WO2021069128A1 - Dampfleckagen-kompaktdichtung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a compact seal against steam leaks that can occur in the event of temperature fluctuations or pressure fluctuations between a liquid medium and a gaseous medium on the other hand, the compact seal, such as at a breakthrough in a pump shaft in a pump housing.
- a shaft seal is per se subject to frictional wear and embrittlement due to pressure and temperature fluctuations. It often represents the limiting factor in the service life of a pump. In the case of a water pump in a vehicle, the service life of a liquid seal between the delivery flow in a pump chamber and a moisture-sensitive component behind it, such as a shaft bearing or an electric drive, is of great importance with regard to the operational reliability of a vehicle to.
- Shaft bearings in particular rolling element bearings
- the shaft bearing When using shaft bearings in a water pump, the shaft bearing must be protected from the penetration of a coolant leak from the flow of the water pump.
- small leaks always occur at bearing seals.
- the occurrence of a coolant leakage leads to a reduction in the surface quality of the rolling elements and raceways due to corrosion. Higher friction on the rolling elements can lead to damage to the bearing due to the corresponding heat generation, which can lead to a defect in the water pump.
- an electric motor used as a pump drive may also have to be protected from the penetration of a coolant leak from the delivery flow of the water pump, especially if an electric motor of the dry-running type is used as a pump drive.
- conventional shaft bearings such as roller bearings
- radially sealing seals ie sealing washers
- separate sealing arrangements are known from the prior art, whereby an individual adaptation of the sealing property to application-specific pressures and dimensions as well as greater freedom in the selection of bearing types is made possible.
- Such separate seals between pump shafts and static components of a housing are often designed as two-lip systems with a small lip spacing. A very small amount of grease is poured into the space as initial lubrication. However, after a while the grease is used up and a coolant leak penetrates into the gap. The poorer lubricating effect of the coolant leads to increased wear on the sealing lips.
- Such a pump structure generally comprises a leakage chamber which is arranged below the pump shaft in order to absorb an accumulated leakage and to allow it to evaporate to the outside, for example through a moisture-permeable membrane.
- Such structures require a larger installation space for the leakage chamber.
- leakage chambers are only effective to a limited extent against so-called steam leaks, which can occur in the case of heating and a pressure increase on the part of a liquid conveying medium in the pump chamber on the drive side.
- pressure equalization occurs between two axial sides of a shaft seal.
- gas volumes with a high moisture content pass the shaft seal while pressure equalization occurs.
- the fine droplets in the moisture-laden gas volumes do not allow you to separate out by gravity in the leakage chamber and can condense as condensate on a shaft bearing located behind, an electric motor or the like.
- the service life of shaft seals depends heavily on the lubrication conditions on the sealing lip.
- a dry-running sealing lip or a sealing lip that is only lubricated by a coolant leak has a shorter service life than sealing lips in the vicinity of a system carrying lubricating oil due to the coefficient of friction of the lack of a lubricating film or a phenomenon explained below.
- sealing lips were lubricated by a coolant, the phenomenon of deposit formation under the dynamic sealing surface of the sealing lip, which had a lasting effect on the sealing function, was observed. The reason for this is that leakage droplets of a coolant evaporate after passing the sealing point and leave behind crystalline components from the coolant, which form a coating on the shaft.
- a patent application DE 10 2018 131 588.0 not yet published on the filing date of this patent application relates to a shaft seal for the liquid sealing of a shaft, preferably in water pumps that are driven by a dry-running electric motor.
- a so-called solid oil is provided as a lubricant depot, which, in addition to the lubricating function, also fulfills a sealing function between a wet and a dry side.
- the object is achieved by the features of claim 1.
- the shaft seal is characterized in particular by the fact that it is a compressible volume compensator is provided to compensate for a temperature-dependent volume fluctuation, which is arranged to interact with the volume of a barrier fluid.
- the invention provides for the first time to use a compressible volume compensator in a shaft seal to compensate for a temperature-dependent volume fluctuation of a barrier fluid.
- the compressible volume compensator compensates for an increase in the volume of the barrier fluid caused by a rise in temperature.
- an increase in an internal pressure in the shaft seal or a pressure difference between the shaft seal and an outside of the shaft seal can be limited.
- volume compensator therefore counteracts a loss of the barrier fluid at high operating temperatures and counteracts a possible entry of steam leakage due to a lost barrier fluid volume during cooling. Furthermore, a volume of the filling of the barrier fluid, which represents a barrier against steam leakage, remains for a long time.
- the compressible volume compensator according to the invention represents a reliable and inexpensive way of realizing the desired function and enables a compact design of the volume compensator.
- the aspect of the compact design in turn enables the volume compensator to be integrated in the shaft seal, i.e. in particular an integration of an increased sealing effect against steam leaks in the shaft seal.
- the shaft seal takes up little space and does not require any further structural safety measures such as a leakage chamber in the pump structure. Accordingly, the shaft seal is suitable for use as a shaft seal sealed against steam leaks, ie as the only unit for sealing a pump shaft in electrically driven water pumps.
- a water pump By eliminating a leakage chamber, a water pump can be installed in any position. Furthermore, without a leakage chamber, a dimension of the shaft seal can be increased and a volume of the barrier fluid can be adequately dimensioned.
