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Durch eine Rollmembran hergestellte Abdichtung zwischen einem Zylinder
bzw. einem Gehäuse und einem bzw. einer darin bewegbaren Kolben oder Stange Die
Erfindung bezieht sich auf eine durch eine Rollmembran hergestellte Abdichtung zwischen
einem Zylinder bzw. einem Gehäuse und einem bzw. einer darin bewegbaren Kolben oder
Stange, wobei die Rollmembran auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite zusammen
mit Wandteilen von Zylinder und Kolben bzw. Stange und Gehäuse einen Raum einschließt.
Es ist weiterhin bekannt, diesen Raum zur Abstützung der Rollmeinbran gegenüber
dem Druck des Arbeitsmediums mit einem inkompressiblen fließfähigen Medium zu füllen.
Bei dieser Bauart sind zwei Rollmembranen axial hintereinander angeordnet, wobei
ihre Krümmungen in entgegengesetzer Richtung derart verlaufen, daß ein Raum zwischen
ihnen abgeschlossen ist, der mit Stützflüssigkeit gefällt ist. Bei einem Druck des
Arbeitsmediums von außen auf eine der Membranen führt dieser Druck jedoch zu einer
Stauchung dieser Rollmembran und über die Stützflüssigkeitsfüllung zu einer Drehung
der anderen. Wenn bei derartigen Anordnungen im Betrieb auch eine Verteilung der
Belastung auf zwei Membranen erfolgt, so werden die Membranen dennoch verformt und
sind daher nicht in dem Sinne abgestützt, daß sie keiner Drehungs-oder Stauchungsbeanspruchung
ausgesetzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, die Ab-
stützung der Rollmembran
derart vorzuziehen, daß sie im Betrieb keinen Längenänderungen unterworfen ist und
daher bei langer Lebensdauer hohen Drücken widerstehen kann. Dieser Aufgabe wird
gemäß der Erfindung dadurch entsprochen, daß bei der eingangs umschriebenen Abdichtung
der Durchmesser des zwischen Zylinder und Kolben bzw. Gehäuse und Stange liegenden,
den mit Stützmedium gefüllten Raum abgrenzenden Abdichtspaltes eine solche Größe
aufweist, daß er einem Durchmesser entspricht, der den von der Rollmembran überdeckten
Ringspalt in zwei gleiche Ringflächen teilt. Infolge des Druckes des Mediums in
dem auf der anderen Seite der Membran liegenden Raum wird diese gegen das inkompressible
Medium gedrückt, so daß dieses Mittel selbst als Abstützung dient und dadurch die
Membran weitgehend von Spannungen entlastet wird. Zufolge der Abmessung des Abdichtspaltes
bleibt das Volumen des mit Stützmedium gefüllten Raumes beim Bewegen des Kolbens
bzw. der Stange konstant bei konstanter Länge der Rollmembran. Eine Folge hiervor
ist, daß die Rollmembran eine lange Lebensdauer hat. Die konvexe Seite der Membran
kann hierbei entweder dem Raum mit dem inkompressiblen Medium zugewendet oder von
diesem abgewendet sein. Das inkompressible Medium kann aus verschiedenen Werkstoffen
bestehen. Von diesen Stoffen wird gefordert, daß sie ausreichende Eigenschaften
haben, um den Formänderungen des dieses Medium enthaltenden Raumes zu folgen. Als
solches Medium kann z. B. eine Masse aus einem körnigen, festen Stoff verwendet
werden. Es kann zu diesem Zweck jedoch vorteilhaft eine Flüssigkeit verwendet
werden.
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Für die Zufuhr für das inkompressible Medium bzw. zu dessen Ergänzung
ist in bevorzugter Ausführungsform eine Flüssigkeitspumpe und überdies eine auf
den auf die Membran wirkenden Druckunterschied ansprechende Regelvorrichtung vorgesehen,
durch welche die Abfuhr eines Überschusses des inkompressiblen Mediums steuerbar
ist. Unter Umständen wird aus dem Raum mit dem inkompressiblen Medium Flüssigkeit
weglecken. Da die Menge der wegleckenden Flüssigkeit in den meisten Fällen schwer
festzustellen ist, läßt sich die Zufuhr der richtigen Menge des Mediums nicht
leicht
durchführen. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird ein überschuß an
Flüssigkeit zugeführt, wobei die überschüssige Flüssigkeitsmenge durch die Regelvorrichtung
abgeführt wird.
