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Die
Erfindung betrifft eine Flanschverbindung.
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Herkömmliche
Flanschverbindungen umfassen zwei lösbar miteinander zu verbindende
Flansche, von denen wenigstens einer der Flansche eine ringförmige Innenmantelfläche hat
und beide Flansche radial außerhalb
der Innenmantelfläche
sich einander gegenüberliegende
ringförmige
Flanschdichtflächen
haben. Zwischen den Flanschdichtflächen ist mit Vorspannung ein
die Innenmantelfläche umschließender,
elastischer Dichtring angeordnet. Bei dem Dichtring handelt es sich üblicherweise
um eine Ringscheibe aus gummielastischem Material, die zwischen
den ebenen, zueinander parallelen Flanschflächen der Flansche eingespannt
ist. Die Flansche sind in der Regel durch eine Vielzahl am Umfang
verteilter Schraubverbindungen lösbar
gegeneinander gespannt.
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Im
hygienischen Bereich, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie,
müssen
Sackräume
oder Kehlen zwischen den beiden Flanschen vermieden werden, da sich
hier kontaminierende Rückstände sammeln
können.
Darüber
hinaus muss sichergestellt sein, dass die Flanschverbindung überdrucksicher,
aber auch unterdrucksicher ist, so dass sie bei Vakuum-Apparaten
oder dergleichen eingesetzt werden kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine abgedichtete Flanschverbindung anzugeben,
die erhöhten
hygienischen Bedingungen genügt.
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Die
Erfindung geht aus von einer Flanschverbindung mit zwei lösbar miteinander
zu verbindenden Flanschen, von denen wenigstens einer der Flansche
eine ringförmige
Innenmantelfläche
hat und beide Flansche radial außerhalb der Innenmantelfläche sich
einander gegenüberliegende
ringförmige
Flanschdichtflächen
haben und mit einem zwischen den Flansch dichtflächen mit Vorspannung angeordneten, die
Innenmantelfläche
umschließenden,
elastischen Dichtring.
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Ausgehend
von einer solchen Flanschverbindung wird die vorstehende Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass sich die Dicke des unverspannten Dichtrings zwischen seinen
beiden Dichtflächen
radial von der Innenmantelfläche
weg oder/und die Breite des Spalts zwischen den Flanschdichtflächen radial
zur Innenmantelfläche
hin verjüngt,
derart, dass die Vorspannung des verspannten Dichtrings von einem
vorgegebenen Wert, insbesondere ihrem Maximalwert, auf der Seite
der Innenmantelfläche
nach radial außen
zu abnimmt.
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Bei
einer solchen Flanschverbindung entsteht die höchste Flächenpressung des Dichtrings beim
Verspannen der beiden Flansche auf der produktberührten Seite,
das heißt
an der Innenmantelfläche.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich an der produktberührten Seite
keine Spalte an den metallischen Berührflächen der Flansche bilden, in die
kontaminierende Produktreste eindringen können.
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Soweit
hier und im Folgenden von Flanschen die Rede ist, soll es sich um
ringförmige
Bauelemente handeln, die fest mit anderen, durch die Flanschverbindung
zu verbindenden Komponenten verbunden, beispielsweise verschweißt sein
sollen und als Träger
der die Flansche verbindenden Befestigungsorgane dienen können. Die
Flansche können
an Enden von produktführenden
Rohren angeordnet sein, so dass die Innenmantelfläche durch
den Endbereich des Rohrs gebildet ist. Die Innenmantelfläche kann aber
auch unmittelbar durch den Flansch gebildet sein. Unter Flanschen
im vorstehenden Sinn sollen jedoch auch Randbereiche sonstiger Bauelemente, wie
zum Beispiel eines Verschlussdeckels oder dergleichen, verstanden
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die lichte Weite des Dichtrings
so gewählt,
dass der Dichtring im verspannten Zustand im Wesentlichen bündig mit
der Innenmantelfläche
abschließt.
Auch diese Maßnahme
trägt zur
Vermeidung kontaminierender Spalte zwischen den Flanschflächen bei.
Um zu verhindern, dass der Dichtring beim Verspannen radial verrutscht,
hat wenigstens einer der Flansche bevorzugt eine den Dichtring radial
außen
ringförmig umschließende Stützschulter.