- labyrinth seals or similarly structured seals can be replaced by cheaper shaft seals with a comparatively simply designed sealing lip.
- the volume compensator can comprise a body which is formed from a compressible material.
- the compressible volume compensator can be designed as a gas cushion.
- a particularly simple and inexpensive provision of the volume compensator can be implemented by means of this configuration.
- the barrier fluid can be a lubricating oil or a lubricating grease.
- a lubricant as a barrier fluid, lubrication of the sealing lips of the radial seals on the shaft circumference can be improved and consequently the service life of the shaft seal can be extended.
- Lubricants available at low cost in various application-optimized viscosities.
- the shaft seal can furthermore have a seal housing which comprises the primary radial seal, the secondary radial seal, the spacer sleeve, the volume of the barrier fluid and the compressible volume compensator.
- the seal housing can be bent radially inward on one axial side. This configuration simplifies assembly of the components of the shaft seal in the seal housing.
- a sealing ring can be arranged in each case between the seal housing and the primary radial seal and between the seal housing and the secondary radial seal.
- the primary radial seal, the secondary radial seal and the spacer sleeve can be fixed in the seal housing by means of a clamping ring.
- the clamping ring enables quick and easy assembly of the components of the shaft seal in the seal housing by means of a press fit or the like.
- a sealing lip of the primary radial seal and a sealing lip of the secondary radial seal can be configured to point in the direction of the coolant side in relation to a shaft circumference. This configuration provides a sealing property with regard to penetrating dirt particles from the coolant side to the inside as well as increased in relation to a leakage of the barrier fluid to the air side.
- the shaft seal 1 shows a shaft seal 1 which is arranged in a pump housing of a water pump (not shown) between a pump chamber and a shaft seal and an electric motor.
- the shaft seal 1 is designed to seal a shaft 2 of the pump to be supported between a coolant side 8, which corresponds to a liquid medium, such as cooling water in a pump chamber, and an air side 9, which corresponds to a drive side with the electric motor.
- the shaft seal 1 is designed in particular so that a liquid medium does not pass axially through the shaft seal 1 in the form of a vapor leak even in the event of a pressure difference between the coolant side 8 and the air side 9.
- the shaft seal comprises a seal housing 10, a primary radial seal 3 to the coolant side 8, a secondary radial seal 4 to the air side 9, a sealing-effective filling of a barrier fluid 6 and a compressible volume compensator 7.
- the seal housing 10 fixes the primary radial seal 3 and the secondary radial seal 4 relative to one another and holds the enclosed volume of the barrier fluid 6.
- the seal housing 10 has a cylindrical jacket that becomes an axial End that is directed to the air side 9, a one-sided crank to a radial inner side comprises.
- an open cross section is provided on the seal housing 10, through which, among other things, the radial seals 3, 4 are inserted and mounted.
- the radial seals 3, 4 form a static sealing surface to the seal housing 10 and a dynamic sealing surface in the form of a sealing lip to the circumference of the shaft 2.
- the sealing lip of the primary radial seal 3 is axially inclined to the outside of the shaft seal 1, ie to the coolant side 8, and the sealing lip of the secondary radial seal 4 is inclined axially towards the inside of the shaft seal 1.
- the secondary radial seal 4 is fixed against the crank of the seal housing 10 by an axial delimitation.
- a compressible volume compensator 7 is arranged between the primary radial seal 3 and the secondary radial seal 4 over the axial extent of the spacer sleeve 5.
- a free space which remains in the seal housing 10 between the primary radial seal 3 and the secondary radial seal 4 and to a contact surface of the compressible volume compensator 7 is completely taken up by the volume of a barrier fluid 6.
- a lubricating oil for example made of a synthetic hydrocarbon, a silicone oil, an ester oil or the like, is used for the barrier fluid 6, the viscosity of which is preferably higher than the viscosity of the coolant on the coolant side 8.
- the barrier fluid 6 causes a hermetic seal of the shaft seal 1, since the volume of the filled barrier fluid 6 is in contact with the shaft circumference of the primary radial seal 3 and the secondary radial seal 4. Furthermore, the barrier fluid 6 lubricates the sealing lip of the primary radial seal 3 on the coolant side 8 and the sealing lip of the secondary radial seal 4 on the air side 9.
- the compressible volume compensator 7 has a prismatic shape with a convex curved surface and a flat surface, which run essentially parallel to the shaft 2.
- the curved surface of the volume compensator 7 is congruent to an inner surface of the cylindrical jacket of the seal housing 10.
- the flat surface of the volume compensator 7 lies radially inward from the curved surface and closes the body of the volume compensator 7 at parallel edges of the convex curvature.
- the compressible volume compensator 7 consists of a flexible, non-sorbent material.
- the body of the compressible volume compensator 7 is preferably made from a cellular rubber, such as a foamed, closed-cell elastomer.
- Elastomers or cellular rubber have a suitable elasticity to be compressed by thermal expansion of the volume of the barrier fluid 6 in contact.
- Foam-shaped elastomers are also available inexpensively in various degrees of hardness.
- the closed-cell structure prevents the elastomer from becoming saturated with the barrier fluid like a sponge and consequently becoming almost incompressible.
