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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.
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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.
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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.
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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 Dichfflächen
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 wur de 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).
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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, Z. 31–37 im Zusammenhang mit S.1 Z. 100–104).
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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).
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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.
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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).
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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 Dichtverbindung 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).
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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.
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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.
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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 Dichffläche 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).
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Nach
dem oben angeführten Stand der Technik wurden O-Ring Anordnungen
mit Heliumleckraten von allenfalls < 10–6 mbar
I 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 I s–1 gefordert.
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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 I s
–1)
herzustellen.
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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.
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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 die 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.
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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.
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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.
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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 I s–1)
eine Verbesserung auf zwischen 10–9 mbar
I s–1 und 10–12 mbar
I s–1 ergeben. Selbst unter weniger
aufwendiger Gestaltung der Vorrichtung sind immer noch mühelos
10–11 mbar I 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
oben beschrieben ist dieser Effekt Basis der erzielten außergewöhnlichen
Dichtwirkung.
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Diese
wird mit anderen Worten erreicht, indem die Schenkelenden (7)
durch die zu dichtenden Komponenten an einer vertikalen Ortsveränderung gehindert
werden.
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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.
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Dieses
Dichtungsprinzip wurde bei Versuchen als Rohrleitungssystem mit
Dichtflanschen beispielhaft homogen in Edelstahl ausgeführt.
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Die
erzielten Dichtigkeiten lagen weit unterhalb der zuverlässigen
Nachweisgrenze handelsüblicher Heliumlecksucher von < 10–1 mbar
I s–1.
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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.
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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.
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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.
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Weiterhin
hat sich herausgestellt, dass das Prinzip der oben beschriebenen
Erfindung überraschenderweise auch einen ganz erheblichen
Fortschritt für die Abdichtung von Endrohren an Behältern,
z. B. an Flaschenverschlüssen, insbesondere an Wein-, Spirituosen-,
Champagner- oder Sektflaschen ermöglicht, bei denen es
besonders wichtig ist, dass das mit der Flüssigkeit in
Verbindung kommende Verschlussmaterial eine möglichst absolute
Geschmacksneutralität insbesondere über lange
Zeiträume aufweist und dabei gesichert ist, dass auch eine
möglichst absolute Abdichtung des Inhalts gegen den die
Flasche umgebenden Luftsauerstoff besteht. Wie bereits in der
WO 2006/089711 A1 beschrieben,
hat sich Zinnblech als Grenzfläche zwar als besonders neutral
und flexibel erwiesen, jedoch ist dessen Verwendung zusammen mit
Kork als Kernmaterial bei Flaschen schwierig da mit Zinn beschichtete
Korken beim Verschließen der Flasche bereits durch die
angewandte Verschlusskraft und Volumenveränderung des Korks
beim Verschließen dazu neigen, undicht zu werden und nach
Verschluss Risse in der Zinnfolie aufweisen.
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Der
Gegenstand der Erfindung wird durch die Beschreibung, Beispiele
und die zugehörigen Abbildungen näher erläutert.
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Beschreibung der Abbildungen:
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1: Funktion und Wirkungsweise der Spreizdichtung
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2: Einfache Spreizdichtung – vor
(links) und nach der Pressung (rechts)
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3:
Spreizdichtung mit zusätzlicher Zentrierhilfe vor (links)
und nach der Pressung (rechts)
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4:
Einschenklige Spreizdichtung als Flaschenverschluss
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1a zeigt
in dreidimensionaler Darstellung schematisch die Spreizdichtung
mit der Symmetrieachse (14). Funktion und Wirkungsweise
werden anhand der Schnittzeichnung 1a erläutert.
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Die
Dichtung besteht aus keilförmig gespreizten Schenkeln (13),
die im gemeinsamen Querschnitt (12) enden.
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Dargestellt
ist die Dichtung in vormontiertem Zustand zu den angrenzenden Dichtflanschen
(2, 9). Diese liegen zunächst ungepresstan
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.
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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 zurückgelegte
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.
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Die
dichtenden Enden der Schenkel (10 + 13) – die
gemäß 1 a 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.
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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 Dichfflächen
wirkt und durch den Gewölbeeffekt des Bereichs (12)
statisch besonders gut abgestützt wird.
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Die
Verformung der Spreizdichtung ist insofern irreversibel als nach
Demontage der Flansche beim erneuten Zusammenfügen neue
Dichtungen eingesetzt werden müssen.
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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.