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Die
einander zugewandten Flanschflächen sind
zweckmäßigerweise
eben und werden durch die bevorzugt radial außerhalb des Dichtrings um diesen herum
angeordneten Befestigungsschrauben beim Schließen der Flanschverbindung in
Anlagekontakt zueinander gebracht. Für die radiale Fixierung des Dichtrings
kann an diesem wenigstens eine Stützrippe vorgesehen sein, mit
der er in eine Stütznut
nahe der Flanschdichtfläche
des der Stützrippe
zugewandten Flansches greift. Die Stütznut bildet die vorstehend
erwähnte
Stützschulter,
ohne das ebenflächige Aufeinanderliegen
der Flanschflächen
zu behindern. Bevorzugt umschließt auf der der Flanschdichtfläche abgewandten
Seite der Stütznut
ein ringförmiger Ausdehnungsraum
den Dichtring unmittelbar. In den Ausdehnungsraum kann beim Verspannen
des Dichtrings eventuell vorhandenes überschüssiges Dichtringmaterial hineinverdrängt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Dichtring im Wesentlichen
L-förmiges Querschnittsprofil,
dessen erster Profilschenkel die beiden Dichtflächen bildet und dessen zweiter
Profilschenkel die Stützrippe
bildet. Zur Unterbringung eines solchen Dichtrings umschließt die ringförmige Stütznut einen den
ersten Profilschenkel aufnehmenden, zur Innenmantelfläche reichenden,
ringförmigen
Aufnahmeraum, der die Flanschdichtfläche des die Stütznut enthaltenden
Flansches bildet.
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Die
den radial nach außen
sich verringernden Verlauf der Flächenpressung des Dichtrings
bewirkenden Abmessungen der Flanschdichtflächen einerseits und der Dicke
des Dichtrings andererseits können
sowohl durch geeigneten Verlauf der Flanschdichtflächen relativ
zueinander als auch durch geeigneten Verlauf der Dichtflächen des
Dichtrings relativ zueinander realisiert werden. Beide Abmessungsmaßnahmen
können
gemeinsam an der Flanschverbindung vorgesehen sein, so dass sie
sich gegenseitig unterstützen.
Im Prinzip genügen
jedoch auch Maßnahmen,
die entweder nur die Flanschdichtflächen oder nur die Dichtflächen des
Dichtrings betreffen. So kann beispielsweise die Flanschdichtfläche des
den Aufnahmeraum für
den Dichtring bildenden Flansches konusförmig sein, während die
Flanschdichtfläche
des anderen Flansches eben ist und senkrecht zur Konsusachse der
konusförmigen
Flanschdichtfläche
verläuft.
Der Kegelöffnungswinkel
der konusförmigen
Flanschdichtfläche
beträgt
zweckmäßigerweise
165° bis
175° und
liegt vorzugsweise bei etwa 170°.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der vorstehend erläuterte
Dichtring zusätzlich auf
der von der Innenmantelfläche
und damit der produktberührten
Seite radial abgewandten Seite der Stützrippe mit einem Dichtschenkel
versehen, der seinerseits mit Vorspannung zwischen einander sich gegenüberliegenden,
weiteren, ringförmigen
Flanschdichtflächen
der beiden Flansche angeordnet ist. Ein solcher Dichtschenkel bildet
eine Vordichtung, die einerseits die Dichtwirkung des Dichtrings
auf der produktberührten
Seite verbessert und andererseits das Eindringen von Keimen von
außen
erschwert.
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Wenngleich
der Dichtschenkel herkömmliche
Querschnittsform haben kann und beispielsweise als Dichtlippe oder
Dichtrippe ausgebildet sein kann, so ist auch hier bevorzugt vorgesehen,
dass sich die Dicke des unverspannten Dichtschenkels zwischen seinen
beiden Dichtflächen
radial zur Innenmantelfläche
hin oder/und die Breite des Spalts zwischen den weiteren Flanschdichtflächen radial von
der Innenmantelfläche
weg verjüngt,
derart, dass die Vorspannung des verspannten Dichtschenkels nach
radial außen
hin zunimmt. Zweckmäßigerweise hat
die Vorspannung des verspannten Dichtschenkels am Außenumfang
des Dichtschenkels ihren Maximalwert.
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Bevorzugt
hat der Dichtring ein im Wesentlichen T-förmiges Querschnittsprofil mit
radial beiderseits von der Stützrippe
abstehenden Dichtschenkeln, wobei jeder dieser beiden Dichtschenkel
zwischen den Flanschdichtflächen
bzw. weiteren Flanschdichtflächen
der beiden Flansche eingespannte Dichtflächen hat. Die Stütznut kann
radial beiderseits der Stützrippe
je einen die Flanschdichtfläche
bildenden Aufnahmeraum zur Aufnahme eines der Dichtschenkel bilden,
wie dies vorangegangen für
den Dichtring mit L-förmigem
Querschnittsprofil erläutert wurde.