- a coolant delivered by the water pump is heated by a combustion engine, an electric traction motor or the like.
- the coolant heats the pump housing and finally the shaft seal 1 as well as the barrier fluid 6.
- This is accompanied by an increase in the volume of the barrier fluid 6 or a pressure increase in the shaft seal 1.
- a compressibility is set such that the temperature-dependent internal pressure in the shaft seal 1 is at least greater than a temperature-dependent vapor pressure of the coolant during operation.
- a pressure difference between the higher internal pressure in the shaft seal 1 compared to the coolant side 8 is preferably set to up to 1 bar. Such a range of pressure differences can be absorbed by the primary radial seal 3 in the long term without impairment.
- a modulus of elasticity of a closed-cell, foamed elastomer for the compressible volume compensator 7 and a ratio of its body volume to the volume of the barrier fluid 6 are selected as a function of parameters that include a specific volume change of the barrier fluid 6, a temperature difference of an operating temperature range of the coolant as well as a path and a partial force along a displacement of a volume interface between the volume compensator 7 and the barrier fluid 6.
- the barrier fluid 6 is also selected for a property that a temperature-dependent vapor pressure of the barrier fluid 6 is within the operating temperature range of the Coolant is less than an air pressure on the air side 9. Steam leakage to the air side 9 is thus prevented.
- the shaft seal 1 according to the invention with a sealing arrangement can be implemented in different embodiments, which likewise correspond to the essence of the invention and are part of the disclosure below.
- the body of the compressible volume compensator 7 is formed from a gas cushion or an air cushion, which is in a free space above the volume of the barrier fluid 6 and between the inner surface of the cylindrical shell of the seal housing 10 and the Radial seals 3, 4 remains limited.
- the gas cushion also exhibits suitable compressible behavior in the operating temperature range, which can be used to compensate for volume fluctuations in the barrier fluid 6, i.e. in particular to compensate for an increase in the volume of the barrier fluid 6 brought to operating temperature.
- the compressible volume compensator 7 can have a shape other than a prismatic shape.
- the compressible volume compensator 7 can be formed from an annular body or any desired one-piece form of a compressible medium.
- the compressible volume compensator 7 can be provided from a plurality of bodies or a particle-like distribution of spherical or other small bodies of the compressible medium within the filling of the barrier fluid 6.
- the shaft seal 1 according to the invention can be implemented in an alternative embodiment without the seal housing 10.
- the components of the shaft seal 1 are inserted and fixed one after the other in a housing section of a pump or a surrounding system, with a free space occupied by the volume of the barrier fluid 6 between the components of the shaft seal 1 in the surrounding housing section or system is formed.
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Abstract
Es wird eine Wellendichtung (1) vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, eine Welle (2) zwischen einer Kühlmittelseite (8) und einer trockenen Seite (9) in einer Wasserpumpe abzudichten. Die Wellendichtung (1) zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein kompressibler Volumenkompensator (7) zur Kompensation einer temperaturabhängigen Volumenschwankung bereitgestellt ist, der in Wechselwirkung mit dem Volumen eines Sperrfluids (6) stehend angeordnet ist.
Description
Beschreibung
Dampfleckagen-Kompaktdichtung
Die Erfindung betrifft eine Kompaktdichtung gegen Dampfleckagen, die bei Temperaturschwankungen oder Druckschwankungen zwischen einem flüssigen Medium ei nerseits und einem gasförmigen Medium andererseits der Kompaktdichtung, wie bei spielsweise an einem Durchbruch einer Pumpenwelle in einem Pumpengehäuse auftreten können.
Eine Wellendichtung unterliegt per se einem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung. Sie stellt oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar. Im Falle einer Wasserpumpe eines Fahrzeugs kommt der Lebensdauer einer Flüssigkeitsabdichtung zwischen dem Förderstrom in einer Pumpenkammer und einem dahinterliegenden feuchtigkeitsempfindlichen Bauteil, wie einem Wellenlager oder einem elektrischen Antrieb eine große Bedeutung hinsichtlich der Betriebszuverlässigkeit eines Fahrzeugs zu.
Wellenlager, insbesondere Wälzkörperlager sind im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle der Wälzkörper und Laufbahnen, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Bei der Anwendung von Wellenlagem in einer Wasserpumpe muss das Wellenlager vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förderstrom der Wasserpumpe geschützt werden. An Lagerdichtungen treten jedoch stets geringe Leckagen auf. Das Eintreten einer Kühlmittelleckage führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen. Eine höhere Reibung an den Wälzkörpem kann durch entsprechende W ärmeentwicklung bis hin zum La gerschaden führen, was einen Defekt der Wasserpumpe nach sich zieht. Ebenso wie das Wellenlager muss ggf. auch ein als Pumpenantrieb eingesetzter Elektromotor vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förder ström der Wasserpumpe geschützt werden, insbesondere wenn ein Elektromotor vom Trockenläufertyp als Pumpenantrieb eingesetzt wird.