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Die Abfuhr einer überschüssigen Flüssigkeitsmenge beseitigt noch eine
zweite Schwierigkeit; sie verhindert vor allem, daß sich bei einer eventuell auftretenden
Gasdiffasion durch die Membran in dem Stützflüssigkeitsrauin Gasblasen ansammeln
können; denn diese werden mit der überschüssigen Flüssigkeitsmenge abgeführt. Die
Anwesenheit von Gasblasen würde eine unerwünschte nachgiebige Abstützung und somit
Längenänderungen der Meinbran zur Folge haben.
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Zusammen mit der abgeführten überschüssigen Flüssigkeit wird
auch das darin aufgelöste Gas abgeführt. Die abgeführte Flüssigkeit wird durch neue,
kein Gas enthaltende Flüssigkeit ersetzt, so daß sich im Unterstützungsraum keine
Dampfblasen bilden werden.
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Die erwähnte Regelvorrichtung kann durch eine Regelklappe gebildet
sein, welche dabei derart eingestellt wird, daß ein konstanter Druckunterschied
auf der Rollmernbran beibehalten wird.
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In einer weiteren Ausführungsforin ist die konvexe Seite der aus einem
Elastomer bestehenden Membran dem Raum mit dem inkompressiblen Medium zugewandt
und die Regelvorrichtung als Abflußleitung ausgebildet, deren in dem einen oder
anderen der beiden gegeneinander abzudichtenden Maschinenteile vorgesehene öffnung
derart angeordnet ist, daß sie von der Membran an der einen bzw. anderen Endstellung
der gegeneinander abzudichtenden Teile bei einer zu großen Stützflüssigkeitsmenge
geringfügig freigelegt ist. Vorzugsweise ist in der in dem Maschinenteil enthaltenen
öffnung ein poröser, für das Medium durchlässiger Wandteil vorgesehen.
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Die Membran kann aus einem Elastomer hergestellt sein, also einem
Stoff, der gummiartige Eigenschaften aufweist und beispielsweise aus Gummi oder
einem Kunststoff mit entsprechenden Eigenschaften besteht, wie solcher unter dem
Warennamen »Vulkollan« im Handel ist. Zweckmäßig ist die Membran in an sich bekannter
Weise mit einer verhältnismäßig dünnen Haut diffusionswehrenden Materials überzogen.
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Die Flüssigkeitspumpe kann in bekannter Weise als in Richtung auf
den Stützflüssigkeitsraum pum-
pender Dichtungsring ausgebildet sein, der-im
Abdichtspalt angeordnet ist. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger in den
Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die zu den Zeichnungen gehörenden Figuren zeigen jeweils eine Stange,
die auch ein Kolben sein kann, in einem sie -umgebenden Gehäuse, das auch ein Zylinder
sein kann, wobei zwischen Stange und umgebendem Gehäuse ein mit inkompressiblem
Medium ausgefüllter Raum vorhanden ist, der durch eine Rollmembran begrenzt und
abgedichtet ist. Die jeweiligen Ausführungsformen sind in den F i g. 1, 2,
3, 4, 5 a, 5 b, 5 c, 6 und 7 jeweils im Querschnitt
veranschaulicht. In den F i g. 6 und 7 sind zusätzlich unterschiedliche
Regelvorrichtungen zum Regulieren der Stätzflüssigkeitsmenge dargestellt.
