DE102007051921A1

DE102007051921A1 - O-ring-like-spreading gas seal for providing flange connection of pipe, has cut with profile provided around periphery parallel to surfaces so that cross section guided inwardly through seal, has Y shape on contact zone of seal

Info

Publication number: DE102007051921A1
Application number: DE200710051921
Authority: DE
Inventors: Ludwig Hiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Schwer Fittings De GmbH
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-04-30

Abstract

The seal (12) has a wedge-shaped cut (E) with v-profile provided around an outer periphery parallel to an upper surface (So) and a lower surface (SA) of the seal so that a cross section guided inwardly through the seal perpendicular to surfaces from outside, has Y shape on a contact zone (3) of the seal, which is made of a firm smooth sealing material. A set of flanges with corresponding sealing surfaces is connected with each other perpendicular to a pipe axis. Flat sides of the seal are oval, rectangular, square or x-shape.

Description

Die EP-Anmeldung 07 019 555.7 beschreibt eine Dichtungsvorrichtung für Rohre enthaltend entsprechend flexible Weichmetalle oder Weichmetallegierungen wie Zinn, Blei, Indium, Gold, Kupfer, Aluminium, insbesondere Metallegierungen mit einer Härte nach Mohs zwischen 1 und 3 als Dichtmasse, sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung, die bei abzudichtenden Rohren oder Körpern ähnlicher Art und Bauform insbesondere anstelle von Dichtungen aus Elastomer- und/oder Polymermaterialien eingesetzt werden kann.The EP application 07 019 555.7 describes a sealing device for pipes containing correspondingly flexible soft metals or soft metal alloys such as tin, lead, indium, gold, copper, aluminum, in particular metal alloys having a Mohs hardness between 1 and 3 as a sealant, and processes for their preparation and use in the pipes to be sealed or bodies of similar nature and design can be used in particular instead of seals made of elastomeric and / or polymeric materials.

Insbesondere betrifft die genannte Anmeldung eine neuartige und hochwirksame Anordnung der Dichtungselemente, die eine wesentliche Verbesserung der Dichtigkeit von Dichtungssystemen besonders gegenüber flüchtigen Medien wie Wasserstoff und Helium ermöglichen.Especially the said application relates to a novel and highly effective Arrangement of the sealing elements, which is a significant improvement especially the sealing of sealing systems allow volatile media such as hydrogen and helium.

Der Vorteil einer solchen Dichtung liegt in einer wesentlichen Reduktion der Diffusion von Fremdstoffen, also Gasen mit extrem niedrigem Molekulargewicht, durch den Dichtungsbereich, und gegenüber Kunststoffdichtungen in der Erzielung von sehr viel besseren Dichtigkeitswerten durch die Verwendung von flexiblen, weichen Metallen oder Metalllegierungen als Dichtungsmaterial.Of the Advantage of such a seal lies in a significant reduction the diffusion of foreign substances, ie gases with extremely low Molecular weight, through the sealing area, and opposite Plastic seals in the achievement of much better tightness values through the use of flexible, soft metals or metal alloys as a sealing material.

Eine ausreichende Dichtigkeit zwischen zwei Flächen könnte zwar im Idealfall auch ohne Zuhilfenahme von Dichtungsmaterialien erreicht werden. Dazu müssten aber die abzudichtenden Flächen eine praktisch nicht erreichbare glatte Oberfläche aufweisen, bzw. es müsste die Kraft, welche die zu dichtenden Flächen aneinander presst, so groß sein, dass sämtliche Hohlräume, die noch zwischen den Dichtflächen bestehen, so weit eingeebnet werden, dass die Moleküle des zu dichtenden Mediums die entstandenen Grenzzonen zwischen Dichtflächen und Dichtungsmaterial nicht mehr passieren können, weil deren Abstand voneinander durchweg geringer ist, als der wirksame Moleküldurchmesser des Gases. Versuche haben gezeigt, dass bei derart hohem Druck die Grenzflächen ungleichmäßig verformt werden, so dass sie nach einer Demontage der Flanschen nicht mehr abdichtbar sind.A sufficient tightness between two surfaces could Ideally, without the use of sealing materials be achieved. But this would have to be sealed areas have a virtually unattainable smooth surface, or it would have the force, which the surfaces to be sealed pressed together, so big that all Cavities that are still between the sealing surfaces exist so far that the molecules are leveled of the medium to be sealed, the resulting boundary zones between sealing surfaces and sealing material can not happen anymore because of their Distance is consistently less than the effective molecular diameter of the gas. Experiments have shown that at such high pressure the Interfaces are deformed unevenly, so that they can not be sealed after disassembly of the flanges are.

Stand der Technik ist es, zwischen die zu dichtenden Flächen ein weiches Dichtmaterial einzufügen, welches sich beim Zusammenpressen der Gesamtanordnung leicht und flexibel auf die Dichtflächen drücken und in die vorhandenen Hohlräume zwischen den zu dichtenden Flächen eindrücken lässt.was standing The technique is to be between the surfaces to be sealed To insert a soft sealing material, which in the Pressing the overall assembly light and flexible on the Press sealing surfaces and into the existing cavities between press in the areas to be sealed.

Ein Standardprodukt des Standes der Technik sind die allseits bekannten O-Ringe, welche in der Regel aus Elastomer- und Polymerkunststoffen aber auch aus Weichmetall bestehen können. Bisher wesentlich ist, dass das Dichtungsmaterial eine geringere Mohssche Härte als die Flansche aufweist.One Standard product of the prior art are the well-known O-rings, which are usually made of elastomeric and polymer plastics but also made of soft metal. So far essential is that the sealing material has a lower Mohs hardness as the flanges.

