Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden zweier Rohrenden mit einem diese in Längsrichtung überspannenden und deren Umfang mit Spiel umgebenden Gehäuse, und mit einer in einem zwischen den Rohrenden und dem Gehäuse vorgesehenen Ringraum angeordneten Manschette, die mittels eines Druckmediums eine Abdichtung der Rohrenden bewirkt, wobei der Ringraum zwischen dem Gehäuse und den Rohrenden beiderseits der Manschette jeweils durch mindestens einen Ring nach aussen abgeschlossen ist, der mit seinem Aussenrand am Gehäuse abgestützt ist und der einzelne Abschnitte mit gegen das entsprechende Rohrende gerichtete Ränder aufweist, die bei beaufschlagter Manschette mit dem entsprechenden Rohrende in Eingriff bringbar sind.
Die Patentliteratur ist ausserordentlich reich an Rohrkupplungen. Als Beispiele seien hier folgende USA-Patentschriften genannt: 1 984 806, 2 099 722, 2 226 304, 2 259 453, 2 388 925, 2 451 354, 2 523 716, 2 822 192, 3 023 995 und 3 033 594. Allen diesen Kupplungen ist gemeinsam, dass ein durch ein Druckmedium beaufschlagbares Dichtelement vorgesehen ist, das vor allem die Abdichtung der Rohrenden gegenüber der Umgebung übernimmt, wobei es unter diesen Rohrkupplungen sogenannte Selbstdichtende gibt, bei denen das auf das Dichtelement wirksame Druckmedium mit dem in den Rohren geführten Medium identisch ist, und solche, bei denen ein vom Rohrinhalt unabhängiges Druckmedium anzuwenden ist.
Die erwähnten Rohrkupplungen eignen sich nur für Rohre, die einen verhältnismässig bescheidenen Nenndruck führen, weil das durch das Druckmedium beaufschlagte Element eine verhältnismässig niedrige Fliessgrenze aufweist, die es dem Element als solchem nicht gestattet, höheren Drücken sei es durch das Druckmedium oder durch den Rohrinhalt, denen es zwangsläufig ausgesetzt ist, zu widerstehen.
Es ist daher bereits eine Kupplung der eingangs gen an ten Art vorgeschlagen worden. Bei dieser Kupplung dienen die Abschnitte der Ringe dazu, in den Spalt zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Aussenseite der Rohre, d. h. gerade in die kritische Stelle, Hindernisse zu legen, die verhindern sollen, dass die Manschette auch unter höherer Druckbeanspruchung durch den Spalt zu fliessen beginnt.
Eine solche Rohrkupplung ist z. B. in der USA Patentschrift 2 491 004 beschrieben. Obwohl bei dieser bekannten Kupplung die erwähnten Abschnitte Hindernisse gegen das Fliessen des Manschettenmaterials bilden, hat die Erfahrung gezeigt, dass bei höheren Drücken und/oder bei häufigen Druckwechseln diese Hinternisse nicht genügen, und dass die Manschette mit der Zeit unter plastischer Deformation durch die zwischen den Abschnitten der Ringe vorhandenen Schlitze hindurch gepresst wird, was sich sehr bald durch ein Verlust der Dichtheit, d. h. mit einem Versagen der ganzen Kupplung bemerkbar macht. Somit ist auch die obere Druckgrenze, bis zu welcher diese bekannte Kupplung vernünftigerweise anwendbar ist, verhältnismässig bescheiden, will man auch nach längerer Einbauzeit noch Gewähr für eine einwandfreie Rohrverbindung haben.
Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung einer Kupplung der eingangs genannten Art, bei der die genannten Nachteile weitgehend behoben sind.
Die Erfindung stützt sich auf die Erkenntnis, dass die genannten Nachteile sich beheben lassen, wenn der Raum, in welcher die Manschette angeordnet ist, bei beaufschlagter Manschette gegenüber der Umgebung vollkommen und lückenlos abgeschlossen wird, d. h. wenn kein noch so kleiner Abschnitt der mit Druckmedium beaufschlagten Manschette unmittelbar mit der Umgebung in Berührung steht.