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F i g. 1 zeigt eine Rollmembran, die zwischen zueinander beweglichen
Einzelteilen 32 und 33 ange-'bracht ist und die Räume 1 und
II voneinander trzimt. Teil 32 kann eine Gleitbuchse, Teil 33 eine
darin bewegliche Stange darstellen. Im Raum I befindet sich ein flüssiges oder gasförmiges'Medium,
der Raum II ist mit inkompressiblem Mittel gefüllt. Die Wandteile a,
b, c des Teiles 33 einerseits und d, g, f des Teiles
32 andererseits stellen einen Teil der Begrenzung des Raumes II dar und sind
derart gestaltet, daß bei der gegenseitigen Bewegung der Teile 32 und
33 das Volumen des Raumes II konstant bleibt, ohne daß sich die Länge des
dargestellten Querschnittes der Rollmernbran 31 ändert. In dem Raum II ist
nur eine solche Menge inkompressiblen Mittels vorhanden, daß infolge des im Raum
I vorherrschenden Druckes die Rollmernbran eine verhältnismäßig geringe Spannung
hat. Diese Spannung bleibt auch, abgesehen von etwaiger Alterung der Membran, während
des Betriebes der Vorrichtung konstant. Zwischen der Buchse 32 und der Stange
33 befindet sich ein in den Raum II ausmündender Abdichtungsspalt
38. Diese Anordnung und Abstützung der Membran hat den Vorteil, daß die Abdichtung
ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer der Membran bei sehr hohen Drücken und großen
Druckänderungen im Raum I anwendbar ist; diese Drücke werden durch die Rollmeinbran
auf das inkompressible Mittel im Raum II übertragen.
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Die Ausführungsforin der F i g. 2 mit einer Rollinembran 41
zwischen den Teilen 42 und 41 ist grundsätzlich der Ausführungsform nach Fig.
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ähnlich, nur haben die Wandteile a, b, c des Teiles 43 und
d, f, g des Teiles 42 eine etwas andere Gestalt. Auch
hier gilt die )Bedingung, daß bei der gegenseitigen Bewegung der Teile 42 und 43
das Volumen des Raumes II bei gleichbleibender Länge des Querschnitts der Rollmembran
41 konstant bleiben soll. Auch bei dieser Ausführungsform befindet sich zwischen
der Buchse 42 und der darin gleitbar geführten Stange 43 ein in den Raum II ausmündender
Abdichtungsspalt 48.
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Bei den Ausführungsformen nach den F ig. 3
und 4 ist eine Rollmeinbran
51 zwischen den zueinander beweglichen Teilen 52 und 53 angebracht.
Die Rollmembran trennt dabei die Räume 1 und II, wobei sich im Raum
1 ein flüssiges oder gasförmiges Medium unter Druck befindet; in den ein
inkompressibles Mittel enthaltenden Raum 11 mündet ein Spalt 58 aus. Der
Teil 53 besteht hier aus zwei zylindrischen Teilen mit konstanten, aber gegenseitig
verschiedenen Durchmessern #, und d.. Der Teil 52
ist am Innenumfang
mit zwei zylindrischen Wandteilen d. und d2 versehen. Für diese Durchmesser
gilt diJBeziehung
Es wird auf diese Weise erreicht, daß die Oberflächen der Wandteile h-k und 1-m
des Raumes U
einander gleich sind, da, wenn der Teil 53 sich über einen
Abstand y nach oben verschiebt, die Rollmembran 51 die in F i
g. 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutete Lage einnimmt, also ein Punkt
P dieser Membran sich dann nur über einen Abstand 1/2 y nach oben bewegt.
Dies führt zu einer Volumenvergrößerung des Raumes II, die gleich ist
Die Hubbewegung des Teiles 53 führt auch zu einem Anstieg des zylindrisehen
Teiles mit dem
Durchmesser d., wodurch eine Volumenverkleinerung
des Raumes II herbeigeführt wird. Diese Verkleinerung des Volumens entspricht
Daraus ergibt sich, daß die Volumenvergrößerung infolge der Membranenverschiebung
gerade ausgeglichen wird durch die Volumenverkleinerung infolge der Verschiebung
des Teiles 53. Auf diese Weise wird durch eine äußerst einfache Formgebung
der Teile 52 und 53 erreicht, daß das Volumen des Raumes II bei gleichbleibender
Länge des dargestellten Querschnittes der Rollmembran konstant bleibt.
