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DESCRIPTION "Dispositif d'étanchéité" La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité, comportant un élément d'étanchéité constitué d'une matière souple et agencé entre des surfaces d'étanchéité de pièces à relier.
Par le brevet EP-0 049 459, on connaît un dispositif d'étanchéité de ce type. Dans ce cas, un joint étanche plat en une matière souple est agencé entre les surfaces d'étanchéité de pièces à relier. De tels joints étanches plats sont utilisés partout où ce qui importe est de ne pas trop augmenter la longueur des pièces jointes. Dans ce cas, il est prévu que le joint étanche s'étende dans l'état monté sur le bord externe d'au moins une des surfaces d'étanchéité. De plus, la zone du joint étanche s'étendant sur la zone de bord, qui n'est pas déformée lors du montage, doit garantir le joint contre un déplacement.
Si l'on prévoit un tel dispositif d'étanchéité pour des pièces ou des éléments d'appui dans lesquels on doit réaliser une étanchéification vis-à-vis d'un fluide à pression très élevée, il existe le problème que, dans le cas de ce joint plat constitué d'une matière souple, l'épaisseur du joint prévue est cependant toujours telle qu'un fluage du joint est inévitable. Pour empêcher un tel fluage à des pressions élevées, il est par ailleurs connu d'utiliser un joint annulaire étanche (brevet EP-0 058 811), qui est guidé à l'intérieur d'une gorge dans au moins une des surfaces d'étanchéité, de sorte que la bague d'étanchéité ne puisse pas s'échapper.
Cependant, un inconvénient consiste dans ce cas en ce que de tels dispositifs d'étanchéité ne peuvent pas être également prévus pour l'étanchéification de pressions élevées quand, en même temps, une matière d'étanchéification tendre est utilisée. Par ailleurs, il existe l'inconvénient que, selon la matière d'étanchéification choisie, après le montage et un court temps d'utilisation, il se produit un tassement du joint
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étanche, ce qui rend nécessaire un resserrement des éléments de liaison. Par ailleurs, la fabrication d'un agencement comportant une gorge pour le joint d'étanchéité est coûteuse.
A partir de cet état de la technique, l'invention a pour but de fournir un dispositif d'étanchéité qui est réalisé de façon simple et peut être utilisé en particulier à des pressions élevées et à des températures ou des différences de températures élevées.
A cet effet, le dispositif d'étanchéité du type indiqué ci-dessus, est remarquable, selon l'invention, en ce que l'élément d'étanchéité est constitué d'un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage et est réalisé sous forme d'une feuille mince, de sorte que l'élément d'étanchéité conserve pratiquement, dans l'état final monté entre les surfaces d'étanchéité, le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état auparavant démonté.
Grâce à la réalisation de l'élément d'étanchéité en tant que feuille mince, qui est constituée d'un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, on obtient un dispositif d'étanchéité qui est extrêmement simple et, en conséquence, économique à fabriquer. De plus, la feuille d'étanchéification présente une minceur telle que l'élément d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté.
Selon les connaissances actuelles, on a délibérément renoncé, de façon usuelle, pour une utilisation en tant que joints étanches à des pressions élevées, à des polymères à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, du fait que ceux-ci, lorsque l'élément d'étanchéité présente une épaisseur usuelle, fluent à des pressions élevées. La
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réalisation selon l'invention en tant que feuille mince se base de plus sur la constatation reconnue dans des essais que, pour de très faibles épaisseurs de feuille, le fluage de polymères à l'état solide, par exemple du PTFE, est arrêté par la tension de surface dans ce cas efficace.
Il est en vérité connu de la pratique générale, en particulier pour des liaisons à vis de tubes sur des armatures de pression ou analogues, d'utiliser une mince bande de PTFE dans la zone du filetage et de visser ensuite les tubes.
Dans le cas d'une bande d'étanchéité usuelle de PTFE, il n'existe cependant aucune épaisseur homogène du fait que celle-ci n'est pas nécessaire pour enrober les zones de filetage. Par ailleurs, la bande d'étanchéité de PTFE est déformée lors du vissage des tubes et s'introduit dans tous les défauts d'étanchéité grâce au fluage de la matière, en étanchéifiant ceux-ci. La déformation, voulue lors du montage, de la bande d'étanchéité connue de PTFE rend ainsi inutile la nécessité d'une épaisseur de bande d'étanchéité homogène.
Au contraire, l'élément d'étanchéité de la présente invention n'est pas déformé lors de la réalisation de la liaison étanche, mais il est réalisé de sorte que l'élément d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté, c'est-à-dire qu'il ne flue pas. Cela signifie que l'élément d'étanchéité selon l'invention, réalisé en tant que feuille mince, en un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage n'est pas déformé lors de la liaison étanche. Lors du montage, la feuille d'étanchéité est posée sur une des surfaces d'étanchéité et est "approchée"de l'autre surface d'étanchéité.