In der Regel sind herkömmliche Wellenlager, wie z.B. Wälzlager durch radial dichtende Dichtungen, d.h. Dichtscheiben abgedichtet, die im Wellenlager integriert sind. Ferner sind aus dem Stand der Technik separate Dichtungsanordnungen bekannt, wodurch eine individuelle Anpassung der Abdichtungseigenschaft an anwendungsspezi fische Drücke und Abmessungen sowie eine größere Freiheit bei der Auswahl von La gertypen ermöglicht wird. Derartige separate Abdichtungen von Pumpenwellen zu statischen Bauteilen eines Gehäuses sind oftmals als Zweilippen-Systeme mit einem geringen Lippenabstand ausgeführt. In den Zwischenraum wird eine sehr kleine Menge Schmierfett als Initialschmierung eingefüllt. Allerdings ist nach einiger Zeit das Schmierfett aufgebraucht und eine Kühlmittelleckage dringt in den Zwischenraum ein. Die schlechtere S chmierwirkung des Kühlmittels führt zu einem erhöhten Verschleiß der Dichtlippen.
Ebenso sind aus dem Stand der Technik Lösungen bekannt, die in einem Pumpen aufbau eine Ablaufbohrung für unvermeidliche Leckagen hinter der Wellendichtung vorsehen. Ein derartiger Pumpenaufbau umfasst in der Regel eine Leckagekammer, die unterhalb der Pumpenwelle angeordnet ist, um eine angesammelte Leckage aufzufangen und beispielsweise durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran nach außen verdunsten zu lassen. Derartige Aufbauten erfordern jedoch einen größeren Bauraum für die Le ckagekammer.
Zudem sind Leckagekammem nur begrenzt wirksam gegen sogenannten Dampfleckagen, die bei einer Erwärmung und einem Druckanstieg seitens eines flüssigen Fördermediums in der Pumpenkammer zu der Antriebsseite auftreten können. In diesem Fall entsteht ein Druckausgleich zwischen zwei axialen Seiten einer W ellendichtung. Bei ei ner Dampfleckage passieren Gasvolumina mit hohem F euchti gkeits gehalt die Wellendichtung während ein Druckausgleich eintritt. Im Gegensatz zu den Flüssigkeitstropfen eines Leckagestroms lassen dich die feinen Tröpfchen in den feuchtigkeitsbeladenen Gasvolumina nicht anhand der Schwerkraft an der Leckagekammer abscheiden und können sich als Kondensat auf einem dahinterliegenden Wellenlager, einem Elektromotor oder dergleichen niederschlagen.
Darüber hinaus hängt die Lebensdauer von W ellendichtringen stark von den Schmierverhältnissen an der Dichtlippe ab. Eine trockenlaufende Dichtlippe oder eine Dichtlippe, die lediglich durch eine Kühlmittelleckage geschmiert wird, hat aufgrund des Reibwertes des fehlenden Schmierfilms oder eines nachfolgend erläuterten Phänomens eine kürzere Lebensdauer als Dichtlippen in einer Umgebung eines schmierölführenden Systems. Bei einer Schmierung von Dichtungslippen durch ein Kühlmittel wurde das Phänomen einer Belagbildung unter der dynamischen Dichtfläche der Dichtungslippe beobachtet, welche die Dichtungsfunktion nachhaltig beeinträchtigt. Die Ursache liegt darin, dass Leckagetropfen eines Kühlmittels nach einem Passieren der Dichtstelle verdampfen und kristalline Bestandteile aus dem Kühlmittel hinterlassen, die einen Belag auf der Welle bilden.
Demnach besteht für kompakt ausgeführte Pumpenaufbauten, wie Kühlmittelpumpen im Automotive-Bereich ein Bedarf an langlebigen Abdichtungslösungen zum Schutz von Wellenlagem, die eine kompakte Bauform ermöglichen. Genauer genommen besteht ein Bedarf an Wellendichtungen, die neben einer zuverlässigen Flüssigkeitsabdichtung auch einen kompakten Bauraum des Dichtungssystems, d.h. insbesondere ohne weitere konstruktive Maßnahmen am Pumpenaufbau neben der Wellendichtung, ermöglichen.
Eine zum Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlichte Patentan meldung DE 10 2018 131 588.0 derselben Anmelderin betrifft eine Wellendichtung zur Flüssigkeitsabdichtung einer Welle, vorzugsweise in Wasserpumpen, die von einem trockenlaufenden Elektromotor angetrieben werden. In der Wellendichtung ist als Schmier stoffdepot ein sogenanntes Solid-Oil vorgesehen, das neben der Schmierfunktion zugleich eine Dichtungsfunktion zwischen einer nassen und einer trockenen Seite erfüllt.
Es besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen alternativen Auf bau einer langlebigen Wellendichtung zu schaffen, die dahingehend fortgebildet ist, dass eine erhöhte Abdichtungswirkung gegen Dampfleckagen bereitstellt ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Wellendichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein kompressibler V olumenkompensator
zur Kompensation einer temperaturabhängigen V olumenschwankung bereitgestellt ist, der in Wechselwirkung mit dem Volumen eines Sperrfluids stehend angeordnet ist.
Die Erfindung sieht erstmals vor, in einer Wellendichtung einen kompressiblen Volumenkompensator zur Kompensation einer temperaturabhängigen Volumenschwankung eines Sperrfluids zu verwenden.
