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Die
Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung von Verbindungsstellen
an Strömungswegen
für strömungsfähige Medien,
insbesondere für
Heißgase
wie Abgase von Verbrennungsmotoren, mit einem unter einer Dichtkraft
an Dichtflächen
der Verbindungsstellen anliegenden Dichtungskörper.
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Weiterentwicklungen
der Technik auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren, insbesondere
im Hinblick auf Verbrauchsoptimierung und Leistungssteigerung, führen zu
steigenden Temperaturen im Abgasbereich und damit zu steigenden
Anforderungen an die Standfestigkeit von Dichtverbindungen in Abgas-Heißbereichen.
Dies betrifft vor allem Dichtverbindungen an den Übergängen zwischen
Zylinderkopf und Abgaskrümmer,
Abgaskrümmer
und Abgasturbolader, Abgaskrümmer
und Katalysator oder Turbolader und Abgasrohr. Trotz Verwendung
metallischer Dichtungskörper
aus hochwertigen, hitzebeständigen
Werkstofflegierungen werden bekannte Dichtungsanordnungen bei hohen
thermischen Beanspruchungen den Anforderungen bezüglich ausreichender
Standzeit häufig
nicht gerecht.
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Im
Hinblick auf diese Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Dichtungsanordnung zur Verfügung
zu stellen, die bei Verbindungsstellen an Strömungswegen für Heißgase eine sichere
Abdichtung über
lange Betriebszeiten hinweg gewährleistet,
selbst unter Bedingungen, bei denen sich besondere thermische Beanspruchungen
ergeben.
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Erfindungsgemäß ist diese
Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches
1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Nach
dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht die wesentliche
Besonderheit der Erfindung darin, dass der Dichtungskörper nicht
nur und nicht ausschließlich
durch die auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen
beeinflußt ist,
sondern dass dem Dichtungskörper
ein Steuerelement zugeordnet ist, das, als zusätzliches Hilfs- oder Abstützmittel
fungierend, bei thermischer Belastung den Dichtungskörper so
beeinflußt,
dass an den Dichtflächen
eine erhöhte
Dichtkraft erzeugt wird.
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Der
Ansteuerkörper
kann auf verschiedene Weise wirksam sein. Beispielsweise kann, etwa durch
geeignete Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten, erreicht
werden, dass bei einer thermischen Ausdehnung des Gesamtverbandes aus
Flanschteilen der Verbindungsstellen, des Dichtungskörpers und
des Ansteuerkörpers
unterschiedliche Ausdehnungsraten zur Entstehung von zwischen Dichtungskörper und
Ansteuerkörper
wirkenden Kräften
führen,
nämlich
zu die Dichtkraft erhöhenden Hilfskräften oder
zu Abstützkräften, die
Verformungen des Dichtungskörpers
verhindern.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
ist der Dichtungskörper
durch einen Ringkörper
mit Ringmantelbereichen gebildet, die unterschiedliche Radialabstände von
der Ringkörperachse
aufweisen, wobei ein am Ringkörper
am weitesten radial außen
oder am weitesten radial innen liegender, ebenflächiger Ringmantelbereich mindestens
einen Abdichtbereich für
die mit radialer Dichtkraft erfolgende Anlage an Dichtflächen bildet,
die an den Verbindungsstellen konzentrisch zur Achse des Strömungsweges
und miteinander fluchtend ausgebildet sind.
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Die
Dichtungsanordnung bildet hierbei in vorteilhafter Weise eine Radialdichtung,
wobei eine bessere thermische Entkoppelung des radial endseitig
gelegenen Abdichtbereiches des Ringkörpers aufgrund des Radialabstandes
gegeben ist, der zwischen den zugeordneten Dichtflächen an
Flanschteilen der Verbindungsstelle und den unmittelbaren Heißzonen am
Strömungsweg
vorhanden ist, verglichen mit Axialdichtungen, bei denen üblicherweise gesickte
oder ungesickte Flachdichtungen durch das nahezu direkte Anliegen
an den den Strömungsweg umgebenden
Flanschteilen weit stärker
thermisch beansprucht sind.
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Der
Ansteuerkörper
kann durch einen Innenring gebildet sein, der an dem den Dichtungskörper bildenden
Ringkörper
für eine
Abstützung
desselben gegen Kräfte
in Radialrichtung an Anlageflächen
des Ringkörpers
anliegt.
