschinenteils (2) gegen einen zweiten Bereich (I) des Maschinenteils
(2) abdichtet, wobei die Dichtungsanordnung (1) mindestens ein Dichtungselement
(3) aufweist, das das Maschinenteil (2) oder ein mit diesem verbundenes Bauteil berührt oder das an dem Maschinenteil (2) oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil unter Bildung eines Spalts
(4) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (3) und/oder das Maschinenteil (2) und/oder das mit dem Maschinenteil (2) verbundene Bauteil im Bereich des Dichtungselements (3) in einem dem ersten Bereich (U) zugewandten Abschnitt (5) mit einem Material (6) versehen oder beschichtet ist, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein dem zweiten Bereich (I) zugewandter Abschnitt (7) mit einem Material (8) versehen oder beschichtet ist, das eine hydrophobe Eigenschaft aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom ersten Bereich (U) zum zweiten Bereich (I) durch eine Dichtlippe (9) gebildet wird.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (9) radial und/oder axial an dem als Welle ausgebildeten Maschinenteil (2) oder an dem mit diesem verbundenen Bauteil anläuft.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (U) und dem zweiten Bereich (I) zwei Abschnitte (10, 1 1) in dem Dichtungselement (3) ausgebildet sind, die jeweilige Spalte (12, 13) bilden, wobei zwischen den beiden Abschnitten (10, 1 1) ein Aufnahmeraum (14) ausgebildet ist.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Spalte (12, 13) bildenden Abschnitte (10, 1 1) mit dem Material (6) versehen oder beschichtet sind, das eine omniphobe Eigenschaft aufweist.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Aufnahmeraums (14) mit einem Material (8) versehen oder beschichtet sind, das eine hydrophobe Eigenschaft aufweist.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (6) mit omniphober Eigenschaft ein Silan, bevorzugt ein Trichlorosilan, besonders bevorzugt ein Oktadecyl-Trichlorosilan (OTS) oder ein Perfluorooctyl-Trichlorosilan (PFOTS), ist.
9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung (1) eine Staubschutzlippe (16) um- fasst, die aus Elastomermaterial oder aus Vliesmaterial besteht, wobei die Oberfläche der Staubschutzlippe (16) zumindest teilweise mit einem Material beschichtet ist, das eine omniphobe und/oder hydrophobe Eigenschaft aufweist.
10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (8) mit hydrophober Eigenschaft Nanofilamente, bevorzugt Silikonnanofilamente, besonders bevorzugt polymethylsilsesquio- xane Nanofilamente, aufweist.
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