DE60318511T2

DE60318511T2 - Gleitelement

Info

Publication number: DE60318511T2
Application number: DE60318511T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Sakado-shi Tejima
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: DE60318511D1; US7500676B2; JP4205910B2; JP2004003578A; EP1350996A2; US20030189294A1; EP1350996B1; EP1350996A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein sich relativ drehendes Gleitelement. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Gleitelement, das den Reibungskoeffizienten auf seiner Gleitfläche vermindert und eine wirkungsvolle Dichtung für ein Prozessfluid auf der Gleitfläche zur Verfügung stellt.
Eine gattungsgemäße Gestaltung der vorliegenden Erfindung für ein Element aus gesintertem Siliciumcarbid wird in US-A-5 080 378 gefunden. Die Beschreibung und die Zeichnungen zeigen eine mechanische Dichtung auf, deren Schnittbild in 8 gezeigt wird.
Die mechanische Dichtung wird in Pumpen, Kühlschränken oder dergleichen verwendet.
In 8 ist eine mechanische Dichtung 100 zwischen einer drehbaren Welle 130 und einem Gehäuse 140 angeordnet. Die mechanische Dichtung 100 wird zum Abdichten eines Fluids in Pumpen, Kühlschränken oder dergleichen verwendet.
In dieser mechanischen Dichtung 100 wird ein Dichtring 101 aus gesintertem porösen Siliciumcarbid auf der drehbaren Welle 130 angebracht. Der drehbare Dichtring 101 enthält eine Dichtfläche 102 auf seiner seitlichen Oberfläche. Des Weiteren sind Dichtringe 120A, 120B in einer Stufenschulter 103 der zum Innendurchmesser gehörenden Oberfläche des drehbaren Dichtrings 101 angeordnet, um gegen die drehbare Welle 130 abzudichten. Die Dichtringe 120A, 120B werden durch einen Stopfbuchsenring 105 zusammengedrückt und dichten die Grenzfläche der drehbaren Welle 130 und dem Dichtring 101 ab. Ein Stützring 109, der auf der drehbaren Welle 130 mittels einer Buchsenschraube 108 befestigt ist, stützt ein Federelement 106, und der Stopfbuchsenring 105 wird von dem Federelement 106 federnd angepresst. Eine gegenüberliegende Dichtfläche 111, die einen gleitbar dichtenden Kontakt mit der Dichtfläche 102 bildet, ist an einem feststehendem Ring 110 angeordnet. Der feststehende Ring 110 wird durch O-Ringe 115, 115 gegenüber einer Bohrung des Gehäuses 140, durch das sich die drehbare Welle 130 erstreckt, gesichert. Dieser feststehende Ring 110 ist aus Kohlenstoff hergestellt. In einer herkömmlichen mechanischen Dichtung 100, die so wie oben erwähnt angeordnet ist, gleiten der Dichtring 101 und der feststehende Dichtring 110 aneinander, während sie die Dichtung dazwischen aufrecht erhalten, um eine Seite mit einem höheren Druck P1 von einer Seite mit einem niedrigeren Druck P2 abzudichten.
Der Dichtring 101 hat einen Körper aus gesintertem Siliciumcarbid, in dem kugelförmige Poren, deren durchschnittlicher Durchmesser sich im Bereich von 0,010 mm bis 0,040 mm bewegt, in seiner kristallinen Struktur verteilt sind und ein Schmierstoff, der sich innerhalb der Poren befindet, verbessert seinen Gleitwiderstand.
Die Poren, die in der Gleitfläche des Körpers aus gesintertem Siliciumcarbid angeordnet sind, werden hergestellt, indem Polystyrol Kügelchen in einem Prozess vor dem Sintern hinzugefügt werden und dann bei einem temporären Sintern aufgelöst und sublimiert werden. Dieser Prozess stellt einen Körper aus gesintertem Siliciumcarbid mit einer Vielzahl von Poren, die von einander getrennt und innerhalb der kristallinen Struktur der Kristallkörner verstreut sind, zur Verfügung. Vom Standpunkt der Fertigung betrachtet, erzeugen Schwierigkeiten bei Hochdruckformen eine Verminderung an Maßgenauigkeit des geformten Produktes.
Außerdem vermindern die Polystyrol Kügelchen, die beim Sinterverfahren aufgelöst wurden, die Festigkeit des gesinterten Materials als Gleitelement. Diese Poren sind einfach zufällig auf der Gleitfläche angeordnet und ein reines Erhalten des Schmierstoffes in den Poren vermindert den Reibungskoeffizienten der Gleitfläche nicht wie erwartet.
Es gibt eine verbesserte Ausführung der mechanischen Dichtung, wie in 9 gezeigt, welche die zuvor erwähnten Probleme in Bezug auf die Festigkeitsabnahme und das Ausströmen des Prozessfluid eines Gleitelements verringert.
Diese mechanische Dichtung hat den gleichen Aufbau wie die in 8 gezeigte. Die Gleitfläche eines feststehenden im Gehäuse gehaltenen Ringes, der nicht in der Figur gezeigt wird, bildet einen Dichtungskontakt mit der Gleitfläche eines angetriebenen, fest an der drehbaren Welle befestigten, in 9 gezeigten Ringes, um ein Prozessfluid abzudichten.
Die Gleitfläche 155A des angetriebenen Ringes 155 enthält viele konkave Wölbungen 156. Mindestbreite der konkaven Wölbung 156 liegt in einem Bereich von 30 × 10^–6 m bis 100 × 10^–6 m, während die Höchstbreite in einem Bereich von 60 × 10^–6 m bis 500 × 100^–6 m beträgt. Zudem beträgt die Höchstbreite mehr als das Doppelte der Abmessung der Mindestbreite. Die konkaven Wölbungen 156 sind bezüglich auf eine Drehrichtung der Gleitfläche 155A willkürlich ausgerichtet.
Die konkaven Wölbungen 156 dienen zu dem Zweck, ein Prozessfluid, das zwischen der Gleitfläche 155A des angetriebenen Ringes 155 und der Gleitfläche des feststehenden Ringes gelangt, zurückzuhalten. Das bedeutet, dass das Prozessfluid, das von der äußeren Umfangsseite des angetriebenen Ringes eindringt, in der konkave Wölbung 156 gefangen und gespeichert wird, bevor das Fluid den inneren Umfangsrand erreicht. Das in der konkaven Wölbung 156 gespeicherte Fluid wird auf Grund der Viskosität des Fluids und der Drehbewegung des angetriebenen Ringes in die rückwärts gerichtete Umfangsrichtung der konkaven Wölbung 156 gedrückt und ein Teil des Fluids, das die Aufnahmekapazität der konkaven Wölbung übersteigt, fängt an, von dem äußeren Umfangsrand der konkaven Wölbung 156 aus zu entweichen, wobei dieser Teil des Fluids sich zwischen den relativ zueinander gleitenden Flächen bewegt und schließlich von einer benachbarten konkaven Wölbung 156 eingefangen wird.
Somit wird das Prozessfluid zu dem äußeren Umfangsrand und in die Rückwärtsrichtung bezüglich der Drehbewegung der Gleitflächen gedrückt.
Die Abmessung der konkaven Wölbung 156 ist so klein, dass nicht nur nicht genug Kraft bereitgestellt werden kann, um das Prozessfluid auf der Gleitfläche zurückzuhalten, sondern auch nicht genug Pumpwirkung erzeugt wird, um das Prozessfluid, von wo es herkommt, zurückzustoßen. Daher kann weder eine Verminderung des Reibungskoeffizienten der Gleitfläche des angetriebenen Rings 156 noch eine Verminderung der Wärmeentwicklung, die auf Gleitreibung zurückzuführen ist, erwartet werden. Es ist ebenfalls schwierig, den Gleitwiderstand im Falle einer langsamen Drehgeschwindigkeit des angetriebenen Rings zu verringern.
Ebenfalls gibt es ein anderes Gleitelement für mechanische Dichtungen nach dem Stand der Technik. An der Gleitfläche eines Gleitelementes für mechanische Dichtungen ist eine Vielzahl von Vertiefungen angeordnet, die wie eine Nut in einer Längsrichtung, die senkrecht zu einer Drehrichtung verläuft, aneinandergereiht sind.
Der dynamische Druck, der durch die Vertiefungen erzeugt wird, ist ziemlich groß. Somit ist ein von dem Fluid gebildeter Schmierölfilm so dünn, dass das Schmieröl, das in den Vertiefungen aufbewahrt wird, nicht langfristig den Reibungskoeffizienten der Gleitflächen verringert.
Die vorliegende Erfindung wird eingeführt, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Ein hauptsächliches technisches Ziel, das diese Erfindung versucht zu erreichen, besteht darin, einen Film des Prozessfluids auf einer Gleitfläche zu bilden, um den Reibungswiderstand zu vermindern und die Dichtungsleistungsfähigkeit zu erhöhen. Ein weiteres Ziel ist es, eine Wärmeentwicklung auf der Gleitfläche zu vermeiden. Noch ein weiteres Ziel ist es, eine Abnutzung der Gleitflächen zu verhindern, um eine langfristige Leistungsfähigkeit der Gleitflächen sicherzustellen.
Noch ein weiteres Ziel ist es, nicht nur eine Verminderung der Dichtungsleistungsfähigkeit des Gleitelementes bei einer langsamen Drehgeschwindigkeit zu vermeiden, sondern auch den Reibungswiderstand bei solch einer langsamen Geschwindigkeit zu verringern.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor genannten technischen Probleme zu beheben und eine Lösung für solche Probleme wird wie folgt ausgeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Gleitelementes, das in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erstellt ist, ist ein Gleitelement, um eine Dichtung gegen ein Prozessfluid zwischen Gleitflächen eines Paares von relativ zueinander gleitenden Komponenten zur Verfügung zu stellen, wobei eine der Komponenten ein feststehendes Gleitelement und die andere ein drehbares Gleitelement ist und das Prozessfluid sich entweder in einem inneren Umfang oder an einem äußeren Umfang der Gleitflächen befindet.