Der kompressible V olumenkompensators gleicht eine durch einen Temperaturanstieg bedingte V olumenzunahme des Sperrfluids aus. Somit kann ein Anstieg eines In nendrucks in der Wellendichtung bzw. einer Druckdifferenz zwischen der Wellendichtung und einer Außenseite der Wellendichtung begrenzt werden.
Die erfindungsgemäße Bereitstellung des V olumenkompensators wirkt daher bei hohen Betriebstemperaturen einem Verlust des Sperrfluids entgegen sowie beim Abkühlen einem möglichen Eintrag einer Dampfleckage aufgrund eines verlorenen Sperrfluidvolumens entgegen. Ferner bleibt ein Volumen der Befüllung des Sperrfluids, die eine Sperre gegen Dampfleckagen darstellt, lange bestehen.
Der erfmdungsgemäße, kompressible Volumenkompensators stellt unter Einsatz eines kompressiblen Mediums eine zuverlässige und kostengünstige Realisierungsmöglichkeit der gewünschten Funktion dar und ermöglicht eine kompakte Bauweise des Volumenkompensators. Der Aspekt der kompakten Bauweise ermöglicht wiederum eine Integration des Volumenkompensators in der Wellendichtung, d.h. insbesondere eine Integration einer erhöhten Abdichtungswirkung gegen Dampfleckagen in der Wellendich tung.
Durch eine Auslegung eines elastischen Verhaltens des erfmdungsgemäßen kom pressiblen Volumenkompensators lässt sich eine druckabhängige Funktion der Volumenkompensation ohne einen Bedarf an Regelungs- und Steuerungsmitteln in einfacher Weise vorbestimmen und auf die B etriebsbedingungen des Anwendungsfalls optimieren.
Die Wellendichtung beansprucht wenig Bauraum und erfordert keine weiteren konstruktiven Sicherheitsmaßnahmen wie eine Leckagekammer im Pumpenaufbau. Demzufolge eignet sich die Wellendichtung für den Einsatz als eine gegen Dampfleckagen ab gedichtete Wellendichtung, d.h. als einzige Einheit zur Abdichtung einer Pumpenwelle, in elektrisch angetriebenen Wasserpumpen.
Durch den Wegfall einer Leckagekammer kann eine Wasserpumpe in beliebigen Lagen verbaut werden. Ferner kann ohne eine Leckagekammer eine Abmessung der Wellendichtung vergrößert werden und ein Volumen des Sperrfluids ausreichend dimensio niert werden.
Zudem können Labyrinthdichtungen oder ähnlich strukturierte Dichtungen durch günstigere Wellendichtungen mit einer vergleichsweise einfach gestalteten Dichtungslippe ersetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfmdungsgemäßen Wellendichtung sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der V olumenkompensator einen Körper umfassen, der aus einem kompressiblen Material ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung können eine lageunabhängige Fixierung und eine relativ temperaturunempfindliche elastische Eigenschaft des kompressiblen Volumenkompensators realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der kompressible V olumenkompensator als ein Gaspolster ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung kann eine besonders einfache und kostengünstige Bereitstellung des V olumenkompensators realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Sperrfluid ein Schmieröl oder ein Schmierfett sein. Durch die Verwendung eines Schmierstoffes als Sperrfluid kann eine Schmierung der Dichtlippen der Radialdichtungen auf dem Wellenumfang verbessert und demzufolge die Lebensdauer der Wellendichtung verlängert werden. Ferner sind
Schmierstoffe in verschiedenen anwendungsoptimierten Viskositäten kostengünstig verfügbar.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung ferner ein Dichtungs gehäuse aufweisen, das die primäre Radialdichtung, die sekundäre Radialdichtung, die Abstandshülse, das Volumen des Sperrfluids und den kompressiblen V olumenkompen- sator umfasst. Dadurch wird eine maßhaltige und fluchtende Montage der Bestandteile der Wellendichtung unabhängig von einer typenspezifischen Geometrie eines umgeben den Pumpengehäuses oder dergleichen vereinfacht sowie eine Bereitstellung als eine Einheit bzw. Baugruppe ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Dichtungsgehäuse zu einer axialen Seite radial einwärts gekröpft sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine Montage der Bestandteile der Wellendichtung in dem Dichtungsgehäuse vereinfacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Dichtring jeweils zwischen dem Dichtungsgehäuse und der primären Radialdichtung sowie zwischen dem Dichtungsgehäuse und der sekundären Radialdichtung angeordnet sein. Hierdurch wird der Freiraum, der durch die Füllung des Sperrfluids eingenommen wird, seitens einer statischen Dichtfläche der Radialdichtungen besser gegen eine Leckage des Sperrfluids abgedichtet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die primäre Radialdichtung, die sekun däre Radialdichtung und die Abstandshülse mittels eines Klemmrings in dem Dichtungs gehäuse fixiert sein. Durch den Klemmring kann eine schnelle und einfache Montage der Bestandteile der Wellendichtung in dem Dichtungsgehäuse mittels einer Presspassung oder dergleichen umgesetzt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können eine Dichtlippe der primären Radialdichtung und eine Dichtlippe der sekundären Radialdichtung in Bezug zu einem Wellenumfang in Richtung der Kühlmittelseite weisend ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine Dichtungseigenschaft in Bezug auf eindringende Schmutzpartikel von
der Kühlmittelseite zur Innenseite sowie in Bezug auf eine Leckage des Sperrfluids zur Luftseite erhöht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Wasserpumpe angewendeten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig.l einen Längsschnitt der Wellendichtung gemäß einer Ausfiihrungsform der Erfindung; und
Fig.2 einen Querschnitt der Wellendichtung gemäß der gleichen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Wellendichtung 1, die in einem Pumpengehäuse einer nicht dargestellten Wasserpumpe zwischen einer Pumpenkammer und einer Wellendichtung sowie einem Elektromotor angeordnet ist. Die Wellendichtung 1 ist dazu ausgelegt, eine zu lagernde Welle 2 der Pumpe zwischen einer Kühlmittelseite 8, die einem flüssigen Medium, wie einem Kühlwasser in einer Pumpenkammer entspricht, und einer Luftseite 9, die einer Antriebsseite mit dem Elektromotor entspricht, abzudichten. Die Wellendichtung 1 ist insbesondere dazu ausgelegt, dass ein flüssiges Medium auch bei einer Druckdifferenz zwischen der Kühlmittelseite 8 und der Luftseite 9 nicht in Form einer Dampfleckage durch die Wellendichtung 1 axial hindurch tritt.