Besondere Schwierigkeiten macht verständlicherweise die Abdichtung von unter hohem Druck oder hohem Vakuum stehenden Verbindungen von Rohren mit Flanschen, wenn das abzudichtende Medium Wasserstoff oder Helium ist, da beide Elemente von allen flüchtigen Stoffen den kleinstmöglichen Moleküldurchmesser aufweisen und somit bei Druckunterschieden auch durch kleinste Undichtigkeiten entweichen können. Bei Wasserstoff ist für die Bemessung der Dichtungssysteme darüber hinaus noch die bekannte Metallpenetration zu berücksichtigen.Special Understandably, difficulties make the seal of high pressure or high vacuum connections of pipes with flanges, if the medium to be sealed is hydrogen or helium is because both elements of all volatiles the have the smallest possible molecular diameter and thus with pressure differences even through the smallest leaks can escape. When hydrogen is for the Dimensioning of the sealing systems in addition still the well-known Metal penetration to take into account.

Die beschriebenen Probleme sind seit langem intensiv untersucht worden und es sind vielfältige Vorschläge zur Optimierung des Dichtungsverhaltens besonders von Flanschverbindungen von Rohren gemacht worden.The described problems have been studied for a long time and there are many suggestions for optimization the sealing behavior especially of flange connections of pipes been made.

Die meisten Entwicklungen der Hochvakuum- oder Hochdrucktechnik bauen auf eine seit mehr als 40 Jahren bekannte Form der Flanschverbindung für Hochvakuumsysteme mit den oben beschriebenen O-Ringen auf. Diese sind aber in ihren Dichtungseigenschaften gegenüber z. B. Helium um mindestens den Faktor 10^–6 schlechter als Dichtungen aus Metall.Most developments of high vacuum or high pressure technology build on a more than 40 years known form of flange connection for high vacuum systems with the O-rings described above. But these are in their sealing properties against z. B. helium by at least a factor of 10 ^-6 worse than seals made of metal.

Im US-Patent Nr. 3,208,758 wird Kupfer als Weichmetall in Form flacher Dichtscheiben eingesetzt, die zwischen identischen Flanschen so eingebracht wird, dass dessen überstehender Firstteil beim Zusammenpressen der Flansche durch eine entstehende Schrägfläche einen erhöhten Dichtungsdruck erzeugt (Vgl. US-A 5,640,751 , Spalte 1, Z. 8–18 und Schweizer Patent Nr. 422 448 ). Diese Art der Abdichtung wurde durch eine abweichende Gestaltung des Weichmetalls so verbessert, dass die oben beschriebene Ringdichtung durch Dichtungen mit praktisch beliebiger Oberfläche ersetzt werden kann ( US-A 5,640,751 Sp. 2, Z. 34–38).in the U.S. Patent No. 3,208,758 Copper is used as a soft metal in the form of flat sealing washers, which is inserted between identical flanges so that its protruding ridge part when compressing the flanges by an inclined surface resulting creates an increased sealing pressure (Cf. US-A 5,640,751 , Column 1, lines 8-18 and Swiss Patent No. 422,448 ). This type of sealing has been improved by a different design of the soft metal so that the ring seal described above can be replaced by seals with virtually any surface ( US-A 5,640,751 Sp. 2, lines 34-38).

Ein weiterer Lösungsansatz zur Verbesserung von Dichteigenschaften ist im GB-A 2,038,972 beschrieben. Auch hier sollen Abschrägungen und Nute, die sich beim Zusammenpressen der abzudichtenden Teile teilweise mit Dichtmasse füllen oder in diese eindringen, den wirksamen Druck in der einer vertikalen Relativbewegung ausgesetzten Dichtfläche vergrößern und so eine höhere Dichtigkeit erzeugen. Nachteilig an dieser Ausführung ist die schwierige Trennung solcher Verbindungen, etwa bei Wartungsarbeiten (vgl. S. 1, 131–37 im Zusammenhang mit S. 1 Z. 100–104).Another approach to improving sealing properties is in the GB-A 2,038,972 described. Here, too, bevels and grooves, which partially fill with sealing compound during the compression of the parts to be sealed or penetrate into it, increase the effective pressure in the vertical relative movement exposed sealing surface and thus produce a higher density. A disadvantage of this design is the difficult separation of such compounds, such as during maintenance (see page 1, 131-37 in connection with page 1 Z. 100-104).

Im US-Patent 2,760,673 wird versucht die Dichteigenschaften durch mindestens zwei O-Ringe mit keilförmigem Querschnitt (1, 17 und 18) zu erzielen. Dies erfordert aber zur hier spezifischen Druckerhöhung zwischen den O-Ringen einen entsprechend ausgestatteten Kanal (20, 20a) der den Abdichtungsmechanismus unnötig kompliziert und in der Praxis eher für unerwünschte Undichtigkeiten sorgen dürfte, die ebenfalls den Vorteil einer derart veränderten Dichtungsfläche besonders bei hochflüchtigen Gasen wie Helium in Frage stellen. (Sp. 1, Z. 56–64).in the U.S. Patent 2,760,673 the sealing properties are tried by at least two O-rings with wedge-shaped cross-section ( 1 . 17 and 18 ) to achieve. However, this requires for the specific increase in pressure between the O-rings a correspondingly equipped channel ( 20 . 20a ) which unnecessarily complicates the sealing mechanism and is more likely to cause unwanted leaks in practice, which also undermine the benefit of such a modified sealing surface, especially with highly volatile gases such as helium. (Sp. 1, lines 56-64).

Das FR-Patent Nr. 1,044,153 beschreibt eine Art doppelwandiges Dewar-Gefäß mit innerem Kupferbehälter, das als Autoklav für Hochdruckreaktionen z. B. in flüssigem Sauerstoff verwendet werden soll. Durch keilförmige Teile des Dichtungsrings (1, 3a) wird eine besondere Druckresistenz bei plötzlichen Temperaturänderungen erreicht (S. 2, Sp. 1 vorletzter und letzter Satz) und gleichzeitig das Öffnen und Schließen des Gefäßes angeblich sehr erleichtert. Eine Verbesserung der Dichtungsqualität bei Verwendung von Weichmetalldichtmaterial ist nicht beschrieben.The FR Patent No. 1,044,153 describes a kind of double-walled Dewar vessel with inner copper container, which serves as an autoclave for high-pressure reactions z. B. to be used in liquid oxygen. By wedge-shaped parts of the sealing ring ( 1 . 3a ), a special pressure resistance in case of sudden temperature changes is achieved (page 2, column 1 penultimate and last sentence) and at the same time the opening and closing of the vessel allegedly greatly facilitated. An improvement in the seal quality when using soft metal sealing material is not described.