Eine erste Gleitfläche eines Paares Gleitflächen ist auf der Seite des Prozessfluids und eine zweite Gleitfläche ist auf der anderen Seite angeordnet. Die erste Gleitfläche hat Vertiefungen, deren Längrichtung bezüglich einer Tangenten, die bezüglich einer Drehrichtung der Gleitfläche festgelegt wird, geneigt sind. Die zweite Gleitfläche andererseits hat eine ebene Oberfläche oder weist zweite Vertiefungen, die kleiner als die Vertiefungen auf der ersten Gleitfläche sind, auf.
Es soll ebenfalls auf US-A-6 152 452 verwiesen werden, worin die Ausgestaltung einer Flächendichtung gezeigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gleitelement vorgesehen, das Gleitflächenbereiche zum Bereitstellen einer Dichtung gegen ein Prozessfluid, das sich entweder in einem inneren Umfang oder an einem äußeren Umfang der Gleitflächenbereiche befindet, aufweist in Kombination mit einem zweiten Gleitelement, wobei eins der Elemente ein feststehendes Gleitelement und das andere der Elemente ein drehbares Gleitelement ist, wobei sich ein erster Gleitflächenbereich der Gleitflächenbereiche an einer Seite des Gleitelements befindet, um mit dem Prozessfluid zu reagieren; wobei erste Vertiefungen am ersten Gleitflächenbereich angeordnet sind, wobei die maximale Längsrichtung der ersten Vertiefungen in einem schrägen Winkel in Bezug auf eine Tangente eines Drehumfangs des Gleitelements ausgerichtet ist, wobei eine Längsrichtung der ersten Vertiefungen mit dem schrägen Winkel ausgerichtet ist, wobei die ersten Vertiefungen so geneigt sind, dass sich eine Vorderkante jeder ersten Vertiefung in Bezug auf die beabsichtigte Drehrichtung und in Bezug auf die Tangente des Umfangs nahe einem Umfangsrand des Gleitelements befindet, wobei sich der Umfangsrand in Gebrauch zum Prozessfluid hin befindet; und sich ein zweiter Gleitflächenbereich der Gleitflächenbereiche an der radial entgegengesetzten Seite des Gleitelements befindet, um sich vom Prozessfluid entfernt zu befinden, wobei der zweite Gleitflächenbereich entweder eine flache Oberfläche hat oder zweite Vertiefungen aufweist, wobei die zweiten Vertiefungen kleiner als die ersten Vertiefungen sind, wobei die ersten Vertiefungen so angeordnet sind, dass sie radiale Linien bilden, wobei mehrere der radialen Linien entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei entlang jeder der radialen Linien zumindest zwei Vertiefungen angeordnet sind, um mehrere Kreise der ersten Vertiefungen zu bilden, und wobei alle ersten Vertiefungen die gleiche längsgerichtete Länge aufweisen.
Wird der Schmierstofffilm, der auf dem ersten Gleitflächenbereich gebildet wird, mit Hilfe des zweiten Gleitflächenbereiches abgedichtet, so wird erwartet, dass eine verbesserte Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Fluid als auch ein Schmiereffekt vorzuweisen ist. Zusätzlich wird im Falle einer geringen Drehgeschwindigkeit der Gleitfläche nicht nur die Dichtungsleistungsfähigkeit verbessert, sondern auch der Reibungskoeffizient verringert.
Das Gleitelement kann ein Gleitelement sein, das eine Dichtung gegen ein Prozessfluid zwischen Gleitflächen eines Paares von relativ zueinander gleitenden Komponenten zur Verfügung stellt, wobei eine der Komponenten ein feststehendes Gleitelement und das andere ein drehbares Gleitelement ist, und das Prozessfluid sich entweder in dem inneren Umfang oder an dem äußeren Umfang der Gleitflächen befindet. Eine der Gleitflächen, die sich auf der Seite des Prozessfluids befindet, ist eine erste Gleitfläche und die andere, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Prozessfluids befindet, ist eine zweite Gleitfläche. Beide Gleitflächen werden in den Ansprüchen als „Gleitflächenbereiche" bezeichnet. Eine Vielzahl von zumindest einer Sorte von Vertiefungen wird auf der ersten Gleitfläche angeordnet, wobei die Vertiefungen entweder elliptisch oder rechteckig geformt sind und die Längsrichtung der Vertiefungen in Bezug auf eine Tangente, die in Bezug auf die beabsichtigte Drehrichtung der ersten Gleitfläche festgelegt ist, so geneigt ist, dass die Vorderkante jeder Vertiefung entlang ihrer Längsrichtung näher an einem Umfangsrand, der sich auf der Seite des Prozessfluids befindet, liegt. Was die Abmessungen der Vertiefungen betrifft, liegt die Höchstbreite in einem Bereich von 100 × 10^–6 m bis 1000 × 10^–6 m und eine längsgerichtete Länge beträgt mehr als 500 × 10^–6 m, welche sowohl größer als die Breite als auch kleiner als die radiale Länge der ersten Gleitfläche ist. Die Rillentiefe der Vertiefung liegt in einem Bereich von 1 × 10^–6 m bis 25 × 10^–6 m und die zweite Gleitfläche hat entweder eine ebene Oberfläche oder weist zweite Vertiefungen auf ihrer Fläche auf, die kleiner sind als die Vertiefungen auf der ersten Oberfläche.
In dieser Ausgestaltung des Gleitelementes verringern die auf der ersten Gleitfläche angeordneten Vertiefungen den Reibungskoeffizienten der Gleitfläche und von dem Schmierstofffilm, der auf der ersten Gleitfläche gebildet wird und der von der zweiten Gleitfläche abgedichtet wird, wird erwartet, sowohl eine verbesserte Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Fluid als auch einen Schmiereffekt aufzuweisen.
Daher wird der Reibungskoeffizient der Gleitfläche verringert, während die Dichtungsleistungsfähigkeit der Gleitfläche gegen das Prozessfluid auch erhöht wird. Insbesondere weist das Gleitelement sowohl eine gute Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Fluid als auch einen verringerten Reibungskoeffizienten bei einer geringer Drehgeschwindigkeit auf.
Das Gleitelement kann ein Gleitelement sein, das eine Dichtung gegen ein Prozessfluid zwischen Gleitflächen eines Paares von relativ zueinander gleitenden Komponenten zur Verfügung stellt, wobei eine der Komponenten ein feststehendes Gleitelement und die andere ein drehbares Gleitelement ist und sich das Prozessfluid entweder in einem inneren Umfang oder an einem äußeren Umfang der Gleitflächen befindet. Eine der Flächen ist eine erste Gleitfläche und zweite Gleitflächen sind auf beiden Seiten der ersten Gleitfläche angeordnet. Eine Vielzahl von zumindest einer Sorte von Vertiefungen wird auf der ersten Gleitfläche angeordnet, wobei die Vertiefungen entweder elliptisch oder rechteckig geformt sind und die Längsrichtung der Vertiefungen in Bezug auf eine Tangente, die in Bezug auf die beabsichtigte Drehrichtung der ersten Gleitfläche festgelegt ist, so geneigt ist, dass die Vorderkante jeder Vertiefung entlang ihrer Längsrichtung näher an einem Umfangsrand, der sich auf der Seite des Prozessfluids befindet, liegt. Was die Abmessungen der Vertiefungen betrifft, liegt die Höchstbreite in einem Bereich von 100 × 10^–6 m bis 1000 × 10^–6 m und eine längsgerichtete Länge beträgt mehr als 500 × 10^–6 m, welche sowohl größer als die Breite als auch kleiner als die radiale Länge der ersten Gleitfläche ist. Die Rillentiefe der Vertiefung liegt in einem Bereich von 1 × 10^–6 m bis 25 × 10^–6 m und die zweite Gleitfläche hat entweder eine ebene Oberfläche oder weist zweite Vertiefungen auf ihrer Fläche auf, die kleiner als die Vertiefungen auf der ersten Oberfläche sind.
Diese Ausgestaltung des Gleitelementes saugt oder zieht ein Prozessfluid auf der ersten Gleitfläche an und behält dichtend einen Schmierstofffilm, der auf der ersten Gleitfläche mittels einer zweiten Gleitfläche gebildet wird, um nicht nur einen Schmiereffekt aufzuweisen, sondern auch wesentlich die Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Prozessfluid durch die erste Gleitfläche und die zweite Gleitfläche, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Fluids befindet, zu erhöhen.
Somit erhöht die Gleitfläche wesentlich ihre Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Prozessfluid. Zur gleichen Zeit kann der abgedichtete Schmierstofffilm einen Reibungskoeffizienten der Gleitfläche verringern. Auch kann im Falle einer geringen Drehgeschwindigkeit der Gleitfläche nicht nur die Dichtungsleistungsfähigkeit erhöht, sondern auch drastisch der Reibungskoeffizient verringert werden.
In jeder der oberen Ausführungsformen kann ein Gleitelement eine Vielzahl von Vertiefungsanordnungen enthalten, wobei jede entlang einer radialen Linie angeordnete Vertiefungen aufweist. Diese Vertiefungsanordnungen sind radial entlang einer Umfangsrichtung angeordnet.
In solch einer Anordnung können auf der ersten Gleitfläche angeordnete Vertiefungen zu der Seite des Prozessfluids geneigt sein und systematisch sowohl in einer radialen Richtung als auch in einer Umfangsrichtung angeordnet sein. Daher fließt das Prozessfluid gleichmäßig auf die Gleitfläche ein und ein einheitlicher Schmierstofffilm des Fluids, der zwischen den Gleitflächen beibehalten wird, wirkt so, das ein niedriger Reibungskoeffizient erhalten bleibt. Die zweiten Dichtflächen erreichen auch eine besondere Dichtungsleistungsfähigkeit.