Die Wellendichtung umfasst ein Dichtungsgehäuse 10, eine primäre Radialdichtung 3 zu der Kühlmittelseite 8, eine sekundäre Radialdichtung 4 zu der Luftseite 9, eine dichtungswirksame Füllung eines Sperrfluids 6 sowie einen kompressiblen Volumenkompensator 7.
Das Dichtungsgehäuse 10 fixiert die primäre Radialdichtung 3 und die sekundäre Radialdichtung 4 relativ zu einander und hält das umfasste Volumen des Sperrfluids 6. Das Dichtungsgehäuse 10 weist einen zylindrischen Mantel auf, der zu einem axialen
Ende, das zu der Luftseite 9 gerichtet ist, eine einseitige Kröpfung zu einer radialen In nenseite umfasst. Zu der Kühlmittelseite 8 ist ein offener Querschnitt an dem Dichtungs gehäuse 10 vorgesehen, durch den u.a. die Radialdichtungen 3, 4, eingeführt und montiert werden.
Die Radialdichtungen 3, 4, bilden eine statische Dichtungsfläche zu dem Dichtungsgehäuse 10 und eine dynamische Dichtungsfläche in Form einer Dichtungslippe zu dem Umfang der Welle 2. Die Dichtungslippe der primären Radialdichtung 3 ist axial zur Außenseite der Wellendichtung 1, d.h. zur Kühlmittelseite 8 geneigt, und die Dichtungslippe der sekundären Radialdichtung 4 ist axial zur Innenseite der Wellendichtung 1 geneigt.
Die sekundären Radialdichtung 4 ist durch eine axiale Eingrenzung gegen die Kröpfung des Dichtungsgehäuses 10 fixiert. Eine Abstandshülse 5, die in das Dichtungsgehäuse 10 eingeschoben ist, legt einen Abstand zwischen der sekundären Radialdichtung 4 und der primären Radialdichtung 3 fest. Ein Klemmring 12, der abschließend in das Dichtungsgehäuse 10 eingesetzt wird, fixiert die primäre Radialdichtung 3 durch eine axiale Eingrenzung gegen die Abstandshülse 5. Zwischen den axialen Enden der Abstandshülse 5 und den Radialdichtungen 3, 4 sind ferner Dichtungsringe 11 angeordnet, welche die radial äußeren, statischen Dichtungsflächen der Radialdichtungen 3, 4 gegen das Dichtungsgehäuse 10 zusätzlich abdichten. In der Wellendichtung 1 ist über die axiale Erstreckung der Abstandshülse 5 ein kompressibler Volumenkompensator 7 zwischen der primären Radialdichtung 3 und der sekundären Radialdichtung 4 angeordnet.
Ein Freiraum, der in dem Dichtungsgehäuse 10 zwischen der primären Radialdichtung 3 und der sekundären Radialdichtung 4 sowie zu einer Kontaktfläche des kompres- siblen Volumenkompensator 7 verbleibt, wir durch das Volumen eines Sperrfluids 6 vollständig eingenommen. In der vorliegenden Ausführungsform wird für das Sperrfluid 6 ein Schmieröl, beispielsweise aus einem synthetischen Kohlenwasserstoff, einem Silikonöl, einem Estheröl oder dergleichen verwendet, dessen Viskosität vorzugsweise höher als die Viskosität des Kühlmittels auf der Kühlmittelseite 8 ist. Das Sperrfluid 6 bewirkt
eine hermetische Abdichtung der Wellendichtung 1, da das Volumen des befüllten Sperrfluids 6 mit dem Wellenumfang der primären Radialdichtung 3 und der sekundären Radialdichtung 4 in Kontakt steht. Ferner schmiert das Sperrfluid 6 die Dichtungslippe der primären Radialdichtung 3 auf der Kühlmittelseite 8 und die Dichtungslippe der sekun dären Radialdichtung 4 auf der Luftseite 9.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist der kompressible V olumenkompensator 7 eine prismatische Form mit einer konvex gekrümmten Fläche und einer ebenen Fläche auf, die im Wesentlichen parallel zur Welle 2 verlaufen. Die gekrümmte Fläche des Volumen kompensators 7 ist kongruent zu einer Innenfläche des zylindrischen Mantels des Dichtungsgehäuses 10 ausgebildet. Die ebene Fläche des Volumenkompensators 7 liegt radial einwärts von der gekrümmten Fläche und schließt den Körper des Volumenkompensators 7 an parallel verlaufenden Kanten der konvexen Krümmung ab.