Gestützt auf diese Erkenntnis wird eine Kupplung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die einzelnen Abschnitte jedes Ringes überlappen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Rohrkupplung;
Fig. 2 in vergrössertem Massstab einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht eines Teiles eines Ringes in ausgebautem Zustand;
Fig. 4 einen Schnitt in der Darstellungsweise der Fig. 2 einer Ausführungsvariante und
Fig. 5 einen Schnitt in der Darstellungsweise der Fig. 2 einer weiteren Ausführungsvariante.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Kupplung 10 dargestellt, die ein Gehäuse 11 mit einem hohlzylindrischen Mittelabschnitt 12 aufweist, an dessen beide Enden je ein zu der Gehäuseachse hin konvergierender Endabschnitt 13 anschliesst. In Fig. 1 und 2 ist nur der eine Endabschnitt rechts dargestellt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, greifen durch das Gehäuse 11 die zu verbindenden Rohrenden 14, 15 deren Stossstelle 16 etwa in die Längsmitte des Gehäuses zu liegen kommt. Daraus ergibt sich, dass zwischen der Innenseite des Gehäuses 11 und der Aussenseite der Rohrenden 14, 15 ein Mantelraum freibleibt.
In diesem Mantelraum ist eine Manschette 19 untergebracht, die einen verstärkten, zylindrischen Mittelteil 17 aufweist, während deren dünnere Endteile 18 nach aussen zurückgestülpt sind und in der Art von Dichtlappen an der Innenwand des Mittelteiles 12 des Gehäuses dichtend anliegen. In Fig. 2 ist nur der rechts erscheinende Endteil 18 der Manschette 19 dargestellt. Es versteht sich indessen, dass an beiden Enden des Mittelteiles 17 ein solcher Endteil 18 anschliesst.
Über ein abschliessbares Ventil 20 (das in Fig. 1 mit übergestülpter Schutzkappe dargestellt ist) ist der Zwischenraum 121 zwischen der Innenwand des Gehäusemittelabschnittes 12 und der Aussenseite der Manschette 19 mit einem praktisch inkompressiblen Druckfluidum beschickbar, welches die Manschette 19 zwingt, sich auszudehnen, d. h. den Zwischenraum 121 zu vergrössern.
Die bisherige Beschreibung der Kupplung ist eine Zusammenfassung z. B. aus der USA-Patentschrift 3 420 554 oder auch der deutschen Patentschrift 1 264 184, in welchen eingehend das grundsätzliche Zusammenwirken zwischen Manschette 19 und Gehäuse 11 beim Beschicken der Kupplung mit Druckfluidum beschrieben ist.
Bei der hier beschriebenen Kupplung 10 ist die Manschette 19 mit ihrer der Innenwand des Gehäuses abgekehrten Seite in einem Elastomerbett 21 eingebettet. Dieses Bett 21 kann die Form einer glatten Hülse haben, oder, wie in der dargestellten Ausführungsform, aus einem mittleren rohrförmigen Abschnitt 22 bestehen, an dessen beiden Enden sich jeweils ein mit dem Abschnitt 22 einstückiger Profilring 23 (nur einer in Fig. 2 sichtbar) anschliesst. Sowohl der Abschnitt 22 als auch die Profilringe 23 sind massive d. h. hohlraumfreie Elastomerteile, z. B. Vollgummiteile, die zwar elastisch deformierbar aber nicht kompressibel sind.
In den Abschnitt 22 ist ausserdem eine biegesteife Verstärkungseinlage 24 eingebettet, die einerseits eine plastische Deformation des Abschnittes 22 in den Stossspalt 16 bei mit Druck beaufschlagter Manschette 19 und druckfreiem Rohrinnenraum verhindert, andererseits aber auch die Manschette 19 gegen eine Verletzung durch von den Rohrenden abstehende Gräte schützt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die dargestellte Kupplung in der Lage ist, roh abgetrennte Rohrenden, die keiner weiteren Bearbeitung bedürfen, einwandfrei zu verbinden. Ebenso brauchen dieAussen masse der Rohre 14, 15 nicht in engen Toleranzgrenzen zu liegen, oder frei von Formfehlern zu sein, um eine einwandfreie Verbindung durch die Kupplung 10 zu gewährleisten.
Zwischen dem Elastomerbett 21 und der Aussenseite der Rohre 14 und 15 ist im Bereich des Überganges zwischen Abschnitt 22 und Profilring 23 ein in seinem Profil nach aussen konvexer Ring 28 aus Federstahl eingelegt. Dieser Ring 28 ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Auf dessen Zweck wird später noch zurückzukommen sein.