Das Gleitelement kann zweite Vertiefungen enthalten, deren Form ein Kreis, ein Quadrat, ein Parallelogramm oder ein Rechteck oder ein Ellipsoid ist, der bzw. das mit einer diametralen oder axialen Richtung ausgerichtet ist.
In einem solchen Gleitelement können auf der ersten Gleitfläche angeordnete Vertiefungen gleichmäßig das Prozessfluid auf die Gleitfläche einführen und auf ihr beibehalten und die zweite Gleitfläche kann Vertiefungen anordnen, deren Form ein Kreis, ein Quadrat, ein Parallelogramm oder ein Rechteck oder ein Ellipsoid ist, der bzw. das mit einer diametralen oder axialen Richtung ausgerichtet ist. Daher wird eine Pumpwirkung, um den auf der ersten Gleitfläche eingeführten Schmierstofffilm zu der zweiten Gleitfläche zurückzudrängen, nicht nur die Dichtungsleistungsfähigkeit verbessern, sondern auch den Reibungswiderstand verringern.
Zusätzlich wird die zweite Gleitfläche ihre Dichtungsleistungsfähigkeit mittels kleiner Vertiefungen erhöhen.
Das Gleitelement kann eine erste Gleitfläche aufweisen, die Vertiefungen, deren radiale Breite in Bezug auf die gesamte radiale Breite der Gleitfläche in einem Bereich von 0,25 bis 0,75 liegt, anordnet.
In einem solchen Gleitelement, wo die radiale Breite der ersten Gleitfläche in Bezug auf die gesamte radiale Breite der Gleitfläche in einem Bereich von 0,25 bis 0,75 liegt, ist der Reibungswiderstand um 40 bis 60% im Vergleich zu dem der ebenen Gleitfläche verringert und eine Dichtungsleistungsfähigkeit ist auch verbessert.
Um die Erfindung besser verstehen zu können und um zu zeigen, wie dieselbe verwirklicht werden kann, wird nun Bezug auf die beigefügten Zeichnungen als Beispiel genommen, wobei
1 eine Vorderansicht einer Gleitfläche eines Gleitelementes, das ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, ist;
2 eine Vorderansicht einer Gleitfläche eines Gleitelementes, das ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, ist;
3 eine Vorderansicht einer Gleitfläche eines Gleitelementes, das ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, ist;
4 eine vergrößerte Draufsicht einer einzelnen Vertiefung aus den Vertiefungen, die auf einer Gleitfläche eines Gleitelementes angeordnet sind, ist;
5 eine Schnittansicht durch eine Prüfvorrichtung, um ein Gleitelement zu beurteilen, ist;
6 eine Vorderansicht einer Gleitfläche eines Gleitelementes, das ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, ist;
7 eine Vorderansicht einer Gleitfläche eines Gleitelementes, das ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, ist;
8 eine Schnittansicht einer mechanischen Dichtung nach Stand der Technik ähnlich der vorliegenden Erfindung, ist; und
9 eine Vorderansicht einer Gleitfläche, die Vertiefungen in einem Gleitelement nach Stand der Technik ähnlich der vorliegenden Erfindung anordnet, ist.
1 zeigt eine Anordnung von Vertiefungen 5, die auf einer Gleitfläche 3 eines Gleitelementes 2 angeordnet sind. Das Gleitelement 2 dichtet ein Prozessfluid, das sich auf einer Seite des Elementes befindet, ab. Das Element ist z. B. in einer mechanischen Dichtung oder dergleichen angebracht.
Auch wird es für ein Lager oder dergleichen benutzt, das von den Gleitbewegungen bezüglich einer sich drehenden Welle beansprucht wird, während ein Schmieröl zwischen den Gleitflächen abgedichtet wird.
Zudem dreht sich das Gleitelement 2 in der in 1 gezeigten Anordnung gegen den Uhrzeigersinn. Das bedeutet, dass dieses Gleitelement 2 die erste Gleitfläche 3A mit Vertiefungen entweder auf der Seite des Prozessfluids oder auf der Seite des Schmieröls anordnet.
Die Gleitfläche 3 des Gleitelementes 2 wird durch einen Umfangsbereich mit einem Radius in einem Bereich von r1 bis rL begrenzt, in welchem ein Teil des Bereiches mit einem Radius von r1 bis r2 eine erste Gleitfläche 3A begrenzt, die Vertiefungen aufweist. Die erste Gleitfläche 3A mit Vertiefungen ordnet Vertiefungen 5 an, die direkt auf dem Gleitelement 2 bereitgestellt werden, beginnend in der Nähe des äußeren Umfangsrands mit dem Radius r1.
Die Vertiefungen 5 sind in einer Draufsicht, bezogen auf die erste Gleitfläche 3A mit Vertiefungen, rechteckig geformt. Diese rechteckige Vertiefung 5 ist so angeordnet, dass eine vorwärts gerichtete oder Vorderkante 5A1 im Bezug auf eine Drehrichtung N (siehe 4) um 30 Grad im Bezug auf eine Tangente für den Kreis mit einer Drehrichtung N nach außen geneigt ist. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 liegt im Bereich von 10 bis 80 Grad, bevorzugt von 16 bis 55 Grad.
Neun so gebildete Vertiefungen 5 legen eine Vertiefungsanordnung 5A fest, in der neun Vertiefungen 5 entlang einer radialen Linie im gleichen Abstand angeordnet sind.
Die Vertiefungen 5 sind weiterhin so angeordnet, dass eine Vielzahl von Vertiefungsanordnungen 5A radial auf der ersten Gleitfläche 3A, wie in 1 gezeigt, angeordnet sind.
Eine ebene zweite Gleitfläche R1, die keine Vertiefungen 5 aufweist, ist an der inneren Umfangsseite der Gleitfläche 3 angeordnet.
Die ebene zweite Gleitfläche R1 wird von einem Bereich mit einem Radius im Bereich von r2 bis rL festgelegt.
Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A (r1 – r2) zur Gleitfläche 3 (r1 – rL) liegt in einem Bereich von (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,25 bis 1, mehr bevorzugt von 0,25 bis 0,75. Und die Gleitfläche 3 weist die erste Gleitfläche 3A mit Vertiefungen und die ebene Gleitfläche R1 auf.
Die erste Gleitfläche 3A mit Vertiefungen ist so gestaltet, dass sowohl die Dichtungsleistungsfähigkeit erhöht als auch der Reibungskoeffizient vermindert wird. Die Gleitfläche 3A und die ebene zweite Gleitfläche R1 werden durch einen Kreis mit einem Radius r2 getrennt, welcher als ein begrenzender Bezugskreis bezeichnet wird. In einem ersten Ausführungsbeispiel gibt es Beispiele, in dem das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A mit Vertiefungen zu der Gleitfläche 3 zu 0,25, 0,5, 0,75, oder 1,0 gewählt wird.
Das Gleitelement 2 kann aus einem harten Material, wie z. B. einer superharten Legierung, Siliciumcarbid, einer Keramik usw., hergestellt werden. Insbesondere Siliciumcarbid oder dergleichen wird für das Gleitelement 2 bevorzugt. Das bedeutet, dass nicht nur die Festigkeit des Gleitelements 2 erhöht wird, sondern auch die Fähigkeit der Gleitfläche, einem Verschleiß stand zu halten, verbessert wird.
Nach dem zuvor erwähnten, in 8 gezeigten Stand der Technik kommt ein gesintertes poröses Material durch Verschleiß der Gleitfläche zu Schaden und eine Ausströmung eines Schmieröls oder Prozessfluids dringt durch das Gleitmaterial ein. Ein Gleitelement 2 der vorliegenden Bauart jedoch vermeidet wirksam dieses Problem.
Eines der Verfahren, um Vertiefungen 5 auf der Gleitfläche aus hartem Material herzustellen, ist ein Sandstrahlen, bei dem ein lichtempfindlicher Film zum Sandstrahlen dicht auf der Gleitfläche angeordnet ist.
Bei dieser Methode ist ein lichtempfindlicher Film zum Sandstrahlen auf der Gleitfläche 3 angeordnet. Ein Filmpositiv, auf dem Anordnungen von Vertiefungen 5 gedruckt sind, ist dicht auf dem lichtempfindlichen Film angebracht und der lichtempfindliche Film wird einer Belichtung ausgesetzt. Der lichtempfindliche Film wird dann entwickelt und anschließendes Sandstrahlen erstellt Vertiefungen, die mit denen, die auf dem Filmpositiv gedruckt sind, identisch sind.
Als ein erstes Beispiel ist die Form der Vertiefungen 5 so gestaltet, dass sie an beiden Enden Halbbogen aufweisen, wie in 4 gezeigt. Eine andere Form als ein zweites Beispiel ist ein Rechteck, welches nicht dargestellt ist.
Die Breite A einer rechteckigen Vertiefung 5 liegt in einem Bereich von 150 × 10^–6 m bis 1000 × 10^–6 m. Besondere Beispiele für die Breite A sind 150 × 10^–6 m oder 250 × 10^–6 m. Die längliche Länge B der Vertiefung 5 beträgt mehr als das Doppelte der Breite A und weniger als die Breite der Gleitfläche 3. Zum Beispiel beträgt eine typische Länge B der Vertiefungsanordnung B 600 × 10^–6 m oder 1000 × 10^–6 m. Auch liegt eine Tiefe der Vertiefung 5 in einem Bereich von 1 × 10^–6 m bis 25 × 10^–6 m.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem eine erste Gleitfläche 3B mit Vertiefungen 5 an einer inneren Umfangseite bezogen auf den begrenzenden Bezugskreis mit Radius r1 angeordnet ist. Die vorwärts gerichtete oder Vorwärtskante 5A1 der Vertiefungen 5 ist bezogen auf eine Drehrichtung N der Gleitfläche 3 nach innen bezüglich der Drehrichtung N geneigt.