Dans une réalisation avantageuse de l'invention, en tant que polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, on prévoit une feuille de PTFE, qui présente une épaisseur de feuille inférieure à 0, 15 mm. Cela constitue un domaine d'épaisseur dans lequel la tension de surface est prépondérante et empêche ainsi un fluage de l'élément d'étanchéité à
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des pressions élevées. Ces pressions élevées se rapportent aussi bien aux pressions du fluide de pression guidé dans les parties de l'installation qu'également aux pressions de pressage mécaniques sur les surfaces d'étanchéité. De plus, le choix de la matière d'étanchéité n'est pas limité à du PTFE pur, mais des PTFE modifiés peuvent être également utilisés.
Par ces PTFE modifiés, on pense à des variantes de cette matière qui sont désignées dans la littérature spécialisée par PTFE chargé, PTFE non chargé, etc... Il est de plus important que l'élément d'étanchéité présente, sur toute son étendue de surface, une épaisseur homogène pour que, en chaque point du joint étanche, un effet d'étanchéité optimal puisse être atteint.
Avantageusement, les surfaces d'étanchéité, qui doivent être amenées l'une près de l'autre avec le joint étanche entre elles, présentent, à chaque fois, une planéité telle que les écarts de la planéité absolue sont à chaque fois inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille. Cela signifie que les surfaces d'étanchéité, en raison de la faible épaisseur de feuille, doivent être planes de sorte que, cependant, des écarts inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille puissent être compensés par le joint étanche lui-même. Dans la pratique, cela signifie que les surfaces d'étanchéité sont par exemple rodées.
De préférence, les surfaces d'étanchéité présentent, chacune, des profondeurs d'aspérités de surface inférieures à la moitié de l'épaisseur de feuille. Comme il n'existe pas en pratique des surfaces absolument lisses sans aspérités de surface, il existe, dans le cas des feuilles d'étanchéité minces proposées selon l'invention, un engagement de la topologie de surface des surfaces d'étanchéité dans la matière formant le joint. Par usinage correspondant des surfaces d'étanchéité, des aspérités de surface ayant des profondeurs maximales inférieures à la moitié de l'épaisseur
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de feuille à atteindre présentent l'avantage que les aspérités s'engagent dans le joint étanche et, ainsi, empêchent encore un fluage du joint.
Le fait que les profondeurs maximales des aspérités sont plus petites que la moitié de l'épaisseur de feuille entraîne que, en aucun point des surfaces d'étanchéité, dans la mesure où elles sont constituées de métal, il n'existe un contact métal-métal.
Selon une autre réalisation avantageuse de l'invention, est prévue une variante dans laquelle le dispositif d'étanchéité proposé selon l'invention peut être utilisé dans des cas dans lesquels, en raison de réalisations particulières, les surfaces d'étanchéité ne sont pas planes, mais munies d'une structuration en relief. De telles surfaces d'étanchéité structurées peuvent être par exemple utilisées avantageusement là où, en même temps, pour la liaison étanche de deux pièces, une sécurité en torsion correspondante doit être fournie.
Il est important, dans le cas d'une telle structuration et de l'utilisation de la feuille proposée selon l'invention en tant que joint étanche, qu'il n'existe, dans la structuration des surfaces d'étanchéité, aucun bord effilé qui pourrait endommager le joint étanche réalisé en tant que feuille et, ainsi, provoquer des défauts d'étanchéité.
En totalité, il s'est révélé que les dispositifs d'étanchéité du type proposé selon l'invention sont notablement plus étanches, par rapport à des dispositifs d'étanchéité d'un type usuel, dans la plage de pressions faibles et élevées et de plus, lors de l'utilisation de PTFE ou de PTFE modifié, ils sont également appropriés pour être utilisés à des températures élevées. Il est important, pour obtenir un effet optimal d'étanchéité, comme déjà indiqué ci-dessus, que l'épaisseur de feuille soit homogène, c'est-à-dire la plus possible constante sur toute la surface de la feuille.
Les relations physiques, ainsi que les rapports formels, qui
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rendent déterminables les épaisseurs de feuille à choisir, de façon reproductible, pour les cas d'utilisation individuels sont déduits et décrits en détail ci-après.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La figure 1 montre l'agencement d'un élément d'étanchéité avec répartition des forces.
La figure 2 montre l'agencement d'une feuille d'étanchéité, en tant que joint périphérique, lors de son utilisation dans une armature pour fluide de pression.