Der kompressible V olumenkompensator 7 besteht in der vorliegenden Ausfüh rungsform aus einem flexiblen, nicht sorptionsfähigen Material. Vorzugsweise ist der Körper des kompressiblen Volumenkompensators 7 aus einem Zellgummi, wie einem geschäumten, geschlossenzeiligen Elastomer hergestellt. Elastomere bzw. Zellkautschuk weisen eine geeignete Elastizität auf, um durch eine Wärmeausdehnung des in Kontakt stehenden Volumens des Sperrfluids 6 komprimiert zu werden. Zudem sind schaumfor- mige Elastomere in verschiedenen Härtegraden kostengünstig verfügbar. Die geschlossenzeilige Struktur verhindert, dass sich der Elastomer nicht wie ein Schwamm mit dem Sperrfluid sättigt und infolgedessen annähernd inkompressibel wird.
Im Betrieb der nicht dargestellten Wasserpumpe, in der die Wellendichtung 1 angeordnet ist, wird ein von der Wasserpumpe gefördertes Kühlmittel durch eine Verbren nungsmaschine, einen elektrischen Traktionsmotor oder dergleichen erwärmt. Das Kühl mittel erwärmt das Pumpengehäuse und schließlich die Wellendichtung 1 sowie das Sperrfluid 6. Damit einher geht eine V olumenzunahme des Sperrfluids 6 bzw. ein Druckanstieg in der Wellendichtung 1. Durch die Kompressibilität des Körpers bzw. des Medi ums, das den kompressiblen Volumenkompensators 7 bildet, wird ein aufgrund der tem peraturabhängigen Volumenänderung des Sperrfluids 6 ansteigender Innendruck in der
Wellendichtung 1 begrenzt. Allerdings ist eine Kompressibilität derart eingestellt, dass der temperaturabhängige Innendruck in der Wellendichtung 1 zumindest größer als ein temperaturabhängiger Dampfdruck des Kühlmittels im Betrieb ist. Eine Druckdifferenz zwischen dem höheren Innendruck in der Wellendichtung 1 gegenüber der Kühlmittelseite 8 ist vorzugsweise auf bis zu 1 bar eingestellt. Ein derartiger Bereich von Druckdif ferenzen kann von der primären Radialdichtung 3 langfristig ohne B eeinträchti gungen aufgenommen werden.
Durch die Kompensation einer Volumenzunahme wird ein Auslaufen des Sperrflu- ids 6 bzw. ein langfristiger Verlust der Füllung des Sperrfluids 6 durch zahlreiche Druck anstiege in der Wellendichtung 1 unterbunden. Da andererseits eine positive Druckdiffe renz zwischen dem Sperrfluid 6 in der Wellendichtung 1 und der Kühlmittelseite 8 anliegt, kommt es zu keiner Anregung von Leckagen des Kühlmittels in die Wellendichtung 1. Eine geeignete Viskosität des Sperrfluids 6, die vorzugsweise höher als diejenige des Kühlmittels ist, unterdrückt eine Diffusion von Blasen unter dem Dampfdruck des Kühlmittels und somit eine dementsprechende Migration von Blasen einer gasförmigen Dampfleckage des Kühlmittels in oder durch die Wellendichtung 1. Darüber hinaus führt der Druck des Sperrfluids 6 in der Wellendichtung 1 zu einer optimierten hydrodynamischen Schmierung der Dichtlippe der sekundären Radialdichtung 4, welche annähernd verschleißfrei auf der Luftseite 9 des trockenlaufenden Elektromotors der Wasserpumpe läuft.
In der dargestellten Ausführungsform werden ein Elastizitätsmodul eines geschlos- senzelligen, geschäumten Elastomers für den kompressiblen Volumenkompensators 7 sowie ein Verhältnis von dessen Körpervolumen zu dem Volumen des Sperrfluids 6 in Abhängigkeit von Parametern gewählt, die eine spezifische V olumenänderung des Sperrfluids 6, eine Tempertaturdifferenz eines Betriebstemperaturbereichs des Kühlmittels sowie einen Weg und eine Partialkraft entlang einer Verschiebung einer V olumengrenzfläche zwischen dem Volumenkompensator 7 und dem Sperrfluid 6 umfassen.
Das Sperrfluid 6 ist ferner nach einer Eigenschaft ausgewählt, dass ein temperaturabhängiger Dampfdruck des Sperrfluids 6 innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des
Kühlmittels kleiner als ein Luftdruck auf der Luftseite 9 ist. Somit wird eine Dampfleckage zu der Luftseite 9 unterbunden.
Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Wellendichtung 1 mit Dichtungsanordnung in abweichenden Ausführungsformen realisiert werden, die ebenfalls dem Kern der Erfindung entsprechen und nachstehend Teil der Offenbarung sind.
In einer alternativen, besonders einfach und günstig herzustellenden Ausführungsform wird der Körper des kompressiblen Volumenkompensators 7 aus einem Gaspolster bzw. einem Luftpolster gebildet, das in einem Freiraum über dem Volumen des Sperrflu- ids 6 und zwischen der Innenfläche des zylindrischen Mantels des Dichtungsgehäuses 10 sowie den Radialdichtungen 3, 4 eingegrenzt verbleibt. Das Gaspolster weist im Bereich der Betriebstemperaturen ebenfalls ein geeignetes kompressibles Verhalten auf, das zur Kompensation von Volumenschwankungen des Sperrfluids 6, d.h. insbesondere zum Ausgleich einer V olumenzunahme des auf Betriebstemperatur gebrachten Sperrfluids 6 genutzt werden kann.
In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der kompressible Volumenkompensator 7 eine andere Form als eine prismatische Form aufweisen. Beispielsweise kann der kompressible V olumenkompensator 7 aus einem ringförmigen Körper oder einer beliebigen einteiligen Form eines kompressiblen Mediums gebildet werden. Ebenso kann der kompressible Volumenkompensator 7 aus einer Mehrzahl von Körpern oder einer partikelartigen Verteilung von kugelförmigen oder sonstigen kleinen Körpern des kom pressiblen Mediums innerhalb der Füllung des Sperrfluids 6 bereitgestellt sein.
Ferner kann die erfindungsgemäße Wellendichtung 1 in einer alternativen Ausführungsform ohne das Dichtungsgehäuse 10 realisiert werden. In diesem Fall werden die Bestandteile der Wellendichtung 1 nacheinander in einem Gehäuseabschnitt einer Pumpe bzw. eines umgebenden Systems eingesetzt und fixiert, wobei ein Freiraum, der von dem Volumen des Sperrfluids 6 eingenommen wird, zwischen den Bestandteilen der Wellendichtung 1 in dem umgebenden Gehäuseabschnitt oder System gebildet wird.
Bezugszeichenliste:
Wellendichtung
Welle primäre Radialdichtung sekundäre Radialdichtung Abstandshülse Sperrfluid kompressibler V olumenkompensator Kühlmittelseite
Luftseite
Dichtungsgehäuse
Dichtungsring
Klemmring
Claims
Ansprüche
Wellendichtung (1), eingerichtet zur Abdichtung einer Welle
(2) zwischen einer Kühlmittelseite (8) und einer trockenen Seite (9) in einer Wasserpumpe, aufwei send: eine primäre Radialdichtung (3) zur Abdichtung eines Wellenumfangs zu der Kühlmittelseite Seite (8); eine sekundäre Radialdichtung (4) zur Abdichtung des Wellenumfangs zu der trockenen Seite (9); eine Abstandshülse (5), die sich zwischen der primären Radialdichtung (3) und der sekundären Radialdichtung (4) erstreckt; und ein Sperrfluid (6), wobei ein Volumen des Sperrfluids (6) einen Freiraum zwischen der primären Radialdichtung
(3) und der sekundären Radialdichtung (4) einnimmt; dadurch gekennzeichnet, dass ein kompressibler Volumenkompensator (7) zur Kompensation einer temperaturabhängigen Volumenschwankung bereitgestellt ist, der in W echsel Wirkung mit dem Volumen des Sperrfluids (6) stehend angeordnet ist.
Wellendichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der kompressible V olumenkompensator (7) einen Körper umfasst, der aus einem kompressiblen Material ausgebildet ist.
Wellendichtung (1) nach Anspruch 1, wobei
der kompressible Volumenkompensator (7) als ein Gaspolster ausgebildet ist.
4. Wellendichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sperrfluid ein Schmieröl oder ein Schmierfett ist.
5. Wellendichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Dichtungsgehäuse (10), das die primäre Radialdichtung (3), die sekundäre Radialdichtung (4), die Abstandshülse (5), das Volumen des Sperrfluids (6) und den kompressiblen Volumenkompensator (7) umfasst.
6. Wellendichtung (1) nach Anspruch 5, wobei das Dichtungsgehäuse (10) zu einer axialen Seite radial einwärts gekröpft ist.
7. Wellendichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Dichtring (11) jeweils zwischen dem Dichtungsgehäuse (10) und der primären Radialdichtung (3) sowie zwischen dem Dichtungsgehäuse (10) und der sekundä- ren Radialdichtung (4) angeordnet ist.
8. Wellendichtung (1) nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, wobei die primäre Radialdichtung (3), die sekundäre Radialdichtung (4) und die Abstandshülse (5) mittels eines Klemmrings (12) in dem Dichtungsgehäuse (10) fixiert sind.
9. Wellendichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dichtlippe der primären Radialdichtung (3) und eine Dichtlippe der sekundären Radialdichtung (4) in Bezug zu einem Wellenumfang in Richtung der Kühlmittelseite (8) weisend ausgebildet sind.
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