Die Vertiefungen 5 der ersten Gleitfläche 3B sind im Bezug auf den axialen Mittelpunkt radial angeordnet, ähnlich den in 1 gezeigten Vertiefungen. Vertiefungen 5, die an einer inneren Umfangseite der ersten Gleitfläche 3B angeordnet sind, bedecken, nahe dem inneren Umfangsrand beginnend, das ganze Gebiet der ersten Gleitfläche 3B mit Vertiefungen. Somit wird es einem Prozessfluid, das sich an der inneren Umfangseite befindet, ermöglicht hineinzufließen.
Die Vertiefungen 5 sind in einer Draufsicht rechteckig geformt. Diese rechteckige Vertiefung 5 sind auf solche Weise angeordnet, dass die vorwärts gerichtete oder Vorderkante 5A1 bezogen auf eine Drehrichtung N um 25 Grad nach innen bezogen auf eine Tangente des Kreises mit der Drehrichtung geneigt ist. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 liegt in einem Bereich von 10 bis 80 Grad, bevorzugt von 16 bis 55 Grad.
Neun derart gebildete Vertiefungen 5 legen eine Vertiefungsanordnung 5A fest, in der die neun Vertiefungen 5 entlang einer radialen Linie mit gleichem Abstand angeordnet sind.
Die Vertiefungen 5 sind weiterhin so angeordnet, dass eine Vielzahl der Vertiefungsanordnungen 5A radial auf der ersten Gleitfläche 3B, wie in 2 gezeigt, angeordnet sind.
Andere Formen und Materialien sind mehr oder weniger die Gleichen, wie das in 1 gezeigte Gleitelement 2.
Es gibt noch weitere Beispiele bezüglich der Form der Vertiefung 5, so zum Beispiel als eine elliptische oder eine Gitarrenform. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 wird zu 20 oder 30 Grad bezogen auf eine Tangente des Drehkreises gesetzt. Der Neigungswinkel C wird dadurch bedingt, dass er auf der Bemessung eines Reibungskoeffizienten, der Dichtungsfähigkeit usw. basiert. Es ist bekannt, dass eine Verringerung dieses Neigungswinkels C zu einer verbesserten Dichtungsfähigkeit führt. Es ist auch zu sehen, dass ein Anstieg des Winkels C zu einer Verminderung des Reibungswiderstandes tendiert. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 liegt im Bereich von 10 bis 80 Grad, bevorzugt von 16 bis 55 Grad, um sich auf die Verringerung des Reibungskoeffizienten auszuwirken.
3 zeigt ein Gleitelement 2 als ein drittes Ausführungsbeispiel entsprechend dem vorliegenden Aufbau. Der geneigte Winkel der Vertiefungen 5 in 3 beträgt ungefähr 30 Grad.
Der geneigte Winkel C der Vertiefungen 5 liegt im Bereich von 10 bis 80 Grad, bevorzugt in einem Bereich von 16 bis 55 Grad.
Eine erste Gleitfläche 3C mit Vertiefungen wird in einem Bereich der Radien r1 bis r2 der Gleitfläche 3 festgelegt. Ein äußeres Umfangsgebiet in einem Bereich von rh bis r1 und ein inneres Umfangsgebiet in einem Bereich zwischen r2 bis rL bezogen auf die erste Gleitfläche 3C mit Vertiefungen sind ebene Oberflächen, die als eine zweite Gleitfläche R1 bezeichnet werden. Experimente mit der ebenen zweiten Gleitfläche R1, an welcher Vertiefungen 6, die kleiner als die Vertiefungen 5 der ersten Gleitfläche 3C sind, angeordnet sind, ergeben gute Ergebnisse.
Es existiert ein weiteres Beispiel, in dem eine der beiden Gleitflächen R1, R1 welche auf der Seite des Prozessfluids angeordnet ist, zweite Vertiefungen 6 auf seiner Oberfläche enthält und die andere zweite Gleitfläche R1 als glatte Oberfläche hergestellt ist. Es gibt auch einen Fall, der gute Ergebnisse abhängig von der Natur des Prozessfluids erzielt, wobei die zweite Gleitfläche R1 auf der Seite des Fluids eben ausgestaltet ist und die andere zweite Gleitfläche R1 zweite Vertiefungen 6 enthält.
Die Form der Vertiefung 5, die auf der ersten Gleitfläche 3C angeordnet sind, können rechteckig, elliptisch, gitarrenförmig oder kreuzförmig gestaltet werden. Andere Formen und Material sind mehr oder weniger die Gleichen wie das in 1 gezeigte Gleitelement 2.
Daher wird ein sorgfältiges Ausarbeiten der Form der Vertiefung 5 nicht nur zu einer Verbesserung der Dichtungsleistungsfähigkeit, sondern auch zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten der Gleitfläche führen.
Zusätzlich wird eine geeignete Wahl des geneigten Winkels C und der Anzahl der Vertiefungen 5 auch die Dichtungsleistungsfähigkeit und den Reibungskoeffizienten verbessern.
6 zeigt ein Gleitelement 2 als ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In 6 wird davon ausgegangen, dass sich ein Prozessfluid an der äußeren Umfangsseite des Gleitelementes 2 befindet. Zum Beispiel ist ein Gleitelement 2 an einer mechanischen Dichtung oder dergleichen angebracht und enthält eine erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen auf der Seite des Fluids. In einem anderen Beispiel ist das Gleitelement 2 in einem Lager oder dergleichen angebracht, in dem eine erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen auf der Seite des Schmierstoffes zum Gleiten relativ zu einer drehbaren Welle angeordnet ist, wobei der Schmierstoff auf der Gleitfläche beibehalten wird.
Das Gleitelement 2 dreht sich im Uhrzeigersinn wie in 6 gezeigt. Das bedeutet, dass dieses Gleitelement 2 die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen entweder auf der Seite des Prozessfluids der mechanischen Dichtung oder auf der Schmierölseite des Lagers anordnet.
Die Gleitfläche 3 des Gleitelementes 2 wird durch einen Umfangsbereich mit einem Radius in einem Bereich von r1 bis rL festgelegt, in dem ein Teil des Bereiches mit einem Radius in einem Bereich von r1 bis r2 eine erste Gleitfläche 3D, die Vertiefungen aufweist, festlegt. Die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen ordnet Vertiefungen 5 an, die unmittelbar auf dem Gleitelement 2 bereitgestellt werden, beginnend nahe dem äußeren Umfangsrand mit dem Radius r1 mit einer Richtung nach innen.
Die Vertiefungen 5 sind in einer Draufsicht auf die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen rechteckig geformt. Diese rechteckige Vertiefung ist in einer solchen Weise angeordnet, dass die vorwärts gerichtete oder Vorderkante 5A1 bezüglich einer Drehrichtung N um 30 Grad nach außen bezogen auf eine Tangente des Drehkreises der Gleitfläche 3 geneigt ist. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 liegt in einem Bereich von 10 bis 80 Grad, bevorzugt 16 bis 55 Grad.
Drei so gebildete Vertiefungen legen eine Vertiefungsanordnung 5A fest, in der die drei Vertiefungen 5 entlang einer radialen Linie mit gleichem Abstand angeordnet sind.
Die Vertiefungen 5 werden darüber hinaus so angeordnet, dass eine Vielzahl von Vertiefungsanordnungen 5A radial auf der ersten Gleitfläche 3D, wie in 6 gezeigt, angeordnet sind.
Eine zweite Gleitfläche R2, die sich auf der inneren Umfangsseite der Gleitfläche 3 befindet, ordnet zweite Vertiefungen 6 an, deren Gestalt kleiner als die maximale Länge der Vertiefung 5, wie in 6 gezeigt, ist. Die Form der zweiten Vertiefung 6 kann die eines Kreises, Quadrates, eines Parallelogrammes, einer Ellipse oder eines Rechtecks ohne eine axiale oder radiale Neigung sein, und es wird eine Vielzahl der zweiten Vertiefungen 6, die eine oder mehrere dieser Formen einnehmen, umfasst. Eine Vielzahl der zweiten Vertiefungen 6 bildet eine Vertiefungsanordnung 6A, die radial auf der zweiten Gleitfläche R2 angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine Vielzahl solcher Vertiefungsanordnungen 6A radial mit gleichen Abständen entlang der Umfangsrichtung angeordnet. Wenn die zweiten Vertiefungen 6 in ihren Abmessungen klein sind, können die Vertiefungen 6 zufällig auf der zweiten Gleitfläche R2 angeordnet werden.
Die zweite Gleitfläche R2 wird durch einen Bereich mit einem Radius in einem Bereich von r2 bis rL festgelegt.
Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3D (r1 – r2) zu der Gleitfläche 3 (r1 – rL) liegt in einem Bereich von (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,25 bis 1, mehr bevorzugt von 0,25 bis 0,75. Und die Gleitfläche 3 weist die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen und die zweite Gleitfläche R2 auf.
Die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen ist so gestaltet, um die Dichtungsleistungsfähigkeit zu verbessern als auch den Reibungskoeffizienten zu verringern. Die erste Gleitfläche 3D mit Vertiefungen und die zweite Gleitfläche R2 werden durch einen Kreis mit einem Radius r2 getrennt, der als ein begrenzender Bezugsradius bezeichnet wird. In dem vierten Ausführungsbeispiel gibt es Beispiele, in denen das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3D mit Vertiefungen zu der Gleitfläche 3 zu 0,25, 0,5, 0,75 oder 1,0 gewählt ist.
Das Gleitelement 2 kann aus einem harten Material wie eine superharte Legierung, Siliciumcarbid, eine Keramik usw. hergestellt werden. Insbesondere wird Siliciumcarbid oder dergleichen für das Gleitelement 2 bevorzugt. Mit Siliciumcarbid wird nicht nur die Festigkeit des Gleitelements 2 erhöht, sondern auch die Fähigkeit der Gleitfläche, einem Verschleiß stand zu halten, verbessert.