Insbesondere können
die Flanschdichtflächen
beider Aufnahmeräume
konusförmig
geformt sein, während
die Flanschdichtfläche
des anderen Flansches wiederum eben ist.
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Die
Stütznut
kann zur axialen Fixierung des Dichtrings ausgenutzt werden, beispielsweise
indem sie mit einer Hinterschneidung versehen ist, hinter der die
elastische Stützrippe
eingeklemmt wird.
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Soweit
wenigstens eine der Flanschdichtflächen Konusform hat, können die
Dichtflächen
des unverspannten Dichtrings zueinander parallel verlaufen, was
zu vergleichsweise einfachen Profilquerschnitten des Dichtrings
führt.
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Insbesondere
kann der Dichtring aus einem Strangprofilabschnitt gebildet sein,
dessen Enden miteinander verbunden, beispielsweise entlang einer schräg verlaufenden
Stoßstelle
miteinander vulkanisiert sein können.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.
Hierbei zeigt:
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1 eine
Schnittansicht durch eine Hälfte einer
ansonsten rotationssymmetrischen Flanschverbindung gemäß der Erfindung;
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2 einen
Profilquerschnitt eines in der Flanschverbindung der 1 benutzten
Dichtrings vor der Verspannung;
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3 eine
Teilansicht einer ersten Variante der Flanschverbindung aus 1;
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4 einen
Profilquerschnitt durch den Dichtring der Flanschverbindung aus 3 vor
der Verspannung;
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5 eine
Teilansicht einer zweiten Variante der Flanschverbindung aus 1 mit
einem eine Vordichtung bildenden Dichtring;
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6 einen
Profilquerschnitt durch den Dichtring der Flanschverbindung aus 5 vor
der Verspannung;
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7 eine
Teilansicht einer dritten Variante der Flanschverbindung aus 1 mit
einem eine Vordichtung bildenden Dichtring und
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8 einen
Profilquerschnitt durch den Dichtring der Flanschverbindung aus 7 vor
der Verspannung.
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1 zeigt
eine Flanschverbindung, mit der zwei Rohre 1, 3 eines
unter hygienischen Bedingungen, beispielsweise im Lebensmittelbereich,
arbeitenden Vakuum-Apparats dicht miteinander verbunden werden,
ohne dass es auf der produktberührenden
Seite, das heißt
im Inneren der Rohre 1, 3 zur Bildung eines kontaminierbaren
Spalts kommt. An den Enden der Rohre 1, 3 sind
ringscheibenförmige
Flansche 5, 7 angebracht, beispielsweise angeschweißt, die
um die Rohre 1, 3 herum mit einer Vielzahl in
Umfangsrichtung verteilter Befestigungsschrauben 9 lösbar aneinander
angeschraubt sind. Die Flansche 5, 7 haben einander
zugewandt ebene, senkrecht zur Achse 10 der Rohre 1, 3 sich
erstreckende Flanschflächen 11, 13,
die im verschraubten Zustand flach aneinander anliegen.
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Radial
im Wesentlichen bündig
mit der Innenmantelfläche 15 des
Flansches 5 schließt
ein dem Innenumfang folgender Dichtring 17 ab, der in einer
sowohl zur Flanschfläche 11 als
auch zur Innenmantelfläche 15 offenen
Nut 19 sitzt. Die Tiefe der Nut 19 quer zur Flanschfläche 11 ist
in nachfolgend noch näher
erläuterter
Weise nahe der Innnenmantelfläche 15 kleiner
bemessen, als die Höhe
des Dichtrings 17 an dieser Stelle, so dass der elastische Dichtring 17 beim
Verspannen der Flansche 5, 7 unter Vorspannung
komprimiert oder/und plastisch verformt wird.
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Der
aus gummielastischem Strangprofilmaterial gefertigte und an seinen
Abschnittsenden durch einen nicht näher dargestellten Schrägschnitt
durch Vulkanisieren zu einem Ring verbundene Dichtring 17 hat
ein L-förmiges
Querschnittsprofil, dessen erster Profilschenkel 21 zueinander
parallele Dichtflächen 23, 25 bildet.
Der zweite Profilschenkel 27 hat eine gerundete Längskante
und bildet eine Stützrippe
für die
radiale Fixierung des Dichtrings 17 an dem Flansch 5.
