Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für eine Stange gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine gattungsgemäße Dichtungseinrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 353096 B1 bekannt.

In dieser Druckschrift wird zur Abdichtung einer sich bewegenden Stange im Übergangsbereich zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niederdruck bereich eines die Stange führenden Führungsraums eines Gehäuses ein Dicht ring eingesetzt, der die Stange umschließt, und der mithilfe eine Pressringes durch den im Hochdruckbereich anliegenden Hochdruck partiell verformt wird, so dass durch die Verformung des Dichtrings der Spalt zwischen Dichtring und Stange so weit verkleinert wird, dass dieser nur noch die gewünschte Lecka gemenge an Fluid durchlässt.

Eine solche Spaltdichtungseinrichtung hat sich in der Praxis bewährt.

Problematisch ist, dass insbesondere bei sehr hohen Drücken im Hochdruck bereich von bis zu 3000 oder 4000 bar der an der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders anliegende Betriebsdruck so groß ist, dass sich der Dichtzylinder mitunter bereits vor dem Pressring zu stark verformt, je nach E-Modul des Ma terials des Dichtzylinders.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dichtungseinrichtung für Hochdruckeinrichtungen bereitzustellen, die unabhängig vom Material des Dichtzylinders eine dauerhafte Funktion gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung zur Abdichtung einer sich in ei nem mit einem flüssigen Medium gefüllten Hochdruckraum eines druckfesten Gehäuses translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Stange zwischen dem Hochdruckraum und einem Niederdruckbereich weist einen Dichtzylinder auf, der in dem Gehäuse unter Ausbildung eines ersten Ringspaltes zwischen einer Mantelaußenfläche des Dichtzylinders und einer den Hochdruckraum be grenzenden Innenwand des Gehäuses aufnehmbar ist.

Ein Innendurchmesser einer Mantelinnenfläche des Dichtzylinders ist dabei so bemessen, dass die Stange unter Ausbildung eines eine dynamische Dichtung bildenden zweiten Ringspaltes von diesem umgreifbar ist.

Die Dichtungseinrichtung weist des Weiteren einen an der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders nahe einer niederdruckseitigen Stirnfläche anliegenden Pressring zur statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes und zur Verfor mung eines Teilstücks der Mantelinnenfläche des Dichtzylinders in Richtung der Stange auf.

Zur Ausbildung dieser Verformung ist im Niederdruckbereich am Gehäuse ein einen Teilbereich der Stange aufnehmender Druckring befestigt, der den Dicht zylinder unter Anpressen des Pressrings gegen einen stufenförmigen Ansatz des druckfesten Gehäuses in das Gehäuse, unter Ausbildung der Verformung des Teilstücks der Mantelinnenfläche des Dichtzylinders, eingedrückt hält.

An der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders ist nahe der hochdruckseitigen Stirnfläche ein dynamisch mit Fluiddruck belasteter Dichtring zur statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes aufliegend angeordnet. Weiter weist der Dichtzylinder wenigstens einen sich von seiner Mantelaußenfläche zu seiner Mantelinnenfläche erstreckenden Verbindungskanal auf.

Die Position des Verbindungskanal ist dabei an das Material des Dichtzylinders zur Verhinderung einer funktionseinschränkenden Verformung des Dichtzylin ders in einem Bereich entfernt von dem Pressring angepasst.