Der Spalt 25 zwischen Gehäuse 11 und der Aussenseite der Rohre 14 und 15 ist durch einen Ring 27 überbrückt, der somit den Raum, der von der Manschette 19 und dem Elasto merbett 21 eingenommen wird, von der Umgebung abschliesst.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, ist der Ring 27 mit seinem Aussenrand insofern an der Innenseite des Gehäuses
11 gelenkig abgestützt, als er an einen in das Gehäuse 11 zwischen Mittelabschnitt 12 und Endabschnitt 13 eingesprengten Federring 26 anliegt. Da dieser Federring 26 auch bei radialer Krafteinwirkung seinen Durchmesser nicht verkleinern kann, weil seine Enden, wie in Fig. 1 dargestellt, stumpf aneinander stossen, bleibt auch der Ring 27 im Gehäuse 11 gefangen.
Mit besonderem Hinweis auf die Fig. 3 soll nun die Gestalt des Ringes 27 beschrieben werden. Der Ring 27 besteht im Prinzip aus einem zu einem konusförmigen Ring aufgebogenen Band. In diesem Band sind in regelmässigen Abständen quer zur Längsrichtung des Bandes und von einer dessen Seitenkanten ausgehende Einschnitte 30 in Form eines J ausgebildet.
Dadurch wird die eine Längsseite des Bandes in eine Anzahl Lamellen 31 unterteilt, wobei jede Lamelle einen Lappen 32 aufweist, der die angrenzende Lamelle 31 etwas überdeckt, sowie einen Lappen 33, der die Verbindung zum Band herstellt.
Die Lappen 32 sind aus der vom Band und den Lappen 33 gegebenen Fläche leicht ausgebogen, so dass die die Einschnitte 30 begrenzenden Kanten nicht aufeinanderstossen. Dies ist in Fig. 3 deutlich dargestellt. Wird nun dieses Band um eine quer zu seiner Ebene liegendeBiegeachse zu einem Ring aufgebogen, so überdecken die Lappen 32 der einen Lamelle 31 in zunehmendem Masse die Lappen 32 der angrenzenden Lamelle 31, so dass die Lamellen eine schuppenartige Anordnung einnehmen. Zugleich wird das Band zu einem kegelstumpfförmigen Ring, wobei die Endabschnitte des Bandes sich ihrerseits überlappen. In diesem zu einem Ring gebogenen Zustand wird das Band aus der in Fig. 3 dargestellten Lage gebracht, wobei die von Einschnitten freie Seitenkante zum Anliegen an den Federring 26 und an die Innenseite des Gehäuses 11 kommt.
Solange die Manschette 19 nicht mit Druck beaufschlagt ist, ist der Öffnungswinkel des vom Ring 27 definierten Kegelstumpfes verhältnismässig gering. Bei dem durch das An liegen an den Ring 26 gegebenen Durchmesser der grösseren
Grundfläche dieses Kegelstumpfes ist somit der Durchmesser der kleineren Grundfläche dieses Hohlkegels verhältnismässig gross, d. h. der lichte Innendurchmesser der ganzen Kupplung
10 auf seinen grössten Wert. Ausserdem sind zwischen den einzelnen Lamellen 31, bei druckfreier Manschette, noch kleine Spalte vorhanden, die mit den Spalten eines Jalousieladens vergleichbar sind.
Werden nun in die bisher beschriebene Anordnung die zu verbindenden Rohrenden 14, 15 eingeführt und der Manschette 19 über das Ventil 20 das Druckmedium zugeführt, so sind folgende Vorgänge feststellbar. Zunächst drängt die Manschette 19, bzw. deren Mittelteil 17 den Abschnitt 22 des Elastomerbettes radial nach innen zum dichtenden Aufliegen auf die Rohrenden. Bei anwachsendem Druck in der Manschette 19 hat diese sowie das Elastomerbett 21 keine Möglichkeit mehr, weiter radial nach innen auszuweichen. Demzufolge geht die Ausweichbewegung in die axiale Richtung über, und über Profilring 23 beginnt auf den Ring 27 ein Druck wirksam zu werden. Dieser Druck bewirkt zunächst, dass der Ring 27 seinen Öffnungswinkel vergrössert und somit mit seinem gezackten Innendurchmesser, der durch die Verschränkung der Lamellen 31 gegeben ist, zum Aufliegen auf den Aussendurchmesser der Rohre kommt.