Der Dichtring 17 greift mit der Stützrippe 27 in eine
die Innenmantelfläche 15 mit
radialem Abstand umschließende,
von der Flanschfläche 11 her in
den Flansch 5 eingeformte Stütznut 29, die mit
ihrer der Innenmantelfläche 15 fern
gelegenen Nutwand 31 eine den Dichtring 17 gegen
Ausweichen nach radial außen
sichernde Stützschulter 31 bildet. An
der anderen Nutwand der Stütznut 29 ist
eine Hinterschneidung 33 angeformt, die von der elastischen Stützrippe 27 hintergriffen
wird und so den Dichtring axial an dem Flansch 5 fixiert.
Die an den sich gegenüberliegenden
Dichtflächen 23, 25 des
ersten Profilschenkels 21 anliegenden Bereiche der Flansche 5, 7 bilden
Flanschdichtflächen 37, 39,
die den Dichtring 17 flächig
vorspannen. Die Flanschdichtfläche 39 wird
durch einen ebenen Teilbereich der Flanschfläche 13 des Flansches 7 gebildet,
während
die Flanschdichtfläche 37 des
Flansches 5 durch den als Konusfläche ausgebildeten Boden eines
zwischen der Stütznut 29 und
der Innenmantelfläche 15 sich
erstreckenden ringförmigen
Aufnahmeraum 35 gebildet wird. Die beiden Flanschdichtflächen 37, 39 bilden
damit bei zusammengebauten Flanschen 5, 7 einen
unmittelbar an der Innenmantelfläche 15 beginnenden
und nach radial außen
sich erweiternden ringförmigen
Keilspalt, der den ersten Profilschenkel 21 des Dichtrings 17 zwischen
dessen Dichtflächen 23, 25 verspannt.
Aufgrund der Keilform des Spalts einerseits und der nachfolgend
noch erläuterten Querschnittsform
des Dichtrings 17 andererseits ist die Flächenpressung
nahe der Innenmantelfläche 15 am
größten und
nimmt nach radial außen
zur Stützrippe 27 hin
ab. Da der erste Profilschenkel 21 bündig mit der Innenmantelfläche 15 abschließt und hier
die größte Flächenpressung
hat, können
Spalte zwischen den metallischen Flanschflächen 11, 13,
die im Betrieb der Anlage zur Kontamination führen können, vermieden werden. Die
Dichtwirkung ist so groß, dass
auch eine hinreichende Vakuumabdichtung der produktführenden
Seite erreicht wird.
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Radial
außerhalb
der Stütznut 29 ist
die Ringaussparung 19 mit einem unmittelbar anschließenden,
ringförmigen
Ausdehnungsraum 41 versehen, in den sich beim Verspannen
des Dichtrings 17 gegebenenfalls überschüssiges Material hinein ausdehnen kann.
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Im
Folgenden werden Varianten der Flanschverbindung erläutert. Gleichwirkende
Komponenten sind mit den Bezugszahlen vorangegangen erläuterter
Figuren bezeichnet und zur Unterscheidung mit einem Buchstaben versehen.
Zur Erläuterung
des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die gesamte vorangegangene
Beschreibung Bezug genommen.
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Die
Flanschverbindung der 3 und 4 unterscheidet
sich von der vorstehend erläuterten Flanschverbindung
der 1 und 2 im Wesentlichen nur dadurch,
dass die Flanschdichtflächen 37a und 39a der
Flansche 5a und 7a zueinander parallel und senkrecht
zur Achse 10a der Rohre 1a, 3a verlaufen,
während
der erste Profilschenkel 21a des Dichtrings 17a Dichtflächen 23a und 25a hat,
die im unverspannten Zustand des Dichtrings 17a einen Keilring
begrenzen. Die Dicke des Profilschenkels 21a ist bei unverspanntem
Dichtring 17a am Innenumfang am größten und nimmt nach radial
außen
hin ab. Wird ein solcher Dichtring 17a in die Aussparung 19a eingesetzt,
so ergibt sich am Innenmantel 15a wiederum die höchste Flächenpressung
des Dichtrings 17a, die nach radial außen hin abnimmt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft
die dem Flansch 7a zugeordnete Dichtfläche 25a konisch, während die
dem Flansch 5a zugeordnete Dichtfläche 23a senkrecht
zur Achse der Rohre 1, 3 verläuft. Die Anordnung kann selbstverständlich auch
invers erfolgen, oder aber beide Dichtflächen 23a, 25a sind
konisch ausgebildet.
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In
den vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispielen
liegen die Kegelwinkel der Flanschdichtfläche 37 bzw. der Dichtfläche 25a zwischen
etwa 165° und
175°, vorzugsweise
bei etwa 170°.