Das FR-Patent Nr. 1,506,567 beschreibt eine linsenförmige Weichmetalldichtung, bei welcher der Druck auf das dickere Mittelstück der horizontal aufgelegten Dichtungsscheibe bei vertikaler Pressung durch Einebnung der mittigen Verdickung einen erhöhten Querdruck zur Verbesserung der Randabdichtung erzeugen soll (Sp. 2, Abs. 1–3).The FR Patent No. 1,506,567 describes a lenticular soft metal seal, in which the pressure on the thicker center piece of the horizontally applied sealing disc at vertical pressure by leveling the central thickening to produce an increased transverse pressure to improve the edge seal (Sp 2, paragraph 1-3).

Eine weitere Metalldichtung ist in der DE-A 24 16 808 für Vakuumzwecke beschrieben. Hier werden im wesentlichen nur zur einfacheren Handhabung zwei Dichtungsringe (ein Dichtring und ein Zentrierring), so miteinander kombiniert, dass die Dicht verbindung in besonders einfacher Weise wieder gelöst werden kann. Es ist dann auch bei starker Deformierung nur der Dichtring auszuwechseln, und der Zentrierring kann beliebig oft verwendet werden. (S. 2, Abs. 2 und 3).Another metal seal is in the DE-A 24 16 808 described for vacuum purposes. Here are essentially only for easier handling, two sealing rings (a sealing ring and a centering ring), combined with each other so that the sealing connection can be solved in a particularly simple manner again. It is then even with heavy deformation to replace only the sealing ring, and the centering can be used as often. (P.2, paras. 2 and 3).

In der DAS 1 228 871 wird eine Dichtungsanordnung für Hochvakuum-Flanschverbindungen beschrieben, bei welcher der Dichtungsring aus Weichmetall einen aus zwei gegenüberliegenden Rinnen gebildeten Hohlraum beim Zusammenpressen der beiden Flansche ausfüllt. In den 1 und 3 wird dargestellt, dass durch Gestaltung des Hohlraums mit spitzen Zacken und Abschrägungen der Wandungen eine besondere Form angestrebt wird. Die angeblichen Vorteile dieser Anordnung sind in Sp. 3 Z. 30–47 beschrieben und betreffen eine Verbesserung der Dichtigkeit kaum.DAS 1 228 871 describes a sealing arrangement for high-vacuum flange connections, in which the soft-metal sealing ring fills a cavity formed by two opposing grooves when the two flanges are pressed together. In the 1 and 3 It is shown that the design of the cavity with pointed teeth and bevels of the walls a particular shape is sought. The alleged advantages of this arrangement are described in Sp. 3 Z. 30-47 and concern an improvement in the tightness hardly.

Das US-Patent Nr. 3,038,731 betrifft ebenfalls Weichmetalldichtungen zur Erreichung eines hohen Vakuums bei Gefäßen oder Leitungen aus Kupfer, Messing, Edelstahl, Nickel, Molybdän, Wolfram, Tantal, Glas und synthetischem MICA-Silikat, deren Dichtigkeit durch Verflüssigung der Auflagefläche des Dichtmittels beim Abpressen verbessert wird. Als Dichtmittel werden vor allem Gallium, Zinn, Indium, Wismuth und Blei und deren Legierungen vorgeschlagen. Die Verflüssigung wird durch Löten oder unmittelbares Auftragen des flüssigen Dichtmittels erreicht (Sp. 2, Z. 50–62). Hierbei ist auf eine bestimmte materialbezogene Dicke der Dichtungsschicht zu achten, die besonders bei Legierungen erfindungsgemäß einstellbar ist (Table I). Auf eine besondere Formgestaltung der Dichtungen kommt es hier nicht an, jedoch ist die Anwendung sehr aufwendig.The U.S. Patent No. 3,038,731 Also relates to soft metal seals to achieve a high vacuum in vessels or pipes made of copper, brass, stainless steel, nickel, molybdenum, tungsten, tantalum, glass and synthetic MICA silicate, whose tightness is improved by liquefaction of the contact surface of the sealant during pressing. Gallium, tin, indium, bismuth and lead and their alloys are proposed as the sealant. The liquefaction is achieved by soldering or direct application of the liquid sealant (Sp. 2, Z. 50-62). In this case, attention must be paid to a specific material-related thickness of the sealing layer, which is adjustable according to the invention especially for alloys (Table I). On a special design of the seals, it does not matter here, but the application is very expensive.

In der DE-A 1 425 429 ist eine Hochvakuumdichtung insbesondere für Ventile beschrieben, die sich besonders mit der Problematik des Kaltschweißens an Ventilflächen von Vakuumpumpen befasst. Es soll vorschlagsgemäß eine Hochvakuumdichtung geschaffen werden, bei welcher einerseits die auch bei bester Oberflächenbearbeitung verbleibenden Unebenheiten der Dichtfläche geschlossen werden, ohne dass sich die Dichtkörpermaterialien untereinander verschweißen. Eine bestimmte Dichtungsform oder Anordnung wird hier nicht vorgeschlagen (außer einer bevorzugt kegelförmigen Ausbildung der Dichtflächen).In the DE-A 1 425 429 a high vacuum seal is described in particular for valves, which deals particularly with the problem of cold welding to valve surfaces of vacuum pumps. According to the proposal, a high-vacuum seal is to be created in which on the one hand the unevenness of the sealing surface remaining even with the best surface treatment is closed without the sealing body materials welding to one another. A particular seal shape or arrangement is not suggested here (except for a preferably conical design of the sealing surfaces).