Damit ist der Raum, in welchem die Manschette 19 und das Elastomerbett 21 sich befinden, mit Ausnahme der kleinen Spalte zwischen den einzelnen Lamellen 31 des Ringes 27 von der Umgebung abgeschlossen. Bei weiter ansteigendem Druck in der Manschette 19 wird sodann die Schränkung der Lamellen 31 rückgängig gemacht, so dass auch diese kleinen Spalte geschlossen werden. Keines der unter Druck stehenden Materialien zwischen dem Gehäuse 11 und den Rohren 14, 15 hat nun eine Möglichkeit, zum Fliessen zu kommen, selbst wenn die Druckbeanspruchung die Fliessgrenze dieser Materialien bereits überschritten hat.
Es ist noch zu erwähnen, dass bei der beschriebenen Verengung des Ringes 27 die Spitzen 32' der Lappen 32 der Lamellen 31 sich in die Aussenfläche der Rohre verkrallen und somit zu einer kraft- und formschlüssigen Verbindung der beiden Rohrenden 14, 15 über Ring 27 rechts, Ring 26 rechts, Gehäuse 11, Ring 26 links, und Ring 27 links (beide nicht dargestellt) führen. Dieses Verkrallen wird noch entscheidend verstärkt im Moment, da die Schränkung der Lamellen 31 bei wachsendem Innendruck in der Manschette 19 rückgängig gemacht wird.
Wird nun der Innenraum der Rohre 14, 15 unter Druck gesetzt, so wirkt sich dieser Druck über den Stoss 16 zusätzlich dahingehend aus, dass der axiale Druck auf die Ringe 27 und damit deren Verkrallen einerseits und Verschliessen der Spalte zwischen den Lamellen 31 noch verstärkt. Dadurch wird die Kupplung 10 auch in die Lage versetzt, die bei wachsendem Innendruck in den Rohren 14, 15 auftretenden Axialkräfte, die bestrebt sind, die Rohre 14, 15 auseinanderzutreiben, direkt über metallene Bestandteile (Ring 27, Ring 26, Gehäuse 11) aufzunehmen, ohne dass die gummielastischen Teile einer Scherbeanspruchung ausgesetzt würden. Eine Verschiebung der Rohre 14 und 15 in axialer Richtung wird verhindert.
Im Zusammenhang mit dem Elastomerbett 21 ist der Federring 28 mit dem nach aussen gewölbten Profil erwähnt worden. Dieser liegt, wie in Fig. 2 dargestellt, mit seinen Endkanten satt auf dem Aussendurchmesser des Rohres 14 auf und lässt einen Zwischenraum 34 zwischen diesem und dem Elastomerbett 21 frei. In diesem Zwischenraum ist Luft, d. h.
ein kompressibles Medium. Im übrigen Raum der Kupplung 10 sind zwar deformierbare aber inkompressible und unter Druck stehende Bestandteile vorhanden, die ganz unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Temperaturschwankungen, denen eine solche Kupplung unweigerlich ausgesetzt ist, würden somit zu momentanen Druckmaxima bzw.
Druckminima führen, die die Festigkeit des Gehäuses 11 und der Rohre 14, 15 überschreiten bzw. die einwandfreie Kupplungswirkung in Frage stellen würden, wäre nicht ein kompressibler Bestandteil im Kupplungsraum vorhanden.
Dieser kompressible Bestandteil ist durch den Ring 28 und das im Zwischenraum 34 vorhandene Luftkissen gegeben, welcher, wie jeder Fachmann einzusehen vermag, dazu dient,
Volumenänderungen infolge thermischer Ausdehnung bzw.
thermischen Schwindens zu kompensieren. Wird der Kupplungsraum z. B. bei A1-Rohren infolge steigender Temperaturen geringer, würde also der Kupplungsdruck dadurch auf einen Spitzenwert ansteigen, wird der Ring 28 einfach plattgedrückt, und somit der eigentliche Druckraum der Kupplung seinem Volumen nach konstant gehalten.
Dies ist auch bei der Ausführungsform der Fig. 4 der Fall, die sich von jener der Fig. 3 lediglich in der Querschm.tts form des dem Federring 28 der Fig. 3 entsprechenden Elementes unterscheidet.
Man erkennt in Fig. 4 an der Kupplung 10 das Gehäuse
11 mit Mittelabschnitt 12 und Endabschnitt 13, die beiden Rohrenden 14, 15 mit dazwischenliegendem Rohrstoss 16, die Manschette 19 mit Mittelteil 17 und nach aussen zurückge stulptem Endteil 18, das Elastomerbett 21 mit seinem rohrförmi.
gen Abschnitt 22, in den die Verstärkungseinlage 24 eingebettet ist. An den Abschnitt 22 schliesst ein hohler Federring 28a an, dessen Querschnitt etwa die Form einer Haarnadel aufweist. Der von diesem umschlossene Zwischenraum 34a mit der darin enthaltenen Luft bildet den im Druckraum der Kupplung 10 notwendigerweise vorzusehenden kompressiblen Bestandteil.