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Obiges gilt für die Ausführungsform der F i g. 3
und auch für
die der F i g. 4. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen
ist der, daß in F i g. 3 die Membran mit ihrer konvexen Seite dem Raum II
zugewendet, in der Ausführungsform nach F i g. 4 mit ihrer konvexen Seite
von diesem Raum abgewendet ist. Dies hat zur Folge, daß bei der Vorrichtung nach
F i g. 3 die Membran eine geringe Spannung hat, indem ün Raum II etwas weniger
Mittel eingebracht wird, als der Länge der Membran in dem entspannten Zustand entsprechen
würde, während in der Vorrichtung nach F i g. 4 die Membran gespannt wird,
indem eine kleinere zusätzliche Menge des Mittels in dem Raum II vorgesehen wird,
als der Länge der Membran im nicht gespannten Zustand entsprechen würde, so daß
die Membran durch das inkompressible Mittel gespannt wird.
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Weitere mögliche Ausführungsbeispiele zeigen die F i g. 5 a,
5 b und 5 c. Die Rollmerabran 71 ist dabei gleichfalls zwischen
den zueinander beweglichen Teilen 72 und 73 angebracht und trennt
den Raum I vom Raum II. Diese Ausführungsformen arbeiten alle nach demselben Prinzip
wie die in F i g. 3 und 4 dargestellten Abdichtungen. Die unterhalb der Membran
71 liegenden festen Wandteile der Gleitbuchse 72 und der Stange
73, welche einen Teil der Begrenzung des mit einem Abdichtungsspalt
78 in Verbindung stehenden Raumes II bilden und welche der Membran zugewendet
sind, nehmen in einer Projektion zu einer zur Achse der Vorrichtung senkrechten
Ebene gleiche Oberflächen ein. In F i g. 5 a sind diese die Wandteile q,
t und u, x, die ihrer Projektion in einer zur Achse der Vorrichtung
senkrechten Ebene entsprechen. In F i g. 5 b sind diese die Wandteile q,
r, s, t und u, v, w, x, die in einer Projektion die einander gleichen
Oberflächen q', s, t
und u, v, x' liefern, während dies in F i
g. 5 c die Wandteile q, t und u, x sind, welche in Projektion
die gleichen Oberflächen q', t und u, x' liefern.
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Um zu erreichen, daß die Projektionen der erwähnten Wandteile in jeder
Ausführungsforrn einander gleich sind, muß für die Durchmesser d" d2
und
d. der zylindrischen Teile der Teile 72 und 73
wieder die gleiche
Beziehung gelten wie bei der Ausführungsform nach F i g. 3.
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In F i g. 6 ist eine Rollmembran 81 zwischen den zueinander
hin- und herbeweglichen Teilen 82 und 83 angeordnet. Auch hier trennt
die Rollmembran den Raum I vom Raum H, von denen der Raum I ein unter Druck stehendes
Medium und der Raum II ein inkompressibles Mittel enthält. Auch bei dieser Vorrichtung
sind die steifen Wandteile a, b, c und d, f, g, h,
i, die einen Teil der Begrenzung des Raumes II bilden, derart gestaltet, daß
das Volumen des Raumes II bei der gegenseitigen Bewegung der Teile 82 und
83 bei gleichbleibender Länge der Membran 81 konstant bleibt. Weiter
ist in der Vorrichtung ein ölabstreifring 84 vorgesehen, der bei der Aufwärtsbewegung
der Stange 83 dem Raum 11 Öl zuführt. Die Gleitbuchse 82 enthält
eine nach der Innenseite hin offene Kammer 89, die durch einen porösen Pfropfen
85 geschlossen ist und an die eine Abfuhrleitung 86 anschließt, die
in einen ölbehälter 87 ausmündet, aus dem der Ölabstreifring 84 durch einen
Abdichtspalt 88 das Öl zieht.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Der ölabstreifring
84 pumpt durch den Spalt 88
hindurch Öl in den Raum 11. Wenn
die eingepumpte Menge gerade der aus dem Raum 11 wegleckenden Menge entspricht,
so geschieht nichts, da das Volumen des öls im Raum II dann konstant gehalten wird.