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Der
Innenring kann ein einfacher Vollring ohne Profilierung sein.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
ist der Innenring ein metallischer Profilring mit seitlichen äußeren Umfangsflächen, die äußere Kreisringflächen bilden,
die in zur Ringachse senkrechten Ebenen liegen. Bei solcher Gestaltung
des Innenringes kann dieser mit seinen äußeren Kreisringflächen für eine Übertragung
von Kräften,
die nicht nur in Radialrichtung, sondern auch in Axialrichtung wirken,
auch an weiteren Anlageflächen
des Ringkörpers
anliegen. Dadurch ist zusätzlich
zu einer die radiale Dichtkraft erhöhenden Hilfskraft auch eine zusätzliche
axiale Hilfskraft auf den Dichtungskörper übertragbar.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung so getroffen sein,
dass der Innenring ein im Querschnitt U-förmiges Profil besitzt, das
einen die seitlichen, axial äußeren Kreisringflächen verbindenden
Profilsteg aufweist, dessen Außenseite
die zur Ringachse konzentrische, kreiszylindrische Anlagefläche für die Abstützung des
Ringkörpers
gegen Radialkräfte
bildet.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
ist der den Dichtungskörper
bildende Ringkörper
in der Art eines Profilringes gestaltet, an dessen zentralen, radial
am weitesten außenliegenden Ringmantelbereich
sich beidseits seitliche Profilschenkelteile anschließen, die
abgewinkelt oder abgebogen radial nach innen gegen den den Ansteuerkörper bildenden
Innenring hin verlaufen und für
diesen die Anlageflächen
bilden. Bei solcher Gestaltung des Dichtungskörpers in der Art eines gesickten Ringkörpers erfolgt
die Zusammenwirkung mit den Dichtflächen an der Verbindungsstelle
nicht über
die gesamte axiale Erstreckung des Ringkörpers sondern lediglich am
radial am weitesten außenliegenden
Ringmantelbereich, so dass aufgrund der verringerten Kontaktfläche die
durch die Dichtkraft erzeugte Flächenpressung
erhöht
ist.
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Vorzugsweise
haben die Profilschenkelteile eine ebenflächige Gestalt.
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Bei
vorteilhaften Ausführungsbeispielen
ist der Ringkörper
so gestaltet, dass sich an die Profilschenkelteile abgewinkelte,
ebenfalls ebenflächig verlaufende
Endabschnitte anschließen.
Diese können
konzentrische Anlageflächen
für die
Anlagefläche
am Profilsteg des Innenringes bilden.
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Der
den Dichtungskörper
bildende Ringkörper
kann mit einem umfänglichen
Fußteil
versehen sein, nämlich
dergestalt, dass sich an die Profilschenkelteile oder deren Endabschnitt
ein außenliegendes,
Kreisringflächen
des Ringkörpers
bildendes Fußteil
anschließt,
das innenseitig eine Anlagefläche für die äußere kreisringförmige Anlagefläche des
Innenringes bildet. Der den Dichtungskörper bildende Ringkörper ist
daher am Innenring nicht nur gegen Radialkräfte abgestützt, sondern bildet auch eine Einfassung
für den
innerhalb des Ringraumes des Ringkörpers aufgenommenen Innenkörper, d.
h. Ringkörper
und Innenkörper
bilden einen Verbund, bei dem bei de Körper gegen Radialkräfte und
Axialkräfte
gegenseitig abgestützt
sind. Diese Abstützung kann
optimiert werden, indem an einer der Kreisringflächen eine die axiale Dicke
des Ringkörpers
vergrößernde Vollsicke
ausgebildet ist.
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Bei
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
ist die Anordnung so getroffen, dass Ringkörper und Innenring in Ringnuten
aufgenommen sind, die an den Verbindungsstellen des Strömungsweges ausgebildet
sind, beispielsweise in an den Verbindungsstellen aneinanderliegenden
Flanschteilen. Die Tiefe der Ringnuten und die axiale Abmessung
des Dichtungskörpers
können
hierbei so gewählt
sein, dass die Bodenflächen
der Ringnuten ein axiales Kriechen des Ringkörpers unter Belastung verhindern,
dass also kein Flachdrücken
der die Sickenhöhe
bestimmenden Profilschenkel erfolgen kann.