Nach dem zuvor erwähnten, in 8 gezeigten Stand der Technik kommt ein gesintertes poröses Material durch Verschleiß der Gleitfläche zu Schaden und eine Ausströmung eines Schmieröls oder eines Prozessfluids dringt durch das Gleitmaterial. Ein Gleitelement 2 der vorliegenden Bauart jedoch vermeidet wirksam dieses Problem.
Eines der Verfahren, um Vertiefungen 5 auf der Gleitfläche aus hartem Material herzustellen, ist ein Sandstrahlverfahren, bei dem ein lichtempfindlicher Film zum Sandstrahlen dicht auf der Gleitfläche angeordnet wird.
Bei dieser Methode wird ein lichtempfindlicher Film zum Sandstrahlen auf der Gleitfläche 3 angeordnet. Ein Filmpositiv, auf dem Anordnungen der Vertiefungen 5 gedruckt sind, wird dicht auf dem lichtempfindlichen Film angebracht und der lichtempfindliche Film wird einer Belichtung ausgesetzt. Der lichtempfindliche Film wird dann entwickelt und anschließendes Sandstrahlen erstellt Vertiefungen, die mit denen, die auf dem Filmpositiv gedruckt sind, identisch sind.
Es gibt ein Beispiel, in dem die Form der Vertiefung 5 so gestaltet ist, dass sie an beiden Enden Halbbogen, wie in 4 gezeigt, aufweisen. Eine weitere Form eines anderen Beispiels ist ein Rechteck. Und der geneigte Winkel C besitzt eine vorwärts gerichtete oder Vorderkante 5A1, die bezogen auf eine Drehrichtung nach unten zeigt (durch die gepunktete Linie in 4 gezeigte Vertiefung 5A1), entgegengesetzt in dem vorherigen Fall in 4.
Die Breite A einer rechteckigen Vertiefung 5 liegt im Bereich von 150 × 10^–6 m bis 1000 × 10^–6 m. Besondere Beispiele für die Breite A sind 150 × 10^–6 m oder 250 × 10^–6 m. Die längliche Länge B der Vertiefung 5 beträgt mehr als 500 × 10^–6 m und ist größer als die Breite A und kleiner als die Breite der Gleitfläche 3. Zum Beispiel beträgt eine typische Länge B einer Vertiefungsanordnung B 600 × 10^–6 m oder 750 × 10^–6 m. Auch beträgt eine typische Tiefe der Vertiefung 5 8 × 10^–6 m oder 10 × 10^–6 m.
7 zeigt ein Gleitelement als ein fünftes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Aufbaus. In einem Gleitelement 2 ist eine erste Gleitfläche 3E mit Vertiefungen 5 an der inneren Umfangsseite bezogen auf den begrenzenden Bezugskreis mit dem Radius r2 angeordnet. Die vorwärtsgerichtete Kante 5A1 der Vertiefung 5 bezogen auf eine Drehrichtung N der Gleitfläche 3 ist zu der Seite des Prozessfluids (zu dem Innendurchmesser) bezogen auf eine Drehrichtung N geneigt. Vertiefungen 5 der ersten Gleitfläche 3E sind radial bezogen auf den axialen Mittelpunkt, wie in 7 gezeigt, angeordnet. Vertiefungen 5, die auf der inneren Umfangsseite der ersten Gleitfläche 3E angeordnet sind, bedecken beginnend nahe dem inneren Umfangsrand das ganze Gebiet der ersten Gleitfläche 3E mit Vertiefungen. Damit wird es einem Prozessfluid, das auf der inneren Umfangsseite sich befindet, erlaubt, einzudringen.
Die Vertiefungen 5 sind in einer Draufsicht rechteckig ausgestaltet. Diese rechteckige Vertiefung 5 ist so angeordnet, dass die vorwärtsgerichtete Kante 5A1 bezogen auf die Drehrichtung N um 25 Grad nach innen in Bezug auf eine Tangente für den Kreis in Drehrichtung geneigt ist. Der geneigte Winkel C der Vertiefung 5 liegt in einem Bereich von 10 Grad bis 80 Grad, bevorzugt von 16 Grad bis 55 Grad.
Drei so gebildete Vertiefungen 5 legen eine Vertiefungsanordnung 5A fest, in der die drei Vertiefungen 5 entlang einer radialen Linie in gleichen Abständen angeordnet sind. Die Anzahl der Vertiefungen, die eine Vertiefungsanordnung 5A umfasst, variiert beliebig von 1 bis 10.
Die Vertiefungen 5 sind weiterhin so angeordnet, dass die Vertiefungsanordnungen 5A radial auf der ersten Gleitfläche 3E in einem mehr oder weniger gleichen Abstand, wie in 7 gezeigt, angeordnet sind.
Andere Formen und Material sind mehr oder weniger die Gleichen wie das in 1 gezeigte Gleitelement 2.
Es ist für die Form der oberen Vertiefung 5 vorzuziehen, dass sie so gewählt wird, dass die Form sich nicht leicht aufgrund von Staub aus dem Verschleiß verschlechtert. Daher sollten Form und Ausrichtung der Vertiefung 5 so gestaltet werden, dass die Dicke eines Schmierstofffilms, der durch ein Prozessfluid verursacht wird, erhöht wird.
Herstellungsverfahren der Vertiefung 5, die anders als das zuvor erwähnte Verfahren sind, beinhalten die Benutzung eines Ätzprozess oder eine Reaktion mit anderen festen Metallen.
Das Gleitelement 2 kann in einer mechanischen Dichtung ein Lager oder dergleichen benutzt werden.
Im Falle einer Benutzung in einer mechanischen Dichtung kann das Gleitelement 2 entweder für einen feststehenden Dichtring oder ein drehbaren Dichtring oder für beide Ringe benutzt werden. Das bedeutet, wenn Vertiefungen 5 nur auf einem Dichtring angeordnet sind, behält der andere Dichtring eine ebene Dichtfläche, die ein Dichtungskontakt mit dem Dichtring mit Vertiefungen ausbildet.
Im Falle einer Anwendung in einem Lager kann das Gleitelement 2 für eine Gleitfläche benutzt werden, die eine radiale Last oder eine Axiallast, die auf eine drehbare Welle ausgeübt wird, auffängt. Insbesondere in dem Fall, dass sich ein Schmieröl am Gerätekörper entlang der axialen Richtung befindet, wird der geneigte Winkel C der Vertiefung 5 so gewählt, dass das Schmieröl zu der schmierenden Gleitfläche befördert wird.
5 ist eine Schnittansicht für eine Prüfvorrichtung für eine mechanische Dichtung, um das vorliegende Gleitelement 2 zu beurteilen.
Die Prüfvorrichtung 10 für das Gleitelement 2 enthält, wie in 5 gezeigt, ein drehbares zylindrisches Gehäuse 20 entlang der Mittelachse. Ein feststehender Dichtring 11 ist mittels eines O-Rings an einer Kontaktoberfläche, die an einer Prozessfluidkammer 20A innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet ist, angebracht. Der drehbare Dichtring 12 wird durch eine Feder bezogen auf eine Halterung 13, die auf der drehbaren Welle 15 befestigt ist, axial bewegbar und federnd angepresst. Und der abdichtende Kontakt der Dichtfläche des drehbaren Dichtrings 12 und der gegenüberliegenden Dichtfläche des feststehenden Dichtringes 11 verhindert, dass das Fluid innerhalb der Prozessfluidkammer 20A in die Umgebung ausströmt.
Ein Ablaufkanal 15A ist entlang der Achse der drehbaren Welle 15, die von einem Motor 16 angetrieben wird, angeordnet. Ein Zufuhrkanal 14 ist innerhalb des Ablaufkanals 15A, indem er sich durch den Ablaufkanal 15A erstreckt, angeordnet. Ein Prozessfluid, zum Beispiel Öl, das durch den Zufuhrkanal 14 zugeführt wird, wird in die Prozessfluidkammer 20A eingebracht und aus dem Ablaufkanal 15A ausgestoßen. Die Enden des Ablaufkanals 15A und des Zufuhrkanals 14 sind mit einem Zirkulationsrohr verbunden, welches nicht in der Figur gezeigt wird, und eine Pumpe, die mit dem Rohr verbunden ist, lässt das Fluid, das auf eine besondere Temperatur und Druck gebracht ist, zirkulieren. Die Drehgeschwindigkeit des Motors 16 kann mit einem nicht in der Figur gezeigten Wechselrichter gesteuert werden.
Das Gehäuse 20, das den feststehenden Dichtring 11 enthält, ist an der Welle 19 befestigt, die durch ein Lager 18 in einer frei drehbaren Weise gelagert ist. Somit ist das Gehäuse 20 durch eine Gleitreibung, die von einer relativen Drehung des feststehenden Dichtringes 11 mit dem drehbaren Dichtring 12 verursacht wird, drehbar.
Eine Öffnung, deren Durchmesser 2 mm beträgt, wird 1 mm entfernt von der gegenüberliegenden Dichtfläche des feststehenden Dichtrings 11 angeordnet und die Öffnung wird mit einem Ende einer leitfähigen Leitung 17 aus zum Beispiel PlatinRhodium-Platin oder Alumel-Chromel verbunden, deren anderes Ende mit einem thermoelektrischen Thermometer verbunden ist, welches nicht in der Figur gezeigt wird. Die Temperatur der Gleitfläche des feststehenden Dichtrings 11 wird mit dem thermoelektrischen Thermometer gemessen.
Ein Unterstellstempel, der die Welle 19 stützt, ist mit einer Messdose 21 ausgestattet und ein Gleitdrehmoment M kann mit Hilfe eines Kragarms 22 gemessen werden. Der Reibungskoeffizient F wird dann aus dem Gleitdrehmoment M ausgerechnet. Seine herleitende Formel lautet F = M (W × Rm), wobei W eine Last und Rm ein mittlerer Radius der Gleitfläche ist.
Diese Prüfvorrichtung ist von der Art, dass ein interner Strom nicht ausgeglichen wird, und die Dichtfläche wird sowohl von dem Fluiddruck als auch von der federnd wirkenden Presskraft einer Feder angepresst. Im Falle, dass der Fluiddruck Null beträgt, wird die Gleitfläche von der Feder der Halterung 13 alleine angepresst. Gemessene Größen von dieser Prüfvorrichtung beinhalten das Gleitdrehmoment M des Gleitelements 2, die Temperatur der Gleitfläche 3, die Temperatur des Fluids und eine Menge des Fluids, das durch die Gleitfläche 3 austritt.
Beispiel 1