Nach dem oben angeführten Stand der Technik wurden O-Ring Anordnungen mit Heliumleckraten von allenfalls < 10^–6 mbar/s^–1 erreicht. Dies ist gegenüber heutigen wissenschaftlichen und technischen Anforderungen jedoch nicht mehr ausreichend. Heute werden zum Teil Dichteigenschaften von mehr als 10^–10 mbar/s^–1 gefordert.According to the above-mentioned prior art, O-ring arrangements with helium leak rates of at most <10 ^-6 mbar / s ^{-1 were} achieved. However, this is no longer sufficient compared to today's scientific and technical requirements. Today, sealing properties of more than 10 ^-10 mbar / s ^-1 are sometimes required.

Aufgabe der Erfindung gemäß EP 07 019 555.7 war es daher, möglichst unkompliziert und kostengünstig herstellbare Dichtungsanordnungen mit sehr viel besseren Leckraten möglichst sogar unterhalb der Nachweisgrenze handelsüblicher Heliumlecksuchgeräte (etwa < 10^–11 mbar/s^–1) herzustellen.Object of the invention according to EP 07 019 555.7 It was, therefore, to manufacture seal arrangements which are as uncomplicated and cost-effective as possible with much better leak rates, if possible even below the detection limit of commercially available helium leak detectors (for example <10 ^-11 mbar / s ^-1 ).

Für Gasdichtungen musste, aufbauend auf den Stand der Technik, auf die bekannten günstigen Eigenschaften entsprechend geeigneter Weichmetallzusammensetzungen oder auf stabilen Kunststoff wie etwa hochfluorierte Kohlenwasserstoffe zurückgegriffen werden.For Gas seals had, building on the state of the art, on the known favorable properties according to suitable Soft metal compositions or on stable plastic such as highly fluorinated hydrocarbons are used.

Die Lösung der Aufgabe beruhte auf der überraschenden Erkenntnis, dass sich das zwischen ebenen Dichtungsflächen wie bei Flanschen mit glatten Oberflächen in Form eines flachen Rings mit rechteckigem Querschnitt benutzte Dichtmaterial bezogen auf die Verteilung im Querschnitt unter Druck so verteilt, dass es radial nach außen „fließt". Hierbei bildet die Kreisringgeometrie unter hohem Druck einen viel größeren Außen- als Innendurchmesser des Rings. Das Volumen des im Querschnitt rechteckigen auf einer ebenen Fläche flach aufliegenden Dichtungsrings ändert sich also unter dem Druck eines Stempels mit einer zur Auflagefläche parallelen ebenen Druckfläche so, dass sich ein größerer Teil der Dichtungsmasse radial nach außen verschiebt, als durch eine geometrisch gleichmäßige Verteilung zu erwarten gewesen wäre. Diesen Effekt des radialen Flusses der Dichtungsmasse nach außen machte sich bereits Lehre der eingangs zitierten EP-Anmeldung zu Nutze, indem der ansonsten glatte Fluss des Dichtungsmaterials durch gegenläufige treppenartige Stufen zwischen den Auflageflächen so erschwert wird, dass sich an den durch die Treppen gebildeten senkrechten Sperrflächen ein unerwartet hoher Druck aufbaut, der seinerseits die Wirksamkeit des Dichtungsmaterials stark erhöht.The solution to the problem was based on the surprising finding that the sealing material used between planar sealing surfaces, as in the case of flanges with smooth surfaces in the form of a flat ring of rectangular cross-section, distributes under pressure in cross-section, so that it flows radially outward "In this case, the circular geometry under high pressure forms a much larger outer than inner diameter of the Ring. The volume of the rectangular cross-section on a flat surface flat sealing ring thus changes under the pressure of a punch with a plane parallel to the support surface flat pressure surface so that a larger portion of the sealant moves radially outward, as expected by a geometrically uniform distribution would have been. This effect of the radial flow of the sealant to the outside has already been doctrine of the above cited EP application to use by the otherwise smooth flow of the sealing material is made so difficult by opposing stair-like steps between the bearing surfaces that extends to the formed by the stairs vertical blocking surfaces an unexpectedly high pressure builds up, which in turn greatly increases the effectiveness of the sealing material.

Hieraus ergibt sich auch die Kenntnis, dass die wesentliche Abdichtung durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen überraschend nicht an den Stempelflächen sondern an denjenigen Flächen stattfindet, die parallel zur Richtung des eigentlichen Pressdrucks und senkrecht auf den Stempel- oder Flanschebenen stehen. Daraus ergibt sich, dass es auf die herkömmlich als einzig wichtig angesehene Abdichtung des Zwischenraums sich gegenüberstehender Flanschebenen nur in zweiter Linie ankommt. In Anwendung dieser Erkenntnis werden überraschend auch die Ansprüche an die Glätte der Oberflächen der Dichtungselemente stark reduziert und zudem auch keine zusätzlichen Oberflächenbehandlungsmittel, wie Fette, Öle, Silikone oder ähnliche Gleitmittel zur Erzielung der gewünschten Dichtigkeit benötigt.From this also results in the knowledge that the essential seal by the inventive measures surprising takes place not on the stamp surfaces but on those surfaces, parallel to the direction of the actual pressing pressure and perpendicular stand on the stamp or flange levels. This results in, that it is on the traditionally considered as the only important seal the interspace of opposing flange planes only secondarily arrives. In applying this finding will be surprising also the demands on the smoothness of the surfaces the sealing elements greatly reduced and also no additional Surface treatment agents, such as fats, oils, Silicones or similar lubricants to achieve the desired Tightness needed.

Das beschriebene zentrifugale Fließverhalten lässt sich nach der oben zitierten EP-Anmeldung am einfachsten durch mindestens eine senkrecht in die aufeinander angepassten Dichtflächen eingefügte Vertiefung in Form einer Treppenstufe erzielen, deren Stirnfläche möglichst und bevorzugt senkrecht auf den Dichtflächen steht. Die Anwendung mehrerer solcher Hindernisse gegen die radiale Ausdehnung in Treppenform erhöht die Effektivität des Dichtungsvorgangs.The described centrifugal flow behavior itself after the above-cited EP application most easily by at least a vertically in the matched sealing surfaces achieve an inserted recess in the form of a step, their end face possible and preferably perpendicular to the sealing surfaces is. The application of several such Obstacles against the radial expansion in staircase increased the effectiveness of the sealing process.