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Die
Größe der Flächenpressung,
der der Dichtring 17 bzw. 17a ausgesetzt ist,
hängt vom
Material des Dichtrings und dem Übermaß ab, mit
dem der Dichtring im unverspannten Zustand über die Flanschfläche 11 bzw. 11a axial übersteht.
Um für
die Vakuumabdichtung hinreichende Flächenpressung über die
gesamte radiale Breite des Dichtrings zu erreichen, steht der Dichtring
zweckmäßigerweise
entlang der gesamten radialen Breite des ersten Profilschenkels 21 bzw. 21a im
unverspannten Zustand über
die Flanschfläche 11 bzw. 11a axial
vor.
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5 zeigt
eine Flanschverbindung, deren Dichtring 17b auf seiner
produktberührten,
der Innenmantelfläche 15b zugewandten
Seite seiner Stützrippe 27b gleich
der Ausführungsform
der 1 und 2 ausgebildet ist. Auf seiner
der Innenmantelfläche 15b radial
abgewandten Seite hat der Stützring 17b einen
zusätzlichen
Dichtschenkel 43, der seinerseits zwischen den Flanschflächen 11b, 13b der
beiden Flansche 5b, 7b axial verspannt ist und
eine Vordichtung bildet, die einerseits die Dichtwirkung des auf
der produktberührten
Seite gelegenen Profil- bzw. Dichtschenkels 21b des Dichtrings 17b erhöht und andererseits
das Eindringen von Keimen in den Produktraum von außen her
erschwert.
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Der
entsprechend in 1 und 2 wiederum
aus gummielastischem Strangprofilmaterial gefertigte und an seinen
Abschnittsenden durch einen nicht näher dargestellten Schrägschnitt
durch Vulkanisieren zu einem Ring verbundene Dichtring 17b hat
ein T-förmiges
Querschnittsprofil, bei welchem radial beiderseits von der mit einer
gerundeten Längskante
versehenen Stützrippe 27b zum
einen der Profilschenkel 21b und zum anderen der Dichtschenkel 43 nach
entgegengesetzten Seiten abstehen. Der Profil schenkel 21b und
der Dichtschenkel 43 haben zueinander parallele Dichtflächen 23b, 25b bzw. 45 und 47.
Der Dichtring 17b greift mit seiner Stützrippe 27b in eine
die Innenmantelfläche 15b mit radialem
Abstand umschließende,
von der Flanschfläche 11b her
in den Flansch 5 eingeformte Stütznut 29b, die sich
zur Innenmantelfläche 15b hin
zu einem Aufnahmeraum 35b für den Profilschenkel 21b und auf
der zur Innenmantelfläche 15b radial
abgewandten Seite zu einem Aufnahmeraum 49 für den Dichtschenkel 43 erweitert.
Die beiden Aufnahmeräume 35b, 49 haben
konusförmige
Böden bzw.
Flanschdichtflächen 37b, 51 und
verjüngen
sich radial von der Stützrippe 27b jeweils
weggerichtet. Aufgrund des unterschiedlichen Querschnittsprofils
des Profilschenkels 21b und des Dichtschenkels 43 des
Dichtrings 17b einerseits und der Aufnahmeräume 35b bzw. 49 andererseits
hat der Dichtring 17b im Bereich seines der produktberührten Seite
zugewandten und mit der Innenmantelfläche 15b bündig abschließenden Innenumfangs
und an seinem radial äußeren Umfang
jeweils maximale Vorspannung, die sich zu seinem radial mittleren
Bereich hin verringert.
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Die
Flanschverbindung der 7 und 8 unterscheidet
sich von der Flanschverbindung der 5 und 6 im
Wesentlichen nur dadurch, dass die Flanschdichtflächen 37c bzw. 51c des
Flansches 5c und die axial gegenüberliegende Flanschdichtfläche 39c des
Flansches 7c zueinander parallel und senkrecht zur Achse 10c der
Rohre 1c, 3c verlaufen, während der Profilschenkel 21c und
der Dichtschenkel 43c des Dichtrings 17c Dichtflächen 23c, 25c bzw. 45c, 47c haben,
die im unverspannten Zustand des Dichtrings 17c aufeinander
zu sich verjüngende Keilringe
begrenzen. Die Dicke des Profilschenkels 21c und des Dichtschenkels 43c ist
bei unverspanntem Dichtring 17c am Innenumfang und am Außenumfang
am größten und
nimmt zur Stützrippe 27c hin ab.
Der Dichtring 17c hat im zwischen die Flansche 5c, 7c eingebauten
Zustand an seinem radialen Innenumfang und seinem radialen Außenumfang
jeweils die höchste
Flächenpressung.