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2a zeigt
eine Rohrverbindung mit zwei baugleichen Flanschen (20 + 23)
und eingelegter Spreizdichtung (22) im Querschnitt.
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In 2b ist
die Flanschverbindung in funktionstüchtigem Zustand dargestellt.
Die Presskraft (F) wird durch die Schraubverbindung (21)
erzeugt.
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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.
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäß abgewandelte Verschlusssystem
ist in 4 dargestellt. Hier wird auch aufgezeigt, dass
in geeigneten Fällen auch nur ein Schenkel des in den 1 bis 3 dargestellten Y-Querschnitts
eingesetzt werden kann, sofern beim Verschluss mechanischer Druck
auf die in 1b besonders deutlich dargestellten
Kontaktstellen (3) und (7) gegen den Flaschenhals
(30) als senkrechte Hohlraumbegrenzung (W) aufgebaut werden
kann. Dies ist durch den oben bereits beschriebenen Gewölbeeffekt
der Fall.
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Der
normalerweise aus Glas bestehende Flaschenhals (30) bildet
den abzudichtenden Hohlraum (31). Der Verschluss besteht
aus den Teilen (35), (38) und (39) [einschließlich
der Diffusionsbarriere (32)] und einem Distanzring (34).
Der aus den beiden Schenkeln (33) geformte, das besagte
Gewölbe bildende und im Schnitt darstellende „Pilz"
hat unverspannt einen geringfügig kleineren Durchmesser
als der Hohlraum (31), so dass er vor dem Verschließen
des Rohres praktisch ohne Reibung mit der Glasinnenfläche
(W) in den Flaschenhals eingeschoben werden kann, wodurch eine Beschädigung der
Diffusionsbarriere (32) ausgeschlossen ist.
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Nach
Einsetzen des Distanzrings (34) wird die den Flaschenhals
oben abschließende Verschlussmutter (35) aufgesetzt,
welche mit einem bei 37 angebrachten Innengewinde in das
entsprechend passende Gegengewinde des Bodenkörpers (38) des
Stopfens eingreift. Beim Drehen der Mutter (35) wird nun
mittels des Gewindes der Stopfen in der im noch vorhandenen Hohlraum
durch die beiden Pfeile angedeuteten Richtung nach außen
bewegt, wodurch die Enden (36) wie beschrieben mit großer Kraft
gleichermaßen gegen den Distanzring (34) und die
Wand (W) des Flaschenhalses gepresst werden. Hierdurch wird erstmals
ein absolut vakuumdichter und geschmacksneutraler, sicherer Verschluss
insbesondere von hochwertigen Wein- und Champagnerflaschen erzeugt,
der besonders preiswert hergestellt werden kann, da das für
die Teile des Verschlusses verwendete Material (wie etwa Polypropylen,
Polyethylen, Polystyrol oder Polyamid, bevorzugt Polyethylenterephthalat)
unkritisch bezüglich seiner Eigenschaften ist, da es bei
unverletzter Diffusionsbarriere geschmacklich keinen Einfluss auf
den Inhalt einer so verschlossenen Flasche ausüben kann.
Als Material für die Stopfenteile (38, 39),
den Distanzring (34) und die Verschlussmutter (35)
kann folglich jedes flexible Material verwendet werden, das die
bei der Anwendung auftretenden Kräfte bei 36 und
im Gewinde bei 37 ohne unerwünschte weitere Verformung
aushält und seine Flexibilität über eine
entsprechend lange Zeit beibehält. Der Verschluss ist trotz seines
nur durch Reibung und ohne Drahtverstärkung extrem festen
Sitzes überraschend durch wenige Umdrehungen der Verschlussmutter
leicht wieder zu öffnen.
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Gestaltet
man die Verschlussmutter (35) in von anderen Verschlüssen
her bekannter Weise so, dass sie zwischen Finger und Daumen leicht
festgehalten und bewegt werden kann (grobe oder feine Riffelung
oder Hebeleingriff), dann eignet sie sich ganz besonders für
Sekt-, Schaumwein- oder Champagnerflaschen, deren Entkorkung wegen
des hohen Innendrucks im Flaschenhals bekanntlich heikel ist, da
bereits die Entfernung der Arretierungsdrähte bei Champagnerflaschen
sehr oft zu unerwünschtem Überschäumen
führt. Da hochwertiger Naturkork immer teurer wird, ist
der erfindungsgemäße Flaschenverschluss auch hinsichtlich
der Kosten ein erheblicher Fortschritt auf diesem Gebiet. Zur besseren Handhabung
der Verschlussmutter (35) beim Öffnen wird also
deren Rand so unregelmäßig gestaltet, dass für
Daumen und Zeigefinger gut fassbare Halteflächen gebildet
werden, welche das Drehen der Mutter erleichtern.