Bei Versuchen hat sich ergeben, dass durch die oben beschriebene Ausgestaltung von Dichtungselementen eine erhebliche Verbesserung der Dichtungseigenschaften insbesondere bei hochflüchtigen Gase wie Wasserstoff oder Helium zu erreichen ist. Diese Dichtung hat nämlich gegenüber üblichen Heliumleckraten (10^–6 mbar/s^–1) eine Verbesserung auf zwischen 10^–9 mbar/s^–1 und 10^–12 mbar/s^–1 ergeben. Selbst unter weniger aufwendiger Gestaltung der Vorrichtung sind immer noch mühelos 10^–11 mbar/s^–1 erreichbar. Als Dichtungsmaterial eignen sich besonders Zinn, Blei, Indium, Gold, und andere Weichmetalle wie Kupfer und Aluminium, besonders wenn sie vorher bewährten zusätzlichen Vorbehandlungen, wie z. B. „Weichglühen" unterzogen werden. Auch entsprechend weiche Legierungen von Metallen sind geeignet. Die Metalle und Legierungen sollten eine Härte nach Mohs zwischen 1 und 3 aufweisen, bevorzugt zwischen 2 und 3. Besonders wichtig ist es, dass sich bei der geschlossenen Dichtung die sich gegenüberliegenden Flansche kraftschlüssig mechanisch berühren und somit fest aneinander liegen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Dichtung selbst völlig frei gehalten wird von von außen wirkenden Kräften, die die Dichtungsqualität stark verschlechtern können.In experiments, it has been found that a considerable improvement in the sealing properties, in particular in the case of highly volatile gases such as hydrogen or helium, can be achieved by the above-described embodiment of sealing elements. Namely, this gasket has improved from the usual helium leak rates (10 ^-6 mbar / s ^-1 ) to between 10 ^-9 mbar / s ^-1 and 10 ^-12 mbar / s ^-1 . Even with less elaborate design of the device are still easily 10 ^-11 mbar / s ^-1 reachable. As a sealing material are particularly suitable tin, lead, indium, gold, and other soft metals such as copper and aluminum, especially if they previously proven additional pretreatments such. Correspondingly soft alloys of metals are also suitable The metals and alloys should have a Mohs hardness of between 1 and 3, preferably between 2 and 3. It is particularly important that in the closed seal the As a result, it is ensured that the gasket itself is kept completely free from externally acting forces that can severely impair the quality of the gaskets.

Es wurde nun gefunden, dass sich durch eine besondere Gestaltung von Dichtungsringen und Flanschen eine noch bessere, beinahe absolute Dichtigkeit erzielen lässt, die völlig überraschend sogar dann ohne Abstriche wirksam ist, wenn der Dichtungsring aus demselben Material wie das der Flansche (also z. B. Edelstahl) besteht. Bisher wurde eine derartige Möglichkeit von der Fachwelt noch nicht einmal in Erwägung gezogen.It has now been found that through a special design of Sealing rings and flanges an even better, almost absolute tightness can achieve that completely surprising even then without any compromises is effective when the sealing ring off the same material as that of the flanges (ie, for example, stainless steel). So far, such a possibility of the experts not even considered.

In Anlehnung an die eingangs zitierte EP-Anmeldung wird aber auch hier das Prinzip der ungleichen Materialverteilung in einem O-Ring unter Druck genutzt. Auch hier wird der zur Abdichtung wirksame Materialschluss an den etwa senkrecht zum Pressdruck stehenden Innenflächen der in einem Flansch angebrachten Vertiefung (V) ausgenutzt.In Based on the above-cited EP application but also here the principle of uneven material distribution in an O-ring below Used pressure. Again, the effective material for sealing material at the approximately perpendicular to the pressing pressure inner surfaces exploited in a flange mounted recess (V).

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass eine Ringdichtung (O-Ring) um deren äußeren Umfang einen radialen Einschnitt (E) erhält, der dann keilförmig so weit gespreizt wird, dass der anfangs in Bezug auf die Vertiefung des Flansches, in das sie eingesetzt werden soll, geringfügig zu groß bemessene Radius bzw. Umfang des Dichtrings so weit verringert wird, dass der Ring bündig in die für ihn vorgesehene Vertiefung (V) dieses Flansches passt. Der Dichtring erhält so an dessen äußerem Rand eine seitlich gesehen Y-förmige gleichmäßige Weitung, nach oben und unten und erhält so eine Form, die etwa mit einer Radfelge vergleichbar ist. Die Form dieser Art ist schematisch in 1 dargestellt. Der Y-förmige Einschnitt (E) ist auch in der 1B im Schnitt erkennbar.The solution to this problem is achieved in that a ring seal (O-ring) receives around its outer periphery a radial incision (E), which is then wedge-shaped spread so far that the initial in relation to the recess of the flange in which they is to be used, slightly too large sized radius or circumference of the sealing ring is so far reduced that the ring fits flush in the recess provided for him (V) of this flange. The sealing ring thus receives at the outer edge of a laterally Y-shaped uniform expansion, up and down and thus receives a shape that is comparable to a wheel rim. The shape of this species is shown schematically in 1 shown. The Y-shaped incision (E) is also in the 1B recognizable on average.

Die Erfindung betrifft neuartige Ringdichtungssysteme für Flanschverbindungen von Rohren, bei denen die Ringdichtung auch aus dem Material der Flansche bestehen kann. Die neuartigen Spreizdichtungen weisen um ihren äußeren Rand eine keilförmige Ausweitung auf, bei deren Kompression Durchmesser und Umfang des Ringes vergrößert werden und so einen Druck auf die senkrechten Innenwände radialer Vertiefungen der zu verbindenden Flansche ausüben, der eine praktisch absolute Abdichtung auch gegen Helium und Wasserstoff ermöglicht.The invention relates to novel ring sealing systems for flange connections of pipes, in which the ring seal can also consist of the material of the flanges. The novel expansion seals have around their outer edge a wedge-shaped expansion, the compression diameter and circumference of the ring are increased and thus exert pressure on the vertical inner walls of radial recesses of the flanges to be joined, which made a virtually absolute seal against helium and hydrogen light.