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Für Einsatzzwecke,
bei denen die Dichtungsanordnung besonders hohen thermischen Beanspruchungen
ausgesetzt ist, kann die Anordnung in vorteilhafter Weise so getroffen
sein, dass der den Ansteuerkörper
bildende Innenring mehrlagig ausgebildet ist und mindestens eine
dem Strömungsweg radial
nächstgelegene
Lage aus wärmeisolierendem Werkstoff
und eine weitere metallische Lage als eigentliches Ansteuerelement
aufweist.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im
Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematisch vereinfacht, gegenüber
einer praktischen Ausführungsform
stark vergrößert gezeichneten,
halbseitigen Teillängsschnitt
einer Verbindungsstelle eines Abgas-Strömungsweges, wobei Einzelheiten
und Dimensionierungen von Teilen der Dichtungsanordnung zur Verdeutlichung
des Funktionsprinzipes teilweise übertrieben groß dargestellt
sind, und
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2 bis 6 der 1 ähnliche
Darstellungen fünf
weiterer Ausführungsbeispiele
der Dichtungsanordnung.
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In
der Zeichnung sind Flanschteile mit 1 und 3 bezeichnet,
die an einer Verbindungsstelle 5 eines Strömungsweges 7 aneinanderliegen,
der von einem Gasstrom entlang seiner Längsachse 11 durchströmbar ist,
wie mit einem Strömungspfeil 9 angedeutet.
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Die
Flanschteile 1 und 3 weisen als Sitz für die Dichtungsanordnung
jeweils eine an der Verbindungsstelle 5 offene Ringnut 13 auf,
deren radial außenliegende
Seitenwände 15 bzw. 17 miteinander fluchtende,
zur Achse 11 des Strömungsweges 7 konzentrische
Ringflächen
bilden, die mit dem Haupt-Abdichtbereich eines als Ganzes mit 19 bezeichneten,
als Dichtungskörper
dienenden Ringkörper 19 zusammenwirkend
eine Radialdichtung an der Verbindungsstelle 5 bilden.
Die Tiefe der Ringnuten 13, 14 ist so gewählt, dass
bei aneinander anliegenden Flanschteilen 1 und 3 der
Abstand zwischen den Bodenflächen 21 bzw. 23 der
Ringnuten der axialen Breite des Ringkörpers 19 entspricht,
so dass der eingebaute Ringkörper 19 durch
Abstützung
an den Bodenflächen 21, 23 bei
Belastung mit Radialkräften gegen
ein axiales Kriechen abgestützt
ist.
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Als
Ansteuerkörper,
der das Betriebsverhalten des Dichtungskörpers beeinflusst, dient ein
Innenring 25, der bei den in 1 bis 3 gezeigten Beispielen
die Form eines metallischen Profilringes besitzt, genauer gesagt,
ein im Querschnitt U-förmiges
Profil besitzt, wobei kurze seitliche Schenkel 34 durch
einen längeren
Profilsteg 36 verbunden sind. Dessen Außenseite bildet eine zur Ringachse 35 konzentrische,
kreiszylindrische Anlagefläche 33,
an der der Ringkörper 19 gegen
Radialkräfte
abgestützt ist.
Die seitlichen, äußeren Umfangsflächen der Schenkel 34 des
Innenringes 25 bilden äußere Kreisringflächen 37,
die in zur Ringachse 35 senkrechten Ebenen liegen.
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Der
als Dichtungskörper
dienende Ringkörper 19 ist
ebenfalls in der Art eines gesickten Profilringes gestaltet, wobei
ein radial am weitesten außen liegender,
zentraler, ebenflächiger
Ringmantelbereich 27 eine Radialdichtung an Dichtflächen bildet, die
durch die Seitenwände 15 und 17 der
Ringnuten 13, 14 gebildet sind. An diesen erhabenen
Ringmantelbereich 27 schließen sich beidseits abgewinkelte Profilschenkelteile 29 an,
die sich schräg
verlaufend gegen den Innenring 25 hin erstrecken. Bei dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel schließen sich an
die Profilschenkelteile 29 jeweils ebenflächige Endteile 31 an,
die sich bis zum axialen Endrand des Ringkörpers 19 erstrecken
und eine zur Ringkörperachse 35,
die der Achse 11 des Strömungsweges 7 entspricht,
konzentrische Kontaktfläche
zur Abstützung
an der Anlagefläche 33 des
Innenringes 25 bilden. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 entspricht
die axiale Breite des Innenringes 25 der Gesamttiefe der
Ringnuten 13, 14, so dass die Bodenflächen 21, 23 der
Ringnuten 13, 14 eine Anlagefläche für die äußeren Ringflächen 37 des
Innenkörpers 25 bilden.