La figure 1 montre, dans la partie supérieure, l'agencement d'un joint étanche volumineux usuel, qui se trouve entre les surfaces d'étanchéité de deux pièces à joindre. Dans ce cas, on doit expliquer pourquoi les joints étanches de ce type connu fluent. Il existe dans ce cas des zones marginales, dans lesquelles le joint étanche peut s'échapper lors du pressage des surfaces d'étanchéité, c'est-à-dire que le joint étanche commence à fluer. Ce processus de fluage ou cet effet de fluage peut être expliqué par la répartition des forces dans cette zone marginale comme suit. Les tensions de surface, qui agissent elles-mêmes par les forces de cohésion de la matière d'étanchéité, s'étendent tangentiellement à la surface.
Si l'on considère maintenant, dans la partie supérieure de cette figure, un grand rayon sur la zone marginale du joint étanche, il existe, comme cela est représenté à cet endroit, un angle d'ouverture relativement grand entre les deux vecteurs de force représentant les tensions de surface. La direction de force des tensions de surface (en unités force par longueur) est toujours orientée vers l'intérieur et est inversement proportionnelle au rayon r dans la zone marginale du joint étanche. La résultante, c'est-à-dire le vecteur d'addition des deux vecteurs
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représentés à cet endroit, est orientée, dans le cas de la courbure convexe représentée ici du joint étanche, dans la zone marginale vers l'intérieur du joint étanche.
En revanche, il se produit par la pression exercée de l'extérieur sur le joint étanche et du fait que la pression s'exerce de façon isotrope à l'intérieur du joint étanche et que la matière du joint ne peut cependant s'échapper que dans la zone marginale, une action de force sur les zones marginales du joint vers l'extérieur, c'est-à-dire dans la direction de fluage.
On obtient une force de fluage résultante en direction anti-parallèle par rapport à la résultante des tensions de surface. Comme les surfaces marginales, sur lesquelles agissent les tensions de surface ou sur lesquelles agit la pression de fluage orientée vers l'intérieur, sont identiques, il en résulte, pour la pression de fluage et les tensions de surface, le facteur 1/S (surface marginale), de sorte que, à partir des tensions de surface et de la pression de fluage, on obtient alors la force de serrage de surface et la force de fluage. ô = Fô (surface, résultante) : S (zone marginale)
P (joint étanche) = Ff (fluage) :
S (zone marginale) De plus, 6 représente la tension de surface, F g (résultante, surface) représente la force de serrage de surface, et S (zone marginale) représente la surface efficace dans la zone marginale du joint étanche, qui, en raison de la pression exercée, peut fluer.
P représente par ailleurs la pression interne exercée sur le joint étanche par pressage et régulièrement répartie dans toutes les directions dans le joint étanche, et Ff (fluage) représente la force de fluage provoquée par la pression interne du joint étanche.
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Du fait de la coopération décrite ci-dessus, on obtient alors l'égalité suivante : - ô-P
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d'où il résulte : - fro = Ff La valeur des résultantes de la force de fluage, c'est-à- dire Ff, est cependant, comme cela est visible sur cette représentation vectorielle, dans le cas de ce dimensionnement de l'épaisseur du joint étanche, plus grande que la
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valeur de la force de serrage de surface opposée F-.
On obtient ainsi : 1 Fô 1 < 1 Ff 1 La partie inférieure de la figure 1 montre l'agencement d'un joint étanche ayant une épaisseur clairement plus faible que dans la partie supérieure de cette figure. Dans ce cas, il se produit, dans la zone marginale, une courbure convexe plus forte, du fait de quoi les répartitions de forces sont également modifiées. L'angle d'ouverture des deux vecteurs représentant les tensions de surface est de plus clairement plus faible, de sorte qu'il se produit également une force de serrage de surface résultante plus grande vers l'intérieur du joint étanche. Dans ce cas, il est clair qu'il doit exister une zone de transition dans laquelle la courbure est telle que la force de serrage de surface présente une valeur identique à la force de fluage.
Comme ces deux forces résultantes sont par ailleurs anti-parallèles, c'est-à-dire orientées de façon opposée l'une à l'autre, elles s'annulent mutuellement. En d'autres termes, l'action de la force de serrage de surface est telle, dans cette zone, qu'elle s'oppose à la force de fluage et stoppe, de façon
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correspondante, l'effet de fluage. Cela signifie que, dans cet état, l'égalité suivante est atteinte : - F = F Si l'on amincit encore le joint étanche, on obtient alors : 1 Fô 1 > 1 Ff 1 Cela signifie que, lorsque l'on est en dessous d'une certaine épaisseur de feuille, l'effet de fluage est annulé et, lorsqu'une pression est exercée de l'extérieur, aucune déformation importante du joint étanche ne peut plus avoir lieu.