Als besonders günstig hat sich gemäß 3 eine Anordnung der Schenkel (13) erwiesen, bei der deren Achse vor dem Pressvorgang mit der Innenwand (W) des Flansches einen Winkel von 45° bilden. Diese Anordnung ist besonders bevorzugt, weil die sich beim Pressvorgang ausbildenden Kräfte sich dadurch gleichmäßig auf die beiden Schenkel verteilen und somit senkrecht zueinander zwei Dichtzonen ausbilden, die beide eine besonders gute Dichtigkeit aufweisen. In 1a stehen in diesem Fall die beiden den Schenkeln der 1b entsprechenden Scheiben in einem Winkel von 90° zueinander.As a particularly favorable has in accordance 3 an arrangement of the legs ( 13 ), wherein the axis of which forms an angle of 45 ° with the inner wall (W) of the flange before the pressing operation. This arrangement is particularly preferred because the forces forming during the pressing process are thus distributed uniformly over the two legs and thus form two sealing zones perpendicular to one another, both of which have a particularly good seal. In 1a In this case, the two are the thighs of the 1b corresponding discs at an angle of 90 ° to each other.

Eine verdrehungssichere Flanschverbindung zur besseren Handhabung wird dadurch erreicht, dass gemäß 3 der in 1b mit xx bezeichnete Freiraum vor dem Pressvorgang unsymmetrisch, d. h. auf jedem Halbkreis des Umfangs in unterschiedlicher Höhe, angebracht ist.A twist-proof flange connection for better handling is achieved in that 3 the in 1b with xx designated free space before the pressing unbalanced, that is mounted on each semicircle of the circumference at different heights.

Betrachtet man die Bewegung der gebildeten Schenkel (13) als einen sich um den ortsstabilen Ursprung (11) bewegenden Vektor, so ergeben sich beim Zusammenpressen Verkürzungen der horizontalen bzw. Verlängerungen der vertikalen Vektoranteile.Considering the movement of the formed legs ( 13 ) as a locally stable origin ( 11 ) moving vector, so when shortening shortening of the horizontal or extensions of the vertical vector components.

Wie oben beschrieben ist dieser Effekt Basis der erzielten außergewöhnlichen Dichtwirkung.As described above, this effect is based on the exceptional achieved Sealing effect.

Diese wird mit anderen Worten erreicht, indem die Schenkelenden (7) durch die zu dichtenden Komponenten an einer vertikalen Ortsveränderung gehindert werden. Oben und unten in Bezug auf vertikale Ausdehnung ortsfest, erfahren die Schenkel (7) eine Stauchung. Diese Stauchkraft und die daraus resultierende innere Spannkraft der gestauchten Metallscheiben erzeugen die Dichtkraft zwischen der Dichtung und den zu dichtenden Komponenten.This is achieved in other words by the leg ends ( 7 ) are prevented from being vertically displaced by the components to be sealed. Fixed above and below with respect to vertical expansion, the thighs ( 7 ) a compression. This compression force and the resulting internal clamping force of the compressed metal discs produce the sealing force between the seal and the components to be sealed.

Dieses Dichtungsprinzip wurde bei Versuchen als Rohrleitungssystem mit Dichtflanschen beispielhaft homogen in Edelstahl ausgeführt.This Sealing principle was in experiments as piping system with Sealing flanges exemplarily executed homogeneously in stainless steel.

Die erzielten Dichtigkeiten lagen weit unterhalb der zuverlässigen Nachweisgrenze handelsüblicher Heliumlecksucher von < 10^–11 mbar/s^–1.The resulting densities were well below the reliable detection limit of commercially available helium leak detectors of <10 ^-11 mbar / s ^-1 .

Alle weiteren Eigenschaften der Dichtung aus dem Material der Rohrleitung wurden durch den Dichtungsvorgang nicht verändert. Ein bisher nicht erreichbarer Vorteil der Materialhomogenität von Flansch und Dichtmittel besteht in der Korrosionsfestigkeit des Dichtungsbereichs, in dem sich keine Lokalelemente mehr ausbilden können, die immer erhöhter Korrosion ausgesetzt sind.All further properties of the seal from the material of the pipeline were not changed by the sealing process. One previously unachievable advantage of material homogeneity Flange and sealant consists in corrosion resistance the sealing area in which no more local elements form can always exposed to increased corrosion are.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine O-ringartige Spreizdichtung (1) aus festem flachem Dichtungsmaterial, die um ihren gesamten äußeren Umfang parallel zu der oberen (So) und unteren (Sa) Oberfläche der Dichtung einen keilförmigen Einschnitt (E) mit V-Profil aufweist, so dass ein senkrecht zu den genannten Oberflächen von außen nach innen durch die Dichtung geführter Querschnitt, auf eine Zone der Dichtung bezogen, die Form eines liegenden Y aufweist.The present invention is therefore an O-ring-like expansion seal ( 1 ) of solid flat sealing material having a wedge-shaped V-shaped notch (E) around its entire outer circumference parallel to the upper (So) and lower (Sa) surfaces of the gasket so as to be perpendicular to said surfaces from outside to outside In cross-section guided through the seal, referred to a zone of the seal having the shape of a lying Y.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Dichtungsvorrichtung für Rohre enthaltend mindestens zwei um die zu verbindenden Rohrenden angeordnete und etwa senkrecht zur Rohrachse flach miteinander verbindbare Flansche (20, 23, 24, 27) mit entsprechenden Dichtflächen und zwischen den Dichtflächen in einer um den inneren Rand der Flansche angebrachten Vertiefung (V) der Flanschebene mit etwa senkrechten Innenwänden (W) jeweils mindestens eine planar um den Rohrdurchlass angeordnete O-ringartige Dichtung (12), die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dichtung passgenau in die Vertiefungen (V) der Flansche einfügbar ist und um ihren gesamten äußeren Umfang einen keilförmigen Einschnitt (E aufweist, durch welche der Abstand der oberen (So) von der unteren (Su) Dichtungsoberfläche so weit vergrößert ist, dass der Umfang der Dichtung, wenn der genannte Abstand durch senkrechte Druckeinwirkung (F) auf die Dichtung (3, 8) verkleinert wird wodurch hoher Dichtungsdruck an den Kontaktzonen (3, 4, 7, 8) erzeugt wird, weil die Ausdehnung der Dichtung zu deren Rand hin vergrößert würde, wenn diese Ausdehnung nicht durch die etwa senkrecht stehende Innenwand W) verhindert würde.Another object of the invention is a sealing device for pipes containing at least two arranged around the pipe ends to be connected and approximately perpendicular to the pipe axis flat interconnectable flanges ( 20 . 23 . 24 . 27 ) with respective sealing surfaces and between the sealing surfaces in a mounted around the inner edge of the flanges recess (V) of the flange plane with approximately vertical inner walls (W) in each case at least one planar arranged around the pipe passage O-ring-like seal ( 12 ), characterized in that the gasket is fittingly insertable into the recesses (V) of the flanges and has a wedge-shaped recess (E) around its entire outer circumference, through which the distance of the upper (So) from the lower (Su) sealing surface is increased so far that the circumference of the seal, when said distance by vertical pressure (F) on the seal ( 3 . 8th ), whereby high sealing pressure at the contact zones ( 3 . 4 . 7 . 8th ) is generated because the expansion of the seal would be increased to the edge, if this expansion would not be prevented by the approximately perpendicular inner wall W).