Durch die Abdichtung des ersten Ringspaltes nahe der hochdruckseitigen Stirn fläche des Dichtzylinders und den im Dichtzylinder vorgesehenen Verbin dungskanal, der die beiden Ringspalte fluidisch miteinander verbindet, ist es ermöglicht, je nach Positionierung des Verbindungskanals den an der Mantel außenfläche des Dichtzylinders wirkenden Fluiddruck auf den Fluiddruck des zweiten Ringspaltes, der als Drosselspalt wirkt, in dem der vorherrschende Druck mit zunehmendem Abstand von der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtzylinders abnimmt, auf den Druck einzustellen, der im Bereich des Ver bindungskanals im zweiten Ringspalt vorherrscht. Dadurch lässt sich der an der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders wirkende Druck durch Positionierung des Verbindungskanals im Dichtzylinder an das jeweilige Material des Dichtzy linders anpassen, so dass die gewünschte Verformung und Belastung des Dichtzylinders entsprechend seines E-Moduls anpassbar ist und nur noch im Bereich des Pressrings erfolgt.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Verbindungskanal in ei nem Bereich des Mantels des Dichtzylinders zwischen dem Pressring und dem Dichtring eingebracht, wobei der Verbindungskanal um wenigstens 10% der Distanz zwischen dem Pressring und dem Dichtring von dem Pressring oder dem Dichtring entfernt ist.

Die dadurch bewirkte Reduzierung des an der Mantelaußenfläche des Dichtzy linders anliegenden Drucks ermöglicht den Einsatz zahlreicher Materialien für den Dichtzylinder.

Zur sicheren Lagerung des Dichtrings ist gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsvariante nahe der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtzylinders eine Ringaufnahme in der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders angeformt, in der der Dichtring aufgenommen ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Ringaufnahme als sich von der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtzylinders in die Mantelau ßenfläche des Dichtzylinders erstreckende Stufe ausgebildet.

Der Dichtring lässt sich so bei der Montage in äußerst einfacher Weise von der hochdruckseitigen Stirnfläche auf den Dichtzylinder aufstülpen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist die hochdruckseitige Stirnfläche des Dichtzylinders mit einer Ringkappe abgedeckt.

Ein Vorteil des Einsatzes einer solchen Ringkappe liegt vor allem darin, dass dadurch eine freie spannungsarme Ausgestaltung des Gehäuses mit Radien ermöglicht ist, unabhängig von einer sonst notwendigen radienlosen Stützflä che für die Abdichtung zum Hochdruckbereich. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist der Dichtzylin der nahe der niederdruckseitigen Stirnfläche einen Kragen auf, an dessen der niederdruckseitigen Stirnfläche abgewandten Rückseite der Pressring anliegt.

Dies ermöglicht eine exakte Positionierung des Pressrings und auch des Dicht zylinders selbst, insbesondere in Richtung der Längsachse des Dichtzylinders.

Nach dem Einsetzen des Dichtzylinders in das druckfeste Gehäuse bewirkt das damit einhergehende Einquetschen des Pressrings zwischen dem Kragen und einer Stufe des druckfesten Gehäuses die gewünschte Verformung des Dicht zylinders in Richtung des zweiten Ringspalts.

Der Dichtzylinder ist bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff, Hartmetall, Stahl, insbesondere Edelstahl, Bronze oder einem Kunststoff gefertigt.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer translatorisch und/oder rotatorisch bewegbaren Stange in einem mit einem flüssigen Medium gefüllten Hochdruck raum eines druckfesten Gehäuses weist zur Abgrenzung des Hochdruckraums von einem Niederdruckbereich einen Dichtzylinder auf, der in dem Gehäuse unter Ausbildung eines ersten Ringspaltes zwischen einer Mantelaußenfläche des Dichtzylinders und einer den Hochdruckraum begrenzenden Innenwand des Gehäuses aufgenommen ist.

Ein Abschnitt der Stange ist unter Ausbildung eines eine dynamische Dichtung bildenden zweiten Ringspaltes in dem Dichtzylinder aufgenommen, wobei an der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders nahe einer niederdruckseitigen Stirn fläche ein Pressring zur statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes und zur Verformung eines Teilstücks der Mantelinnenfläche des Dichtzylinders in Rich tung der Stange anliegt.

An der Mantelaußenfläche des Dichtzylinders ist nahe der hochdruckseitigen Stirnfläche ein Dichtring zur statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes an geordnet.