1.) Gleitelement 2, wie in den 1 und 3 zu sehen, werden Prüfungen unterworfen.
2.) Die Gleitelemente 2 werden von einer Prüfvorrichtung 10, wie in 5 gezeigt, geprüft.
3.) Die Form der Vertiefung 5 des Gleitelementes 2: a. Ein drehbarer Dichtring ist ein Gleitelement aus Siliciumcarbid (innerer Durchmesser 25 mm, äußerer Durchmesser 44 mm, Länge 12 mm), b. Ein feststehender Dichtring ist ebenfalls ein Gleitelement aus Siliciumcarbid (innerer Durchmesser 28 mm, äußerer Durchmesser 50 mm, Länge 14 mm), c. Die Vertiefungen 5 sind, wie in 1 oder 3 gezeigt, angeordnet. d. Die Breite A der Vertiefung ist 150 × 10^–6 m, die Länge B 600 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m. e. Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A, 3C mit Vertiefungen zu der Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 1.0 gegeben. f. Der Neigungswinkel C der Vertiefung 5 beträgt 30 Grad.
4.) Die Oberflächenrauheit der Gleitfläche beträgt Rz 0.2 × 10^–6 m,
5.) Die Planheit beträgt eine Bande (Heliumlicht),
6.) Die Prüfdauer beträgt 30 Minuten,
7.) Die Temperatur des Prozessfluids beträgt 30°C.
8.) Der Druck des Fluids beträgt 0,3 MPa, 0,5 MPa, 1,0 MPa,
9.) Die Geschwindigkeit des Umfangsrands ist 1 m/s,
10.) Die Federkraft beträgt 20 N,
11.) Das Prozessfluid ist „Super Multi Oil 10" hergestellt von IDEMITSU Co. Ltd.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 1 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 1