A partir de ce fait, il apparaît que, lors d'une réalisation du joint étanche en tant que feuille mince, la matière d'étanchéité présentant en vérité des propriétés de fluage, aucune déformation, une fois le montage effectué, ne peut plus avoir lieu. Cela signifie que le joint étanche, dans l'état monté, conserve pratiquement la forme du joint étanche dans l'état démonté. L'épaisseur de feuille vaut alors 2 r. De plus, il apparaît que, dans le cas d'un tel joint étanche mince, réalisé en tant que feuille, aucun"tassement"du joint étanche n'a lieu et, ainsi, un resserrement des éléments de liaison, qui pressent les surfaces d'étanchéité sur le joint étanche, est superflu.
De ce fait, il est également possible que des polymères présentant des propriétés de fluage soient réalisés de sorte qu'ils ne fluent plus et, ainsi, sont également utilisables pour des pressions élevées. Cela est particulièrement avantageux dans le cas où l'élément d'étanchéité est réalisé à partir de PTFE, du fait que, en particulier, la résistance à la température de la matière peut être en plus exploitée.
Par ailleurs, on obtient, en totalité, un dispositif d'étanchéité extrêmement économique. Il reste maintenant à trouver une dépendance entre la pression de pressage exercée sur le joint étanche et l'épaisseur qui doit être choisie du joint
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étanche, pour laquelle un fluage pour une pression de pressage définie n'a plus lieu. A ce propos, on doit indiqué qu'on ne trouve pas de valeurs, ou très difficilement, pour la tension de surface de corps solides dans la littérature actuelle. Cela vaut au demeurant en particulier pour la matière PTFE à l'état de corps solide à température ambiante.
Toutefois, le fluage de ce polymère est connu, de sorte que, à partir de cette propriété de fluage de l'état de corps solide à température ambiante, une tension de surface peut être également définie qui, comme cela sera décrit ci-après, peut être déterminée expérimentalement. On considère encore une fois la partie supérieure de la figure 1, dans laquelle la force de pressage, la surface, les rapports des forces, ainsi que le rayon, sont indiqués, et l'on voit que le joint étanche ne peut s'échapper que dans la zone marginale, c'est-à-dire là où sont les courbures convexes. Cette courbure peut être décrite par le rayon r qui est représenté là.
Si on veut maintenant régler l'état qui correspond au dispositif selon l'invention, on doit obtenir un équilibre entre la force de fluage et la force de serrage de surface, comme cela est représenté sur la partie inférieure de la figure 1.
Selon le principe des déséquilibres virtuels, à l'équilibre, pour une modification du rayon de dr, la variation d'énergie totale doit être nulle. Le travail effectué par la pression p (p = F/A surface d'étanchéité) pour une dilatation de dr s'exprime ainsi comme suit : dWl = p. dV La surface de la zone marginale est caractérisée ici par S et ne concerne, comme déjà représenté ci-dessus, que la surface de la partie courbée du joint étanche, c'est-à-dire dans la zone marginale, qui peut s'échapper.
Le travail effectué par la pression de pressage est, à l'équilibre,
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dans lequel un fluage est arrêté, ainsi tout à fait compensé par le travail nécessaire pour augmenter la surface de dS : dW2 = ô. dS Sur la figure 1, le joint étanche présente une section transversale rectangulaire ayant des bords cintrés de façon convexe circulaire, et il est admis que le joint étanche s'étend dans l'espace de sorte que l'on obtient un corps d'étanchéité en forme de galette présentant un contour périphérique circulaire. Si l'on considère maintenant le volume pouvant fluer d'un tel corps d'étanchéité, on obtient le long du contour périphérique un volume approché pour l'effet de fluage, lequel constitue un demi-tore.
Si l'on égalise alors à l'équilibre, les deux énergies, on obtient :
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dWl = dW2 De cela, il résulte : p. dV = 6. dS La surface sur laquelle agit le travail correspondant résulte du rayon x n-x approximativement la ligne périphérique L du contour du corps d'étanchéité.
On obtient ainsi la modification de volume :
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dV = L. "/2. r. dr et la modification de surface : dS = L. n. dr Pour respecter l'exactitude mathématique, les grandeurs infinitésimales devraient être transformées en modifications de grandeur réelles :
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dr-Ar dV AV dS AS On obtient ainsi la relation suivante :
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Les grandeurs utilisées ci-dessus fournissent la relation entre la pression de pressage, la tension de surface et le rayon de courbure r dans la zone marginale du joint étanche.
Du fait que, comme déjà indiqué, il est très difficile d'extraire de la littérature des valeurs de tension de surface de corps solides, en particulier du PTFE à l'état solide, celles-ci peuvent être déterminées expérimentalement, par l'intermédiaire de la relation ci-dessus, pour le polymère correspondant spécifiquement choisi. Par ailleurs, on obtient déjà de façon purement empirique qu'il existe, pour cette matière, une dépendance de température de la tension de surface qui, de même, peut être déterminée expérimentalement. De façon à être complet, on doit indiquer ici quelques cas d'application. Pour une surface de section transversale A de la feuille d'étanchéité de 700 mm2 et une force de pressage de 100 kN à 170 kN, on n'obtient, pour une épaisseur de feuille de 0,05 mm, pratiquement plus aucun fluage du corps d'étanchéité.