Der Dichtzylinder weist wenigstens einen sich von seiner Mantelaußenfläche zu seiner Mantelinnenfläche erstreckenden Verbindungskanal auf, über den der erste Ringspalt mit dem zweiten Ringspalt miteinander fluidoffen verbunden ist. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beiliegen den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch eine Stange und ein diese umgeben des Gehäuse mit darin angeordnetem Dichtzylinder,

Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der in Figur 1 dargestell ten Anordnung mit schematischer Darstellung von an der Mantelau ßenfläche und der Mantelinnenfläche des Dichtzylinders vorherr schenden Drücken im Druckhub der Anordnung und

Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung im Saughub der Anord nung.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Dichtungseinrich tung, Gehäuse, Dichtzylinder, Stange, Ringspalt, Verbindungskanal und der gleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d.h., durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.

Im Folgenden wird unter einer statischen Dichtung eine fluidische Abdichtung zwischen zwei sich relativ nicht zueinander bewegenden Körpern verstanden.

Als dynamische Dichtung wird im Folgenden eine fluidische Abdichtung bzw. eine Reduzierung eines Flusses auf ein zulässiges Maß zwischen zwei sich re lativ zueinander bewegenden Körpern verstanden.

In den Figuren 1 bis 3 ist jeweils eine Dichtungseinrichtung für eine Stange 2 dargestellt, die sich zwischen einem Flochdruckraum 31 eines Gehäuses 3 und einem Niederdruckbereich 8 erstreckt. Die Stange 2 ist dabei translatorisch in Translationsrichtung T entlang ihrer Längsachse L bewegbar. Denkbar ist auch eine rotatorische Bewegung der Stange 11 um ihre Längsachse L.

Zumindest ein Teilstück der Stange 2 ist innerhalb des Gehäuses 3 bewegbar gelagert. Zur Abgrenzung des Hochdruckraums 31 von dem beispielhaft im Bereich ei nes Druckrings 11 vorherrschenden Niederdruckbereich 8 ist ein Dichtzylinder 4 vorgesehen, der dem Gehäuse 3 unter Ausbildung eines ersten Ringspaltes 9 zwischen einer Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylinders 4 und einer den Hochdruckraum 31 begrenzenden Innenwand 32 des Gehäuses 3 aufgenom men ist.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Druckring 11 dient zum einen ebenfalls der Lagerung der Stange 2 und zum zweiten dem Eindrücken des Dichtzylin ders 4 in das Gehäuse 3, mit dem der Druckring 11 fest verschraubt ist.

Die Stange 2 ist durch einen durch eine Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylin ders 4 begrenzten Durchlass des Dichtzylinders 4 durchgeführt. Der Durch messer der Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylinders 4 ist dabei geringfügig größer als der Durchmesser der Mantelaußenfläche 42 der Stange 2, so dass die Stange 2 zusammen mit dem Dichtzylinder 4 eine dynamische Dichtung, auch als Spaltdichtung bezeichnet, bilden. Eine solche Spaltdichtung zeichnet sich dadurch aus, dass am hochdruckseitigen Ende der Spaltdichtung der Hochdruck auch im Ringspalt 10 anliegt, sich aber in Richtung des nieder druckseitigen Endes des Ringspaltes 10 allmählich verringert.

Um eine auch in der eingangs erwähnten EP 1 353096 B1 erwähnte Leckage, die sich durch den Einsatz eines solchen Drosselspaltes ergibt, möglichst klein zu halten, ist auch hier, wie in den Figuren 1 bis 3 zu erkennen ist, an der Man telaußenfläche 42 des Dichtzylinders 4 nahe der niederdruckseitigen Stirnflä che 44 ein Pressring 5 vorgesehen, der der Verformung eines Teilstücks der Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylinders 4 in Richtung der Stange 2 bewirkt, sobald der Druckring 11 an das Gehäuse 3 angeschraubt ist und dabei den Pressring 5 gegen einen stufenförmigen Ansatz des Gehäuses 3 presst. Durch die so in Richtung der Längsachse L der Stange 2 aufgebrachte Kraft wird der Pressring 5 deformiert und dabei von zwei Seiten her von dem druckfesten Ge häuse 3 ausdehnungsfest gehalten ist und von einer dritten Seite her, die sich senkrecht zur Kraftrichtung der Kraft F in axialer Richtung der Stange 2 er streckt, durch den Dichtzylinder 4 selbst, wird durch den Pressring 5 eine im Wesentlichen radial zur Stange 2 gerichtete Kraft erzeugt, die die gewünschte Verformung der Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylinders 4 in Richtung der Stange 2 bewirkt. Der Pressring 5 dient darüber hinaus der statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes 9 zwischen der Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylinders 4 und der den Hochdruckraum 31 begrenzenden Innenwand 32 des Gehäuses 3.