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.097 57 0.0814

0.5 0.102 73 0.0782

1.0 0.107 84 0.1344
Beispiel 2

1.) Gleitelemente 2 wie in 1 und 2 gezeigt.
2.) Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A, 3C mit Vertiefungen zu der Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 1.0 gegeben.
3.) Die Form der Vertiefungen 5 des Gleitelementes 2 a. die Weite A der Vertiefung beträgt 250 × 10^–6 m die Länge B ist 1000 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die Gleichen wie die in Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 2 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 2

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.021 12 1.0368

0.5 0.032 23 0.1838

1.0 0.047 36 0.1416
Beispiel 3

1.) Gleitelemente 2 wie sie in 1 und 3 gezeigt werden.
2.) Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A, 3C mit Vertiefungen zu der Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,75 gegeben.
3.) Form der Vertiefung 5 des Gleitelementes 2 a. Die Breite A der Vertiefung beträgt 150 × 10^–6 m, die Länge B 600 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie die aus Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 3 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 3

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.76 44 0.0870

0.5 0.77 55 0.1072

1.0 0.107 83 0.1012
Beispiel 4

1.) Gleitelemente 2 wie in 1 und 3 gezeigt.
2.) Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A, 3C mit Vertiefungen zur Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,5 gegeben.
3.) Die Form der Vertiefungen 5 des Gleitelementes 2 a. Die Breite A der Vertiefung ist 150 × 10^–6 m, die Länge B 600 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die Gleichen wie die in Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 4 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 4

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.073 43 0.0466

0.5 0.060 42 0.0428

1.0 0.087 68 0.0684
Beispiel 5

1.) Gleitelemente 2 wie in 1 und 3 gezeigt.
2.) Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3A, 3C mit Vertiefungen zur Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,25 gegeben.
3.) Die Form der Vertiefungen 5 des Gleitelementes 2 a. Die Breite A der Vertiefung ist 150 × 10^–6 m, die Länge B 600 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie die in Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 5 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes der vorliegenden Erfindung zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 5

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.076 44 0.0300

0.5 0.066 47 0.0400

1.0 0.085 66 0.0352
Beispiel 6

1.) Gleitelemente 2 wie in 6 und 7 gezeigt.
2.) Das Verhältnis der ersten Gleitfläche 3D, 3E mit Vertiefungen zur Gleitfläche 3 wird durch (r1 – r2)/(r1 – rL) = 0,5 gegeben.
3.) Die Form der Vertiefungen 5 des Gleitelementes 2 a. Vertiefungen 5 der ersten Gleitfläche 3D, 3E sind wie folgt hergestellt; Die Breite A beträgt 150 × 10^–6 m, die Länge B beträgt 600 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m. b. Die zweiten Vertiefungen 6 der zweiten Gleitflächen R1, R2 sind kreisförmig; Der Durchmesser beträgt 100 × 10^–6 m und die Tiefe beträgt 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie die in Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 6 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 6

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.076 44 0.0412

0.5 0.065 46 0.0094

1.0 0.075 58 0.0152
Der Referenzfall

1.) Ein Gleitelement (das einem angetriebenen Ring 155 in 9 entspricht) ist ähnlich dem Stand der Technik aus 9.
2.) Das Verhältnis einer Gleitfläche 155A mit Vertiefungen zu einer Gleitfläche 155 ist 1,0 (die Form und die Anordnung der Vertiefungen 5 ist ähnlich zu der ersten Gleitfläche 3C der 3).
3.) Form der Vertiefungen (konkave Wölbung 156) a. Die Breite A der konkave Wölbung 156 beträgt 50 × 10^–6 m, die Länge B 200 × 10^–6 m und die Tiefe H 8 × 10^–6 m.
4.) Die anderen Bedingungen sind die Gleichen wie die in Beispiel 1.

Die Prüfergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und das Ausströmen des Prozessfluids (g/h), die unter diesen Bedingungen erhalten werden, werden in Tabelle 7 gezeigt.
In den einzelnen unten aufgeführten Tabellen bedeutet A ein Druck eines Prozessfluids (MPa), während B ein Verhältnis (%) des Reibungskoeffizienten des vorliegenden Gleitelementes zu dem Reibungskoeffizienten der Gleitfläche ohne Vertiefungen bedeutet.