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Die
Erfindung umfasst daher weiterhin eine Spreizdichtung für
Endrohre eines Gefäßes, insbesondere Flaschenhälse,
in Form eines mehrteiligen stopfenartigen Verschlusses mit einem,
dem Durchmesser des abzudichtenden Rohres entsprechenden mit der
Wölbung zur Flüssigkeit hin gerichteten pilzförmigen
Abschluss und einem sich in die Gegenrichtung erstreckenden verjüngten
Bodenkörper (38), dessen Längsachse mit
der Längsachse des Rohrendes oder Flaschenhalses zusammenfällt,
sowie mit einem Distanzring (34) mit einem dem Lumen des Rohrendes
oder Flaschenhalses entsprechenden Außendurchmesser und
einem dem Durchmesser des verjüngten Bodenkörpers
(38) entsprechenden Innendurchmesser, sowie einer Verschlussmutter (35),
deren Gewindedurchmesser dem Innendurchmesser des Distanzrings (34)
und dem Außendurchmesser des verjüngten Bodenkörpers
(38) entspricht und deren Außendurchmesser so
bemessen ist, dass die nach innen weisende Auflagefläche
der Verschlussmutter auf den Rand des abzudichtenden Rohres zu liegen
kommt, wobei das Gewinde so in ein Kontergewinde des vom Distanzring
(34) umfassten Bodenkörpers eingreift, dass bei
entsprechender Drehung der Verschlussmutter (35) eine in 4 durch
zwei nach aussen gerichtete Pfeile angedeutete Zugkraft an dem pilzfömigen
Abschluss (39) nach außen bewirkt wird, die den
Druck von dessen Randzone (36) sowohl auf die Innenfläche
des Rohres oder Flaschenhalses (W) als auch auf die Unterseite des
Distanzrings (34) erhöht. Praktischerweise wird der
in den verjüngten Bodenkörper übergehende pilzförmige
Abschluss (39) zusammen mit dem Distanzring (35)
und der vor dem Verschließen noch locker auf dem Gewinde
des Bodenkörpers sitzenden Verschlussmutter (35)
als vormontierte Verschlusseinheit in das Rohrende oder den Flaschenhals
eingeschoben, wonach durch Drehen der Mutter durch den dabei entstehenden
Spreizdruck des Pilzes der endgültige Verschluss an (36)
erreicht werden kann.
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Die
Oberfläche des nach innen weisenden „Pilzes" ist
gewünschtenfalls mit einer vorzugsweise aus Zinnfolie bestehenden
Diffusionsbarriere (32) so weit überzogen, dass
im Behältnis vorhandene Flüssigkeit mit dem verwendeten
Dichtungsmaterial des Stopfens nicht in Berührung kommen
kann.
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Selbstverständlich
kann das Gewinde auch durch andere bekannte und geeignete Vorrichtungen ersetzt
werden, sofern durch diese der entscheidende Druck des pilzförmigen
Abschlusses (39) auf die Dichtflächen (36)
erzeugt und aufrechterhalten wird. Beispielsweise kann bei maschinellem
Verschluss (z. B. nach der Abfüllung von Flaschen in Befüllungsautomaten)
die hierfür erforderliche Zugkraft nach außen
zunächst durch eine am Stopfen angreifende Verschließvorrichtung
ggf. unter Zuhilfenahme eines Vakuums bewirkt werden, worauf dann
der untere Teil (38) des Stopfens durch das gleichzeitige
Anbringen leicht wieder entfernbarer Sperren, z. B. splintartiger
Vorrichtungen, in der fixen Form festgehalten wird, bis die Sperre
wieder entfernt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 07019555 [0001, 0020]
- - US 3208758 [0010]
- - US 5640751 A [0010, 0010]
- - CH 422448 [0010]
- - GB 2038972 A [0011]
- - US 2760673 [0012]
- - FR 1044153 [0013]
- - FR 1506567 [0014]
- - DE 2416808 A [0015]
- - US 3038731 [0017]
- - DE 1425429 A [0018]
- - WO 2006/089711 A1 [0042]