Der Gegenstand der Erfindung wird durch die Beschreibung, Beispiele und die zugehörigen Abbildungen näher erläutert.Of the The invention is by the description, examples and the accompanying figures explained in more detail.

Beschreibung der Abbildungen:Description of the pictures:

1: Funktion und Wirkungsweise der Spreizdichtung 1 : Function and mode of operation of the expansion seal

2: Einfache Spreizdichtung – vor (links) und nach der Pressung (rechts) 2 : Simple expansion seal - before (left) and after pressing (right)

3: Spreizdichtung mit zusätzlicher Zentrierhilfe vor (links) und nach der Pressung (rechts) 3 : Spreading seal with additional centering aid before (left) and after pressing (right)

1a zeigt in dreidimensionaler Darstellung schematisch die Spreizdichtung mit der Symmetrieachse (14). Funktion und Wirkungsweise werden anhand der Schnittzeichnung 1a erläutert. 1a shows in three-dimensional representation schematically the expansion seal with the axis of symmetry ( 14 ). Function and mode of operation are based on the sectional drawing 1a explained.

Die Dichtung besteht aus keilförmig gespreizten Schenkeln (13), die im gemeinsamen Querschnitt (12) enden.The seal consists of wedge-shaped spread legs ( 13 ), in the common cross-section ( 12 ) end up.

Dargestellt ist die Dichtung in vormontiertem Zustand zu den angrenzenden Dichtflanschen (2, 9). Diese liegen zunächst ungepresst an den Außenpunkten (3 + 8) an und werden gleichzeitig von den senkrecht dazu angeordneten Grenzflächen (W) an den Stellen (4 + 7) zentriert, wobei die Außendurchmesser der beiden Schenkel (10 + 13) und die Innendurchmesser der zuletzt genannten Flanschflächen als Spielpassung dimensioniert werden.Shown is the seal in pre-assembled Condition to the adjacent sealing flanges ( 2 . 9 ). These are initially unpressed at the outer points ( 3 + 8th ) and at the same time from the perpendicularly arranged interfaces (W) at the points ( 4 + 7 ), wherein the outer diameter of the two legs ( 10 + 13 ) and the inner diameter of the last-mentioned flange surfaces are dimensioned as a clearance fit.

Durch Einwirkung der durch (F) angedeuteten Kräfte bewegen sich die Flansche aufeinander zu, bis sie an den Stirnflächen (5 + 6) in Deckung gelangen. Die dabei zu rückgelegte Strecke = 2 mal X hat bei Bewegung der Scheiben (10 – 13) um den ortsstabilen Ursprung (11) [nur an Scheibe (10) eingezeichnet, gleiches gilt auch für Scheibe (13)] zur Folge, dass die Scheiben (10 + 13) zwischen den tangentialen Berührungspunkten (4 + 7) und dem ortsstabilen Ursprung (11) um die aufgezeigte Strecke (Y) gestaucht werden. Aus dieser Stauchwirkung resultiert die Dichtkraft an den sich berührenden Dichtstellen der Punkte (4 + 7). Zusätzlich entsteht an den Berührungspunkten (3 + 8) durch die Presskraft (F) eine weitere Dichtstelle.By acting on the forces indicated by (F) the flanges move towards each other until they reach the end faces ( 5 + 6 ) come to cover. The distance traveled thereby = 2 times X has on movement of the discs ( 10 - 13 ) around the locally stable origin ( 11 ) [only on disc ( 10 ), the same applies to disc ( 13 )] means that the discs ( 10 + 13 ) between the tangential points of contact ( 4 + 7 ) and the stationary origin ( 11 ) are compressed by the indicated distance (Y). From this compression effect the sealing force results at the touching sealing points of the points ( 4 + 7 ). Additionally arises at the points of contact ( 3 + 8th ) by the pressing force (F) another sealing point.

Die dichtenden Enden der Schenkel (10 + 13) – die gemäß 1a Scheiben darstellen – besitzen einen kreisförmigen Querschnitt. Sie liefern mit den aufgezeigten Dichtkräften die geringsten Oberflächenverformungen an den Dichtstellen. Untersuchungen zeigen Veränderungen im mikroskopischen Bereich, die auf die flachen Flanschflächen oberflächenglättend wirken und somit noch bessere Voraussetzungen für sich wiederholende Dichtungsvorgänge schaffen.The sealing ends of the thighs ( 10 + 13 ) - according to 1a Represent discs - have a circular cross-section. With the indicated sealing forces they deliver the lowest surface deformations at the sealing points. Investigations show changes in the microscopic area, which surface smoothing on the flat flange surfaces and thus create even better conditions for repetitive sealing operations.