Ces valeurs sont considérées à température ambiante. En d'autres termes, cela signifie que, dans un exemple pour une force de pressage de 170 kN sur une surface de section transversale de 700 mm2, aucune déformation et aucun fluage du joint étanche n'ont plus lieu, ainsi que pour des forces de pressage plus faibles, par exemple 100 kN. L'épaisseur de feuille du joint étanche de 0,05 mm peut être obtenue de façon reproductible en choisissant un PTFE homogène. Pour des forces de pressage qui sont plus petites que les forces indiquées, on peut utiliser également de plus grandes épaisseurs de feuille de façon correspondant à la relation indiquée.
L'épaisseur de feuille que l'on doit
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choisir pour une force ou une pression de pressage correspondante, qui ne flue plus de façon correspondant aux caractéristiques de l'invention, peut ainsi être déterminée de façon simple pour chaque cas individuel d'utilisation.
A l'aide de la formule ci-dessus, l'épaisseur de feuille à chaque fois nécessaire ou l'épaisseur de feuille maximale, égale à 2 x r, peut être alors déterminée après détermination expérimentale de la tension de surface correspondant à des conditions d'utilisation spéciales (température, etc...) de la matière d'étanchéité, épaisseur pour laquelle le joint étanche ne flue plus. La valeur ainsi déterminée expérimentalement de la tension de surface est plus fiable que peut être une valeur tabularisée retirée de la littérature, du fait que la valeur déterminée expérimentalement n'est pas idéalisée, mais prend en compte toutes les conditions correspondant au cas d'utilisation.
La figure 2 montre un exemple d'utilisation d'une telle feuille d'étanchéité pour des armatures de fluide de pression. En pratique, les surfaces d'étanchéité l'et 2'des pièces 1 et 2 sont usinées et préparées de façon correspondant aux réalisations indiquées ci-dessus, le joint étanche 3 devant être alors mis en place entre elles et les surfaces l'et 2'à étanchéifier amenées l'une sur l'autre. Un vissage ultérieur le plus régulier possible des deux pièces 1 et 2 amenées l'une sur l'autre par l'intermédiaire des éléments de vissage 4 représente alors déjà la fin du montage. Comme le joint étanche est réalisé en étant aussi mince qu'une feuille et que l'épaisseur est choisie de façon qu'aucun fluage sous l'influence de la pression n'a plus lieu, il ne se produit plus de tassement du joint étanche après le premier montage.
Cela rend ainsi inutile un resserrement des éléments de vissage, qui sont formés dans ce cas de boulons.
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En totalité, on obtient ainsi un dispositif d'étanchéité sûr et en même temps économique qui, par ailleurs, est très simple à monter.
L'utilisation d'un tel dispositif d'étanchéité s'étend bien au-delà de la possibilité d'utilisation pour des armatures de fluide de pression, à d'autres domaines de la technique. Des pièces de construction, par exemple lors de la mise en place de sous-groupes électroniques dans des zones menacées par le feu ou une explosion, peuvent être dans ce cas tout à fait avantageusement étanchéifiées.
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DESCRIPTION "Sealing device" The present invention relates to a sealing device, comprising a sealing element made of a flexible material and arranged between sealing surfaces of parts to be connected.
EP-0 049 459 discloses a sealing device of this type. In this case, a flat seal made of a flexible material is arranged between the sealing surfaces of the parts to be connected. Such flat seals are used wherever it is important not to increase the length of the attachments too much. In this case, provision is made for the seal to extend in the state mounted on the outer edge of at least one of the sealing surfaces. In addition, the area of the seal extending over the edge area, which is not deformed during assembly, must guarantee the seal against displacement.
If such a sealing device is provided for parts or support elements in which a sealing must be carried out with respect to a fluid at very high pressure, there is the problem that, in the case of this flat seal made of a flexible material, the thickness of the seal provided is however always such that creep of the seal is inevitable. To prevent such creep at high pressures, it is also known to use a tight annular seal (patent EP-0 058 811), which is guided inside a groove in at least one of the surfaces of sealing, so that the sealing ring cannot escape.
However, a disadvantage in this case is that such sealing devices cannot also be provided for sealing high pressures when, at the same time, a soft sealing material is used. Furthermore, there is the disadvantage that, depending on the sealing material chosen, after assembly and a short time of use, there is a packing of the seal.
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watertight, which makes it necessary to tighten the connecting elements. Furthermore, the manufacture of an arrangement comprising a groove for the seal is expensive.
From this state of the art, the invention aims to provide a sealing device which is produced in a simple manner and can be used in particular at high pressures and at high temperatures or temperature differences.