Entsprechend der Form des Ringes 34a sind zwei Elasto mer-Profilringe 23a und 23b vorgesehen, wobei der Profilring 23a an die Manschette 19 anschliesst und der Profilring auf den lamellierten Federring 27, der im übrigen wiederum auf dem runden Federring 26 abgestützt ist.
In der Fig. 4 ist dagegen eine Ausführungsform dargestellt, die sich für besonders hohe Drücke und/oder solche Rohre eignet, deren Oberfläche eine nicht ausreichend feste Verankerungsmöglichkeit für nur einen Lamellenkranz am Ring 27 bietet. Solche Rohre sind z. B. Rohre aus glasfaser verstärkten Harzen, die wohl eine im Vergleich zum Laufmetergewicht hohe Druckfestigkeit bezüglich Innendruck und eine hohe Zugfestigkeit in axialer Richtung aufweisen, deren
Aussenfläche indessen - im Vergleich zu Metallrohren¯ kaum eine nennenswerte Scherbeanspruchung erträgt.
Der Einfachheit halber sei daher nur noch auf die wesentlichen Unterschiede der Ausführungsform der Fig. 5 gegenüber jenen der Fig. 1-4 eingegangen.
Der auffallendste Unterschied besteht darin, dass drei ge wissermassen in Serie geschaltete Ringe 27a, 27b und 27c vor gesehen sind.
Jeder dieser Ringe ist ähnlich ausgestaltet wie der Ring 27 der Fig. 14 und ist mit seinem Aussendurchmesser an der
Innenseite des Gehäuses abgestützt. Namentlich liegt der Ring
27a am Ring 26 an. An den Ring 27a schliesst ein weiterer
Federring 36 mit flachem Profil an, der als Anschlag für den
Ring 27b dient. An diesen schliesst wiederum ein Federring 37 mit flachem Profil an, der als Anschlag für den Ring 27c dient.
Auf diesem liegt ein gewölbter Federring 28b auf, der nicht nur funktionell den Ringen 28, 28a entspricht, sondern auch dazu dient, die vom Elastomerbett 21 ausgehende Druck wirkung auf den Ring 27c zu übertragen. In den Zwischen räumen zwischen den Ringen 27a, b und c sind Profilringe
35 z. B. aus Vollgummi vorgesehen, die diese Zwischenräume vollständig ausfüllen.
Wenn nun die in Fig. 5 dargestellte Kupplung unter Druck gesetzt wird, so verhalten sich die Ringe 27a, b und c im Prin zip gleich wie der Ring 27, d. h. sie krallen sich unter gleich zeitigem Verschliessen der Spalten zwischen den Ringlamellen in der Aussenfläche der zu verbindenden Rohrenden fest.
Da nun drei hintereinander angeordnete Kränze von Lamellen in dem Rohr verkrallt sind, ist diese Verankerung an sich schon fester. Falls aber das Material der Rohre 14a, 15a duktil ist, d. h. nicht die erforderliche Härte aufweist, würden die Enden der Lamellen der Ringe 27 a-c allmählich in den Rohren 14a,
15a versinken , was zu einem Druckverlust im Kupplungs raum und letzten Endes zu einem Versagen der Rohrverbin dung führen würde.
Um Sicherheit gegen diese Möglichkeit zu bieten, sind die
Elastomerringe 35 vorgesehen, deren Querschnitt, wie er wähnt, praktisch den ganzen Zwischenraum zwischen den
Ringen 27a und b bzw. c einnimmt. Da diese Ringe 35 ver formbar aber nicht komprimierbar sind, ist auch dem Ein dringen der Spitzen der Lamellen der Ringe 27a bis c in die Aussenfläche der Rohre 14a, 15a eine enge Grenze gesetzt, weil bei zunehmendem Eindringen der Lamellenspitzen der Ringe 27a bis c die Querschnittsfläche des dazwischenliegenden Zwischenraumes abnimmt. Die Elastomerringe lassen aber, da inkompressibel, eine solche Abnahme der Querschnittsfläche nur solange zu, bis ihr eigener deformierter Querschnitt die vorhandenen Unebenheiten an den lamellierten Ringen ausgefüllt hat. Danach sind die Ringe 27a bis 27c in ihrer verankerten Lage blockiert.