Der ortsstabile Ursprung [Bereich (12)] kann in einer rotationssymmetrischen Anordnung sehr materialsparend ausgeführt werden, da der durch die aufgezeigte Stauchkraft hervorgerufene Materialfluß der Schenkel (10 + 13) vornehmlich in Richtung der Dichtflächen wirkt und durch den Gewölbeeffekt des Bereichs (12) statisch besonders gut abgestützt wird.The location-stable origin [range ( 12 )] can be carried out in a rotationally symmetrical arrangement very material-saving, as caused by the indicated compressive force material flow of the legs ( 10 + 13 ) acts primarily in the direction of the sealing surfaces and by the vaulting effect of the area ( 12 ) is statically supported particularly well.

Die Verformung der Spreizdichtung ist insofern irreversibel als nach Demontage der Flansche beim erneuten Zusammenfügen neue Dichtungen eingesetzt werden müssen.The Deformation of the expansion seal is irreversible insofar as after Dismantling the flanges when reassembling new ones Seals must be used.

Zur besseren Demontierbarkeit der „Gleichmetalldichtung" nach dem Lösen der Verbindung können die Flanschflächen an den Dichtungsstellen (4 + 5) mit einer geringen Neigung in Richtung der Flanschstirnseiten (5 + 6) versehen werden.For better dismountability of the "uniform metal seal" after the connection has been released, the flange surfaces at the sealing points ( 4 + 5 ) with a slight inclination in the direction of the flange end faces ( 5 + 6 ).

2a zeigt eine Rohrverbindung mit zwei baugleichen Flanschen (20 + 23) und eingelegter Spreizdichtung (22) im Querschnitt. 2a shows a pipe joint with two identical flanges ( 20 + 23 ) and inserted expansion seal ( 22 ) in cross section.

In 2b ist die Flanschverbindung in funktionstüchtigem Zustand dargestellt. Die Presskraft (F) wird durch die Schraubverbindung (21) erzeugt.In 2 B the flange connection is shown in working order. The pressing force (F) is achieved by the screw connection ( 21 ) generated.

Dieselbe Funktionsweise ist in 3a und 3b aufgezeigt. Sie weist mit einer zusätzlich an der Spreizdichtung angebrachten Zentrierhilfe (26) und den dafür in den Flanschen vorgesehenen Aussparungen (V) eine erhöhte Sicherheit bei der Montage auf.The same operation is in 3a and 3b demonstrated. It points with an additionally attached to the expander gasket centering ( 26 ) and provided for in the flanges recesses (V) increased safety during assembly.

Die Bezugszahlen 20, 22 in 2 entsprechen den Zahlen 24, 25 in 3. In beiden Fällen wird ersichtlich, dass der Dichtungsvorgang ausschließlich durch das Aufeinandertreffen der Stirnflächen (W) der beiden Flansche abgeschlossen wird.The reference numbers 20 . 22 in 2 correspond to the numbers 24 . 25 in 3 , In both cases, it can be seen that the sealing process is completed only by the meeting of the end faces (W) of the two flanges.

Die dichten Flansche haben überraschend eine besonders gewünschte und wichtige Eigenschaft. Sie sind auch unter Belastung (heftige Bewegung des Rohrsystems beispielsweise durch Maschinen) unerwartet beständig und weisen auch bei starker Belastung kaum Verschlechterungen des Dichtungssystems auf. Im Falle der Homogenität, d. h. bei besonders gleichartigem Flansch- und Dichtungsmaterial ist die Stabilität erreichbar, die Schweißverbindungen gleicht. Dies gilt sowohl für Torsions- als auch Biegebelastungen.The dense flanges have surprisingly a particularly desired and important property. They are also under stress (violent Movement of the pipe system, for example by machines) unexpected resistant and show no deterioration even under heavy load of the sealing system. In the case of homogeneity, i. H. with particularly similar flange and sealing material the stability achievable, the welded joints like. This applies to both torsion and bending loads.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims

O-ring-like expansion seal ( 1 ) of solid flat sealing material having a wedge-shaped V-shaped notch (E) around its entire outer circumference parallel to the upper (So) and lower (Sa) surfaces of the gasket so as to be perpendicular to said surfaces from outside to outside In cross-section guided through the seal, referred to a zone of the seal having the shape of a lying Y.

Sealing device for pipes containing at least two flanges (approximately flat) which can be connected to the pipe ends to be connected and which can be connected to one another approximately perpendicularly to the pipe axis (US Pat. 20 . 23 . 24 . 27 ) with respective sealing surfaces and between the sealing surfaces in a mounted around the inner edge of the flanges recess (V) of the flange plane with approximately vertical inner walls (W) in each case at least one planar arranged around the pipe passage O-ring-like seal ( 12 ), characterized in that the gasket is accurately inserted into the recesses (V) of the flanges and has a wedge-shaped incision (E through its entire outer circumference, through which the distance of the upper (So) from the lower (Su) sealing surface so far is increased so that the circumference of the seal, when said distance by vertical pressure (F) on the seal ( 3 . 8th ), whereby high sealing pressure at the contact zones ( 3 . 4 . 7 . 8th ) is generated because the expansion of the seal would be increased to the edge, if this expansion would not be prevented by the approximately perpendicular inner wall W).

Spreading seal according to claim 1 or 2, characterized by a shape deviating from the circular shape.

Spreading seal according to claim 3, characterized that the flat sides of the seal oval, rectangular, square or X-shaped (so-called X-seal) are.

Spreading seal according to claim 1 to 4, characterized through an angle of the V-profile of 70 to 100 degrees.

Spreading seal according to claim 5, characterized by an angle of the V-profile of 90 degrees.