To this end, the sealing device of the type indicated above is remarkable, according to the invention, in that the sealing element consists of a polymer in the solid state and having creep properties. and is produced in the form of a thin sheet, so that the sealing element practically retains, in the final state mounted between the sealing surfaces, the peripheral contour of the sealing element in the state previously disassembled.
By producing the sealing element as a thin sheet, which consists of a polymer in the solid state and having creep properties, a sealing device is obtained which is extremely simple and, in Consequently, economical to manufacture. In addition, the sealing sheet has a thinness such that the sealing element, in the assembled state, practically retains the peripheral contour of the sealing element in the disassembled state.
According to current knowledge, it has been deliberately renounced, in the usual way, for use as tight seals at high pressures, polymers in the solid state and having creep properties, since these, when the sealing element has a usual thickness, fluent at high pressures. The
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embodiment according to the invention as a thin sheet is further based on the observation recognized in tests that, for very small sheet thicknesses, the flow of polymers in the solid state, for example PTFE, is stopped by the surface tension in this effective case.
It is actually known from general practice, in particular for screw connections of tubes on pressure plates or the like, to use a thin strip of PTFE in the area of the thread and then to screw the tubes.
In the case of a conventional PTFE sealing strip, however, there is no uniform thickness since this is not necessary for coating the thread areas. Furthermore, the PTFE sealing strip is deformed during the screwing of the tubes and is introduced into all sealing faults due to the creep of the material, sealing them. The deformation, desired during assembly, of the known PTFE sealing strip thus makes the need for a uniform thickness of sealing strip unnecessary.
On the contrary, the sealing element of the present invention is not deformed during the production of the tight connection, but it is produced so that the sealing element, in the assembled state, retains practically the peripheral contour of the sealing element in the disassembled state, that is to say that it does not flow. This means that the sealing element according to the invention, produced as a thin sheet, of a polymer in the solid state and having creep properties is not deformed during the sealing connection. During assembly, the sealing sheet is placed on one of the sealing surfaces and is "approached" to the other sealing surface.
In an advantageous embodiment of the invention, as a polymer in the solid state and having creep properties, a sheet of PTFE is provided, which has a sheet thickness of less than 0.15 mm. This constitutes a thickness range in which the surface tension is predominant and thus prevents creep of the sealing element to
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high pressures. These high pressures relate both to the pressures of the pressure fluid guided in the parts of the installation and also to the mechanical pressing pressures on the sealing surfaces. In addition, the choice of sealant is not limited to pure PTFE, but modified PTFE can also be used.
By these modified PTFEs, we think of variants of this material which are designated in the specialized literature by loaded PTFE, unloaded PTFE, etc. It is more important that the sealing element present, over its entire extent uniform surface thickness so that, at each point of the seal, an optimal sealing effect can be achieved.
Advantageously, the sealing surfaces, which must be brought close to each other with the seal between them, have, each time, a flatness such that the deviations from the absolute flatness are each time less than the half the sheet thickness. This means that the sealing surfaces, due to the small sheet thickness, must be planar so that, however, deviations of less than half the sheet thickness can be compensated for by the seal itself. In practice, this means that the sealing surfaces are for example lapped.
Preferably, the sealing surfaces each have depths of surface roughness less than half the sheet thickness. As there are no absolutely smooth surfaces in practice without surface roughness, there is, in the case of the thin sealing sheets proposed according to the invention, a commitment of the surface topology of the sealing surfaces in the material. forming the joint. By corresponding machining of the sealing surfaces, surface roughness having maximum depths less than half the thickness
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of sheet to be reached have the advantage that the asperities engage in the seal and, thus, still prevent creep of the seal.
The fact that the maximum depths of the asperities are smaller than half the sheet thickness means that at no point on the sealing surfaces, since they are made of metal, does there exist a metal- metal.
According to another advantageous embodiment of the invention, a variant is provided in which the sealing device proposed according to the invention can be used in cases in which, due to particular embodiments, the sealing surfaces are not planar , but provided with a relief structure. Such structured sealing surfaces can for example be advantageously used where, at the same time, for the tight connection of two parts, a corresponding torsional safety must be provided.
It is important, in the case of such a structuring and the use of the sheet proposed according to the invention as a watertight seal, that there is, in the structuring of the sealing surfaces, no tapered edge which could damage the waterproof seal made as a sheet and thus cause leaks.
In total, it has been found that the sealing devices of the type proposed according to the invention are significantly more leaktight, compared to sealing devices of a conventional type, in the range of low and high pressures and plus, when using PTFE or modified PTFE, they are also suitable for use at high temperatures. It is important, in order to obtain an optimal sealing effect, as already indicated above, that the sheet thickness is homogeneous, that is to say as constant as possible over the entire surface of the sheet.
Physical relationships, as well as formal relationships, which
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make it possible to determine the sheet thicknesses to be chosen, in a reproducible manner, for the individual use cases are deduced and described in detail below.