Wie in den Figuren 1 bis 3 weiter gezeigt ist, ist an der Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylinders 4 nahe der hochdruckseitigen Stirnfläche 45 ein Dichtring 7 zur statischen Abdichtung des ersten Ringspaltes 9 aufliegend angeordnet. Dieser Dichtring 7 verhindert somit eine Beaufschlagung des Ringspaltes 9 mit dem im Hochdruckraum 31 vorherrschenden Druck.

Weiter weist der Dichtzylinder 4 wenigstens einen sich von seiner Mantelau ßenfläche 42 zu seiner Mantelinnenfläche 41 erstreckenden Verbindungskanal 43 auf, über die der erste Ringspalt 9 mit dem zweiten Ringspalt 10 miteinan derfluidoffen verbunden sind.

Dies ermöglicht die Beaufschlagung des ersten Ringspaltes 9 mit dem Druck, wie er auf Höhe der Verbindungskanal 43 im als Drosselspalt ausgeführten zweiten Ringspalt 10 auf Höhe der Verbindungskanal 43 ansteht.

Dadurch wirkt nach wie vor auch auf die Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylin ders 4 ein vorbestimmter Druck als Ausgleich zu dem in dem zweiten Ringspalt 10 vorherrschenden Druck, der eine funktionseinschränkende Verformung des Dichtzylinders 4 im Bereich der Ringspalte 9, 10 verhindert oder zumindest stark reduziert. Als funktionseinschränkende Verformung wird dabei insbeson dere eine Verformung des Dichtzylinders 4 in radialer Richtung hin zur Mantel fläche der Stange 2 verstanden, die zu einem Klemmen der Stange 2 führen könnte.

Durch die beidseitige Abdichtung des ersten Ringspaltes 9, bewirkt durch den Pressring 5 und den Dichtring 7 und die Verbindungskanal 43 im Dichtzylinder 4, wird so ein gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten System ver bessertes Druckgleichgewicht beidseits der Zylindermantelfläche des Dichtzy linders 4 geschaffen, was eine Vielzahl von Materialien für den Dichtzylinder 4 ermöglicht.

Der Verbindungskanal 43 ist bevorzugt in einem Bereich des Mantels des Dichtzylinders 4 zwischen dem Pressring 5 und dem Dichtring 7 eingebracht, wobei der Verbindungskanal 43 um wenigstens 10%, bevorzugt um wenigstens 25 % der Distanz zwischen dem Pressring 5 und dem Dichtring 7 von dem Pressring 5 oder dem Dichtring 7 entfernt ist. Die Positionierung des Verbin dungskanals hängt dabei insbesondere von der Materialauswahl für den Dicht zylinder 4 ab.

Bei den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsvarianten ist die Verbin dungskanal 43 etwa mittig zwischen der niederdruckseitigen Stirnfläche 44 und der hochdruckseitigen Stirnfläche 45 eingebracht.

Denkbar sind auch mehrere Verbindungskanäle 43, die sich in der gleichen ra dialen Ebene des Dichtzylinders 4 erstrecken.

Der Dichtzylinder 4 ist bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff, Hartmetall,

Stahl, insbesondere Edelstahl, Bronze oder einem Kunststoff oder auch einem Mischwerkstoff aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien ge fertigt. Je nach Auswahl des Materials oder Materialgemisches bzw. E-Modul des Materials, aus dem der Dichtzylinder gefertigt ist, wird der Verbindungska nal so platziert, dass eine Verformung des Dichtzylinders 4 in einem Bereich entfernt von dem Pressring 5 verhindert wird.