Tabelle 7

A (MPa) Reibungskoeffizient B (%) Ausströmung des Prozessfluids (g/h)

0.3 0.132 77 0.0982

0.5 0.109 77 0.0248

1.0 0.119 93 0.0242
Die oberen Beispiele 1 bis 6 und der Referenzfall werden unten verglichen.
Zuerst wird das Ausströmen des Prozessfluids (g/h) anhand der Tabellen 1 bis 6 diskutiert. Die Werte des Ausströmens, die in diesen Abbildungen abgebildet sind, sind unterhalb des Standards (kleiner als 3 ml/h), der auf vielen gegenwärtigen weltweiten Errungenschaften basiert. Das Ausströmen kann weiterhin durch Einführen einer ebenen Gleitfläche R1 auf der Gleitfläche 3 verringert werden.
Beispiele 1 bis 5 werden mit dem Referenzfall verglichen, wobei ein Ausströmen des Fluids innerhalb einer zulässigen Größenordnung gehalten wird. Der Reibungskoeffizient des Referenzfalles im Bezug auf den Reibungskoeffizienten, der für ein Gleiten zwischen zwei ebenen Gleitflächen beobachtet wird, liegt im Bereich von 77% bis 93%. Andererseits weist Beispiel 1 ein Bereich von 57% bis 84%, Beispiel 2 einen Bereich von 12% bis 36%, Beispiel 3 einen Bereich von 44% bis 83%, Beispiel 4 einen Bereich von 43% bis 68%, Beispiel 5 einen Bereich von 44% bis 66% und Beispiel 6 einen Bereich von 44% bis 58% auf. Das bedeutet, dass der Reibungskoeffizient deutlich im Vergleich mit dem Referenzfall verringert werden kann.
Insbesondere kann ein geringer Druck des Prozessfluids weiter den Reibungskoeffizienten verringern. Auch wird erwartet, dass ein Erhöhen der Länge der Vertiefungen 5 den Reibungskoeffizienten verringert. Eine geringe Drehgeschwindigkeit des Reibungselementes 2 ist ebenfalls erfolgreich, den Reibungskoeffizienten zu verringern.
Was die Form einer Vertiefung 5, die auf der Gleitfläche 3 des Gleitelementes 2 angeordnet ist, betrifft, beträgt die Breite mehr als 100 × 10^–6 m und weniger als 1000 × 10^–6 m und die Länge beträgt mehr als 500 × 10^–6 m und ist länger als die Breite der Vertiefung 5 und kürzer als die radiale Breite der Gleitfläche 3.
Auch die Tiefe der Vertiefung 5 liegt in einem Bereich von 1 × 10^–6 m bis 25 × 10^–6 m.
Die Form einer so hergestellten Vertiefung 5 ist bevorzugt rechteckig, elliptisch oder hat die Form einer Gitarre oder eines Kreuzes.
Dieses Gleitelement 2 ist für einen Dichtring einer mechanischen Dichtung, wie sie in einem chemischen Reaktor oder dergleichen gebraucht wird, verwendbar. Insbesondere ist das Element 2 sogar erfolgreicher, wenn die Gleitfläche 3 des Dichtringes einer langsamen Drehgeschwindigkeit unterworfen ist und der Druck des Fluids ziemlich hoch ist.
Bei dem vorliegenden Gleitelement ist die vorwärts gerichtete Kante der Vertiefung der ersten Gleitfläche bezüglich einer Tangente bezogen auf die Drehrichtung so geneigt, dass ein Prozessfluid optimal angesaugt oder eingezogen wird, so dass das Prozessfluid, das zwischen den Vertiefungen auf der Gleitfläche eingeführt wird, einen Schmierfilm des Fluids bildet. Der Schmierfilm des Fluids bleibt dann auf der ersten Gleitfläche, indem er von der zweiten Gleitfläche abgedichtet wird. Als Ergebnis wird der Reibungskoeffizient der Gleitfläche durch den Schmierfilm verringert. Dadurch wird die Wärmeentwicklung der Gleitfläche ebenfalls verringert. Dieses führt zu einer wirksamen Vorbeugung gegen Verschleiß und Schaden der Gleitfläche.
Des Weiteren hat das Gleitelement eine erste Gleitfläche mit Vertiefungen und eine ebene zweite Gleitfläche, die auf der gegenüberliegenden Seite des Prozessfluids in Bezug auf die erste Gleitfläche angeordnet ist. Somit vermindert die zweite Gleitfläche nicht nur den Reibungskoeffizienten durch Abdichten und gleichmäßiges Zurückhalten des Prozessfluids auf der ersten Gleitfläche, sondern dichtet auch wirksam das Fluid durch Zusammenwirken mit der ersten Gleitfläche ab.
Das Gleitelement kann nicht nur den Reibungskoeffizienten verringern, sondern kann auch, dadurch dass dem Verschleiß der Gleitflächen vorgebeugt wird, ein quietschendes Geräusch oder ein Binden oder Scheppern während des Gleitens verringern. Zusätzlich kann der Gebrauch des Gleitelementes mit einem gegenüberliegenden Gleitelement aus Kohlenstoffmaterial eine Blasen bildende Wirkung verhindern, um somit eine resultierende verbesserte Dichtungsleistungsfähigkeit gegen das Prozessfluid hervorrufen.

Claims

Gleitelement (2), umfassend Gleitflächenbereiche (3) zur Bereitstellung einer Abdichtung gegen ein Prozessfluid, das sich entweder an einem Innenumfang oder an einem Außenumfang der Gleitflächenbereiche (3) befindet, zur Verwendung in Kombination mit einem zweiten Gleitelement, wobei eines der Elemente ein stationäres Gleitelement ist, und das andere der Elemente ein sich drehendes Gleitelement ist, wobei sich ein erster Gleitflächenbereich (3A) der Gleitflächenbereiche an einer Seite des Gleitelements befindet, um mit dem Prozessfluid zu regieren; erste Vertiefungen (5), die am ersten Gleitflächenbereich angeordnet sind, wobei die maximale Längsrichtung der ersten Vertiefungen in einem schrägen Winkel in Bezug auf eine Tangente eines Drehumfangs des Gleitelements ausgerichtet ist, wobei eine Längsrichtung der ersten Vertiefungen mit dem schrägen Winkel ausgerichtet ist, wobei die ersten Vertiefungen so geneigt sind, dass sich eine Vorderkante jeder ersten Vertiefung in Bezug auf die beabsichtigte Drehrichtung (N) in Verwendung und in Bezug auf die Tangente des Umfangs neben einem Umfangsrand des Gleitelements befindet, wobei sich der Umfangsrang in Verwendung zum Prozessfluid hin befindet; und sich ein zweiter Gleitflächenbereich (R1) der Gleitflächenbereiche an der radial entgegengesetzten Seite des Gleitelements befindet, um sich vom Prozessfluid entfernt zu befinden, wobei der zweite Gleitflächenbereich entweder eine flache Oberfläche oder haltende zweite Vertiefungen (6) aufweist, wobei die zweiten Vertiefungen kleiner als die ersten Vertiefungen sind, wobei die ersten Vertiefungen so angeordnet sind, dass sie radiale Linien bilden, wobei mehrere der radialen Linien entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei entlang jeder der radialen Linien zumindest zwei Vertiefungen vorgesehen sind, um mehrere Kreise der ersten Vertiefungen zu bilden, und wobei alle ersten Vertiefungen die gleiche längsgerichtete Länge aufweisen.
Gleitelement (2) nach Anspruch 1, wobei die ersten Vertiefungen entweder eine elliptische Form oder eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Höchstbreite jeder ersten Vertiefung in einem Bereich von 100 × 10^–6 m bis 1000 × 10^–6 m liegt, die längsgerichtete Länge jeder Vertiefung in einem Bereich von mehr als 500 × 10^–6 m liegt und größer als die Breite der Vertiefung und kleiner als die radiale Breite der ersten Gleitfläche ist, und die Tiefe der ersten Vertiefung in einem Bereich von 1 × 10^–6 m bis 25 × 10^–6 m liegt.
Gleitelement (2) nach Anspruch 1, wobei sich die zweiten Gleitflächenbereiche (R1) der Gleitflächenbereiche am inneren und am äußeren Umfang des ersten Gleitflächenbereichs befinden.
Gleitelement (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die ersten Vertiefungen entlang einer Durchmesserrichtung in mehreren Vertiefungsanordnungen (5A) angeordnet sind, und die Vertiefungsanordnungen entlang der Umfangsrichtung radial angeordnet sind.
Gleitelement (2) nach Anspruch 3, wobei die Form jeder zweiten Vertiefung (6) ein Kreis, ein Quadrat, ein Parallelogramm oder ein Rechteck oder ein Ellipsoid ist, der bzw. das mit einer diametralen oder axialen Richtung ausgerichtet ist.
Gleitelement (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein Verhältnis der radialen Breite einer ersten Gleitfläche, die die Vertiefungen aufweist, zur radialen Breite der Gleitfläche in einem Bereich von 0,25 bis 0,75 liegt.