The figures of the appended drawing will make it clear how the invention can be implemented.
Figure 1 shows the arrangement of a sealing element with distribution of forces.
FIG. 2 shows the arrangement of a sealing sheet, as a peripheral seal, when it is used in a frame for pressure fluid.
Figure 1 shows, in the upper part, the arrangement of a common bulky seal, which is located between the sealing surfaces of two parts to be joined. In this case, it must be explained why tight seals of this known type flow. In this case there are marginal zones, in which the seal can escape during the pressing of the sealing surfaces, that is to say that the seal begins to creep. This creep process or creep effect can be explained by the distribution of forces in this marginal area as follows. The surface tensions, which themselves act by the cohesive forces of the sealing material, extend tangentially to the surface.
If we now consider, in the upper part of this figure, a large radius on the marginal zone of the seal, there is, as shown here, a relatively large opening angle between the two force vectors representing the surface tensions. The force direction of the surface tensions (in force units per length) is always oriented inwards and is inversely proportional to the radius r in the marginal zone of the seal. The resultant, i.e. the vector of addition of the two vectors
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shown here, is oriented, in the case of the convex curvature shown here of the seal, in the marginal zone towards the inside of the seal.
However, it occurs by the pressure exerted from the outside on the seal and the fact that the pressure is exerted isotropically inside the seal and that the material of the seal can however escape only in the marginal zone, a force action on the marginal zones of the joint towards the outside, that is to say in the direction of creep.
A resulting creep force is obtained in an anti-parallel direction with respect to the result of the surface tensions. Since the marginal surfaces, on which the surface tensions act or on which the inwardly directed creep pressure acts, are identical, the result is, for the creep pressure and the surface tensions, the factor 1 / S ( marginal surface), so that, from the surface tensions and the creep pressure, the surface clamping force and the creep force are then obtained. ô = Fô (surface, resultant): S (marginal zone)
P (seal) = Ff (creep):
S (marginal zone) In addition, 6 represents the surface tension, F g (resulting, surface) represents the surface clamping force, and S (marginal zone) represents the effective surface in the marginal zone of the seal, which, due to the pressure exerted, may creep.
P also represents the internal pressure exerted on the seal by pressing and regularly distributed in all directions in the seal, and Ff (creep) represents the force of creep caused by the internal pressure of the seal.
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Due to the cooperation described above, we then obtain the following equality: - ô-P
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whence it results: - fro = Ff The value of the resultants of the creep force, that is to say Ff, is however, as can be seen in this vector representation, in the case of this dimensioning of the thickness of the seal, greater than the
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value of the opposite surface clamping force F-.
We thus obtain: 1 Fô 1 <1 Ff 1 The lower part of FIG. 1 shows the arrangement of a tight seal having a thickness clearly smaller than in the upper part of this figure. In this case, a stronger convex curvature occurs in the marginal zone, as a result of which the force distributions are also modified. The opening angle of the two vectors representing the surface tensions is more clearly smaller, so that a larger resulting surface clamping force also occurs towards the inside of the seal. In this case, it is clear that there must be a transition zone in which the curvature is such that the surface clamping force has a value identical to the creep force.
As these two resulting forces are moreover anti-parallel, that is to say oriented in opposite directions to one another, they cancel each other out. In other words, the action of the surface clamping force is such, in this area, that it opposes the creep force and stops, so
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corresponding, the creep effect. This means that, in this state, the following equality is reached: - F = F If we further thin the seal, we then obtain: 1 Fô 1> 1 Ff 1 This means that, when we are in below a certain sheet thickness, the creep effect is canceled and, when pressure is exerted from the outside, no significant deformation of the seal can no longer take place.
From this fact, it appears that, when producing the waterproof seal as a thin sheet, the sealing material actually having creep properties, no deformation, once the assembly has been carried out, can no longer have location. This means that the seal, in the assembled state, practically retains the shape of the seal in the disassembled state. The sheet thickness is then 2 r. Furthermore, it appears that, in the case of such a thin waterproof seal, produced as a sheet, no "packing" of the waterproof seal takes place and, thus, a tightening of the connecting elements, which press the surfaces seal on the seal, is superfluous.
Therefore, it is also possible that polymers having creep properties are produced so that they no longer flow and, thus, are also usable for high pressures. This is particularly advantageous in the case where the sealing element is made from PTFE, since, in particular, the temperature resistance of the material can be further exploited.
In addition, an extremely economical sealing device is obtained in its entirety. It now remains to find a dependence between the pressing pressure exerted on the seal and the thickness which must be chosen from the seal.
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tight, for which creep for a defined pressing pressure no longer takes place. In this connection, it should be noted that values for the surface tension of solid bodies are not found, or very difficult to find in the current literature. This also applies in particular to the PTFE material in the form of a solid body at room temperature.