Letzterer ist an seinen radial innen liegenden Seitenrändern 40 an
den Innenseiten 39, 41 der radial innen liegenden
Wände 43, 45 der
Ringnuten 13, 14 abgestützt.
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Entsprechend
der Dicke der Wände 43, 45 ergibt
sich eine thermische Entkoppelung der Dichtungsanordnung aus Ringkörper 19 und
Innenring 25 gegenüber
dem Strömungsweg 7.
Bei thermischer Belastung ist durch eine gewählte thermische Ausdehnungsrate
des Innenringes 25 in Richtung senkrecht zu seiner Achse,
verglichen mit der Ausdehnung des Gesamtverbundes, eine auf den
Ringkörper 19 in
Radialrichtung (bezogen auf die Achse 11, 35)
gerichtete Hilfskraft erzeugbar, die am Ringmantelbereich 27 als
zusätzliche
Dichtkraft auf die als Dichtfläche
dienenden Seitenflächen 15 und 17 wirkt. Dabei
ist ein Flachdrücken
der Sickung des Ringkörpers 19,
d. h. ein axiales Kriechen des Ringkörpers 19, durch die
Abstützung
an den Bodenflächen 21 und 23 der
Ringnuten 13, 14 verhindert. Ein sich im Innenraum 47 der
Dichtungsanordnung im Betrieb aufbauender Gasdruck trägt zur weiteren
Erhöhung der
Dichtkraft bei. Es versteht sich, dass die Wände 43, 45 verkürzt sein
könnten
und nicht an der Verbindungsstelle 5 aneinanderstoßend ausgebildet
sein müssten.
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Das
Ausführungsbeispiel
von 2 unterscheidet sich gegenüber 1 insofern,
als die vom zentralen Ringmantelbereich 27 des Ringkörpers 19 abgewinkelten
Profilschenkelteile 29 bis zu den Bodenflächen 21, 23 der
Ringnuten verlaufen und dort in ein Kreisringflächen bildendes Fußteil 49 übergehen,
das den Ringkörper 19 in
Radialrichtung verlängert.
Die innere Kreisringfläche
des Fußteiles 49 bildet
eine Anlagefläche 51 für die äußere Ringfläche 37 des
Innenringes 25.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist mittels des Innenringes 25 bei thermischer Belastung
nicht nur eine auf den Ringkörper 19 radial
wirkende Hilfskraft erzeugbar, sondern über die Anlagefläche 51 am
Fußteil 49 auch
eine das Fußteil 49 abdichtend an
die Bodenflächen 21, 23 anpressende,
axiale Hilfskraft.
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Bei
dem in 3 gezeigten Beispiel ist der Ringkörper 19 ebenfalls
durch ein Fußteil 49 radial verlängert, auf
das vom Innenring 25 eine axiale Hilfskraft übertragbar
ist. Anders als beim Beispiel von 2 ist jedoch
das Fußteil 49 nicht
unmittelbar mit den schräg
abgewinkelten Profilschenkelteilen 29 zusammenhängend, sondern
diese sind, wie bei dem Beispiel von 1, durch
axial verlaufende Endteile 31 verlängert, deren Enden wiederum
in das rechtwinklig abgebogene Fußteil 49 übergehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ergibt sich, wie beim Beispiel von 1, eine
verhältnismäßig großflächige Anlage
zwischen Anlagefläche 33 am
Steg 36 des Innenringes 25 und den ebenflächigen Endteilen 31 des
Ringkörpers 19.
Gleichzeitig ist durch den als Ansteuerkörper für den als Dichtungskörper fungierenden
Innenring 25 außer
einer radialen Hilfskraft auch eine axiale Hilfskraft auf den Ringkörper 19 übertragbar,
so dass auch zwischen Fußteil 49 und
Bodenflächen 21, 23 der
Ringnuten 13, 14 eine Dichtkraft erzeugbar ist.