Wird jedoch ein überschuß dem Raum 11 zugeführt, so nimmt die öhnenge in
dem Raum II zu, wodurch die Membran über einen geringeren Abstand gegen die Wände
gedrückt wird. Infolgedessen wird ein Teil des porösen Wandteiles 85 freigegeben,
so daß das Öl durch die Abfuhrleitung 86 zurück nach dem Behälter
fließen kann. Die Lage der Kammer 89 mit der anschließenden Abfuhrleitung
86 ist in bezug auf die Stange 83 derart gewählt, daß die Membran
die Kammeröffnung in der Endstellung der beiden Maschinenteile nur dann freigibt,
wenn im Stützflüssigkeitsraum eine überschüssige Flüssigkeit vorhanden ist. Die
auf diese Weise erzielbare Regelung erlaubt es, die Membranlänge nahezu konstant
zu halten.
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Statt eines Olabstreifringes kann auch eine übliche Flüssigkeitspumpe
für die Ölzufuhr verwendet werden.
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Der poröse Pfropfen 85 kann aus jedem beliebigen Material bestehen;
vorzugsweise kommt hierfür poröses Sintermaterial zur Verwendung. Gegebenenfalls
kann das poröse Material auch weggelassen werden, so daß dann eine unabgedeckte
Abfuhröffnung vorliegt.
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F i g. 6 zeigt den Fall, in dem der ölabstreifring in der Gleitbuchse
82 untergebracht ist; doch kann er ebensogut in der beweglichen Stange
83 vorgesehen sein.
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Die in F i g. 7 gezeigte RoHmembran 91 ist zwischen
einem Zylinder 92 und einem darin hin- und herbewegbar angeordneten Kolben
93 angebracht. Auch hier trennt die Membran einen Raum I oberhalb des Kolbens
von einem Raum II unterhalb der Membran, welcher Raum wieder ein konstantes Volumen
hat und mit einem inkompressiblen Mittel, in diesem Falle z. B. Schmieröl, gefüllt
ist. In dem Raum I befindet sich ein Medium, das in diesem Falle Druckänderungen
unterworfen ist. Der Zy-
linder 92 ist weiter mit einem Einlaß- und
Auspuffventilgehäuse 95 und 96 versehen. In einem unterhalb des Raumes
II vorgesehenen Abdichtspalt 108
ist ein ölabstreifring 94 angeordnet, über
den dem Raum II Öl zugeführt wird; weiter sind zwei Leitungen 97 und
98 vorgesehen, die in die Räume I bzw. II einmünden und andererseits beidseitig
einer in einem Gehäuse 99 angeordneten Membran 100
ausmünden, an der
eine Klappe 101 befestigt ist, welche die Öffnung einer ölabfuhrleitung 102
verschließen
kann. Die Membran 100 -unterliegt weiter dem
Druck einer Druckfeder 103.
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Bei dieser Vorrichtung wird dem Raum U über den Spalt
108 und den Ölabstreifring 94 Öl zugefüh,rt. Die zugeführte Menge
ist mindestens gleich der ölmenge, die durch Undichten aus dem Raum II entweicht.
Infolgedessen kann das Volumen des im Raum II vorhandenen öls zunehmen, wodurch
dann der Druckunterschied auf der Rollmembran 91 kleiner wird. Der sich auf
der Rollmeinbran 91 auswirkende - Druckunterschied ist auch auf der
Meinbran 100 wirksam. Wenn der Druckunterschied auf dieser Membran unterhalb
eines bestimmten Wertes sinkt, wird die Klappe 101 unter der Wirkung der
Druckfeder 103 gehoben. Durch die Abfuhrleitung 102 kann dann eine solche
Ölmenge wegfließen, bis der Druckunterschied zwischen den Drücken in den Räumen
1 und U wieder den gewünschten Wert erreicht hat.
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Obgleich die Rollmembran meistens, aus einem elastischen Stoff hergestellt
ist, kann in dieser Vorrichtung eine Rollmeinbran genügen, die lediglich in der
Umfangsrichtung elastisch ist. Die Elastizität spielt, wie dies aus den vorstehenden
Ausführungen ersichtlich ist, keine Rolle bei-in Konstanthalten des Volumens des
Raumes II und ebensowenig beim Konstanthalten des auf der Rollmeinbran wirksamen
Druckunterschiedes.