In Figur 2 ist beispielhaft der an den Mantelflächen des Dichtzylinders 4 anlie gende Druck im Druckhub der Stange 2 schematisch dargestellt.

Wie bereits weiter oben ausgeführt, nimmt der auf die Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylinders 4 wirkende Druck pi in dem zweiten Ringspalt 10 von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin ab.

Der an der Mantelaußenfläche 42 anliegende Druck p _a ist durch die durch den Pressring 5 und den Dichtring 7 bewirkte Abdichtung des ersten Ringspalts 9 konstant und entspricht dem Druck an der Mantelinnenfläche 41 des Dichtzy linders 4 auf Höhe der Verbindungskanal 43.

Dies bewirkt, dass insbesondere nahe dem niederdruckseitigen Ende des ers ten Ringspaltes 9 eine deutlich abgeschwächte Druckdifferenz gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten System, bei dem auch im Bereich des niederdruckseitigen Endes des ersten Ringspaltes 9 noch der volle hochdruck seitige Druck anliegen würde.

Außerdem bewirkt der reduzierte, an der Mantelaußenfläche 42 anliegende Druck p _a eine geringere Belastung des Pressrings 5. Figur 3 zeigt eine der Figur 2 entsprechende Darstellung der Anordnung wäh rend eines Saughubs der Stange 2, bei der der hochdruckseitige Druck deutlich geringer ist und dementsprechend der Druck pi auf der Mantelinnenfläche 41 des Dichtzylinders 4 im zweiten Ringspalt 10 nahezu durchgängig konstant ist und entsprechend auch der an der Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylinders 4 anliegende Druck p _a entsprechend geringer ist.

Bei den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Stange 2 als Plunger eines Flochdrucksystems ausgebildet, wobei am hochdruckseiti gen Ende der Stange 2 ein Ventilsitz 12, bevorzugt mit einem Säugventil und einem Druckventil, angeordnet ist.

Zur Führung der Stange 2 auf der Hochdruckseite jenseits des Dichtzylinders 4 ist bevorzugt eine Hülse 13 vorgesehen, die einer weiteren Reduzierung des mit flüssigem Medium gefüllten Hochdruckraums 31 dient. Zur Aufnahme des Dichtrings 7 ist, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, nahe der hochdruckseiti gen Stirnfläche 45 des Dichtzylinders 4 eine Ringaufnahme 47 in der Mantel außenfläche 42 des Dichtzylinders 4 angeformt.

Diese Ringaufnahme 47 ist hier bevorzugt als sich von der hochdruckseitigen Stirnfläche 45 des Dichtzylinders 4 in die Mantelaußenfläche 42 des Dichtzylin ders 4 erstreckende Stufe ausgebildet.

Weiter ist die hochdruckseitige Stirnfläche 45 des Dichtzylinders 4 bevorzugt mit einer Ringkappe 6 abgedeckt.

Bezugszeichenliste

2 Stange, Stange

21 Mantelfläche

22 Führungsraum

23 Hochdruckbereich

3 Gehäuse

31 Hochdruckraum

32 Innenwand

33 Stufe

34 Stufe

35 Niederdruck-Stirnseite

4 Dichtzylinder

41 Mantelinnenfläche

42 Mantelaußenfläche

43 Verbindungskanal

44 Stirnseite

45 Stirnseite

46 Kragen

47 Ringaufnahme

5 erster Pressring

6 Ringkappe

7 zweiter Pressring

8 Niederdruckbereich

9 erster Ringspalt

10 zweiter Ringspalt

11 Druckring

12 Hochdruckdüse

13 Hülse

14 Leckagekanal

T Translationsrichtung

X Richtung

Y Richtung

Z Richtung

Pi Druck im zweiten Ringspalt p _a Druck im ersten Ringspalt