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Vorstehend
ist die Erfindung anhand von Beispielen erläutert, bei denen der Innenring 25 die Form
eines Profilringes mit U-förmigem
Querschnitt besitzt. Es versteht sich, dass andere Bauweisen in Frage
kommen. Wesentlich ist lediglich, dass der Innenring mit dem als
Dichtungskörper
fungierenden Ringkörper 19 so
zusammenwirkt, dass thermische Belastungen des Verbundes zu einer
erhöhten,
am Ringkörper 19 wirkenden
Dichtkraft führen.
Anstelle eines U-Profilringes könnte
ein massiver Vollring vorgesehen sein. Auch könnte ein Ring mit einer in
geschlossener Ringkammer befindlichen Füllung aus einem bestimmte thermische
Eigenschaften aufweisend Füllmaterial,
beispielsweise in Form eines Gels der eines porösen oder partikulären Füllmaterials, vorgesehen
sein.
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Der
Innenring kann auch mehrteilig aufgebaut sein, wie dies bei dem
in 4 gezeigten, weiteren Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Der Innenring 25 wirkt hierbei mit einem als Dichtungskörper fungierenden
Ringkörper 19 gleicher
Bauweise zusammen, wie dies auch in 1 der Fall
ist. Der Ringkörper 25 ist
jedoch aus zwei die axialen Enden bildenden Kreisringscheiben 67 gebildet,
die über
einen Metallbalg 69 miteinander verbunden sind, der den umfänglichen
Mantelkörper
des Innenringes 25 bildet. Der im Betrieb im Raum 47 aufbauende
Gasdruck wirkt über
die Ausdehnung des Balgs 69 als zusätzliche Dichtkraft, nämlich durch
Anpressen der Außenseite 71 der
Ringscheiben 67 an den jeweiligen Boden 21 und 23 der
Ringnut 13 bzw. 14, während, wie beim Ausführungsbeispiel
von 1, eine Radialkraft über die Enden der Ringscheiben 67 auf die
Endteile 31 des Ringkörpers 19 übertragen
wird, um die radiale Dichtkraft zu erhöhen, mit der der Ringmantelbereich 27 an
die Dichtflächen 15, 17 angepreßt wird.
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Die 5 verdeutlicht
ein weiteres Beispiel mit mehrlagig aufgebautem Innenring 25,
der mit einem als Dichtungskörper
fungierenden Ringkörper 19 gleicher
Bauweise zusammenwirkt, wie dies in 1 der Fall
ist. Der Ringkörper 25 ist
jedoch aus zwei jeweils zwei Flachringe bildende Lagen 61 und 63 gebildet,
die radial geschichtet sind, wobei die dem Strömungsweg 7 radial
nächstgelegene
Lage 61 aus wäremeisolierendem
Werkstoff gebildet ist, beispielsweise aus Glimmer, Keramik oder
Glaswolle. Die radial außenliegend
sich anschließende
Lage 63 ist eine Metalllage, die das eigentliche Ansteuerelement
für die
Zusammenwirkung mit dem Dichtungskörper (Ringkörper 19) bildet.
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Das
in 6 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel ist ähnlich aufgebaut
wie das Ausführungsbeispiel
von 2. Im Unterschied demgegenüber ist jedoch der Innenring 25 nicht
als Profilring gestaltet, sondern ist ein Vollring mit rechteckförmigem Wandquerschnitt.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 2 ist
die äußere Ringfläche 37 des
Innenringes 25 vom Fußteil 49 des
Ringkörpers 19 übergriffen.
Beim Beispiel von 6 liegt jedoch die äußere Kreisringfläche 55 des
Fußteiles 49 nicht
flächig
an den Bodenflächen 21 und 23 an,
sondern im Fußteil 49 ist
eine eine axial nach außen
vorstehende Vollsicke 57 gebildet, über die eine anpressende axiale Hilfskraft
erzeugt wird, die zwischen Fußteil 49 und Bodenflächen 21, 23 abdichtend
wirksam ist. Durch die Dimensionierung läßt sich die Sickenkraft der Vollsicke 57 gezielt
einstellen. Zusätzlich
wird durch thermische Ausdehnung eine additive Sickenkraft erzeugt,
die als axiale Dichtkraft wirkt.
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Bei
den vorliegend gezeigten Beispielen ist das Dichtelement jeweils
auf der vom Strömungsweg 7 radial
entfernten Seite des Ansteuerkörpers
angeordnet. Es versteht sich, dass das Dichtelement 19 auch
auf der radial innenliegenden Nutinnenfläche anliegen könnte.