However, the creep of this polymer is known, so that, from this creep property of the state of solid body at room temperature, a surface tension can also be defined which, as will be described below, can be determined experimentally. We again consider the upper part of FIG. 1, in which the pressing force, the surface, the force ratios, as well as the radius, are indicated, and it can be seen that the seal cannot escape. only in the marginal zone, that is to say where the convex curvatures are. This curvature can be described by the radius r which is represented there.
If we now want to adjust the state which corresponds to the device according to the invention, we must obtain a balance between the creep force and the surface clamping force, as shown in the lower part of FIG. 1.
According to the principle of virtual imbalances, at equilibrium, for a modification of the radius of dr, the total energy variation must be zero. The work performed by the pressure p (p = F / A sealing surface) for an expansion of dr is expressed as follows: dWl = p. dV The surface of the marginal zone is characterized here by S and concerns, as already represented above, only the surface of the curved part of the seal, that is to say in the marginal zone, which can be escape.
The work carried out by the pressing pressure is, at equilibrium,
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in which a creep is stopped, thus completely compensated by the work necessary to increase the surface of dS: dW2 = ô. dS In FIG. 1, the seal has a rectangular cross section having edges convexly circularly curved, and it is accepted that the seal extends in space so that a sealing body is obtained wafer-shaped with a circular peripheral contour. If we now consider the volume that can flow from such a sealing body, we obtain along the peripheral contour an approximate volume for the creep effect, which constitutes a half-torus.
If we then equalize the two energies at equilibrium, we obtain:
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dWl = dW2 From this it follows: p. dV = 6. dS The surface on which the corresponding work acts results from the radius x n-x approximately the peripheral line L of the contour of the sealing body.
The volume modification is thus obtained:
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dV = L. "/ 2. r. dr and the surface modification: dS = L. n. dr To respect the mathematical accuracy, the infinitesimal quantities should be transformed into modifications of real magnitude:
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dr-Ar dV AV dS AS We thus obtain the following relation:
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The quantities used above provide the relationship between the pressing pressure, the surface tension and the radius of curvature r in the marginal region of the seal.
Since, as already indicated, it is very difficult to extract from the literature surface tension values of solid bodies, in particular solid-state PTFE, these can be determined experimentally, via from the above relationship, for the corresponding polymer specifically chosen. Furthermore, it is already obtained purely empirically that there exists, for this material, a temperature dependence on the surface tension which, likewise, can be determined experimentally. In order to be complete, we must indicate here some cases of application. For a cross-sectional area A of the sealing sheet of 700 mm 2 and a pressing force of 100 kN to 170 kN, for a sheet thickness of 0.05 mm, practically no more body creep is obtained. sealing.
These values are considered at room temperature. In other words, this means that, in an example for a pressing force of 170 kN on a cross-sectional area of 700 mm2, no deformation and no creep of the seal takes place, as well as for forces lower pressing pressures, for example 100 kN. The sheet thickness of the seal of 0.05 mm can be obtained reproducibly by choosing a homogeneous PTFE. For pressing forces which are smaller than the indicated forces, it is also possible to use greater sheet thicknesses corresponding to the indicated relationship.
The sheet thickness you need
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choosing for a corresponding pressing force or pressure, which no longer flows in a manner corresponding to the characteristics of the invention, can thus be determined in a simple manner for each individual use case.
Using the above formula, the sheet thickness each time required or the maximum sheet thickness, equal to 2 xr, can then be determined after experimental determination of the surface tension corresponding to conditions d 'special use (temperature, etc.) of the sealing material, thickness for which the seal no longer flows. The value thus determined experimentally of the surface tension is more reliable than can be a tabularized value withdrawn from the literature, because the value determined experimentally is not idealized, but takes into account all the conditions corresponding to the use case .
FIG. 2 shows an example of the use of such a sealing sheet for reinforcements of pressure fluid. In practice, the sealing surfaces 1 and 2 ′ of the parts 1 and 2 are machined and prepared in a manner corresponding to the embodiments indicated above, the sealing gasket 3 then having to be placed between them and the surfaces 1 and 2 'to seal them brought one over the other. The most regular possible subsequent screwing of the two parts 1 and 2 brought to one another via the screwing elements 4 then already represents the end of the assembly. As the seal is made by being as thin as a sheet and the thickness is chosen so that no creep under the influence of pressure takes place, there is no more packing of the seal after the first assembly.
This therefore makes it unnecessary to tighten the screw elements, which in this case are formed of bolts.
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In total, this gives a secure and at the same time economical sealing device which, moreover, is very simple to assemble.
The use of such a sealing device extends well beyond the possibility of use for reinforcements of pressure fluid, to other fields of the technique. Construction parts, for example when installing electronic sub-groups in areas threatened by fire or an explosion, can in this case be quite advantageously sealed.