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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung zur Abdichtung eines
Gehäusespalts zwischen zwei Bauteilen und zum Einbau in
einen Einbauraum, der zwischen einer ersten Anlagefläche
des ersten Bauteils und einer zweiten Anlagefläche des
zweiten Bauteils gebildet ist, wobei die Anlageflächen
unter einem Einbauwinkel zueinander verlaufen. Die Erfindung betrifft
ferner eine Dichtungsanordnung mit einer solchen Dichtung.
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Der
Verband der Deutschen Automobilhersteller (VDA) hat für
die Verbindungstechnik für CO2-Klimaanlagen
(R744-Klimaanlagen) Anforderungen ausgearbeitet, die insbesondere
für die eingesetzten Dichtungen relevant sind. Bislang
sind für diese Anwendung häufig eine Abdichtung
mittels O-Ringen oder elastomeren Formteilen vorgesehen.
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Ein
metallischer C-Ring mit einer polymeren Beschichtung, wie er etwa
in der
DE 202 00 438
U1 beschrieben ist, stellt prinzipiell eine Verbesserung im
Vergleich zur O-Ring-Abdichtung bezüglich des Gasverlustes
aufgrund von Permeation dar, da der metallische C-Ring eine Permeationsbarriere
darstellt. Der C-Ring ist für eine statische Anwendung
in einem steifen Einbauraum eine sehr gute Lösung. Die
in CO
2-Klimaanlagen gebräuchliche
Rohrverbindungstechnik hat jedoch den Nachteil, dass die Verpressungskraft
von einer einzelnen außermittig angeordneten Schraube aufgebracht
werden muss und dass das zum Montieren der Flanschhälften
erlaubte Drehmoment zudem begrenzt ist. Aufgrund der außermittig
angeordneten Schraube kommt es dazu, dass bei einem steifen Dichtelement,
wie es der C-Ring ist, die Flanschhälften oft nicht vollständig
geschlossen werden können.
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Aus
der
WO 2008/015053
A1 ist ein Dichtsystem bekannt, welches aus einer sehr
dünnen Stahlfederscheibe mit einer beidseitigen, dünnen Elastomer-Auflage
versehen ist. Beim Verpressen dieser Federscheibe kommt diese an
vier Auflagepunkten in Kontakt mit dem Einbauraum. An diesen Stellen
wird so eine dichtende Flächenpressung erzeugt.
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In
der
DE 102 61 887
B4 ist eine reine Metalldichtung beschrieben, welche durch Überhöhungen im
Einbauraum plastisch verformt wird. Bei dieser Lösung besteht
jedoch der Nachteil, dass die metallische Dichtscheibe selbst quasi
keine elastische Rückfederung realisieren kann.
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Aus
der
DE 202 20 520
U1 und der
DE
20 2005 004 686 U1 sind Dichtungslösungen bekannt, bei
denen zwei Kegelflächen gegeneinander verspannt werden.
Eine Lösung verwendet die aufgeweiteten Rohrenden als Dichtflächen,
eine andere Lösung verwendet ein spezielles Formteil.
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DE 100 19 567 A1 beschreibt
eine Dichtung, die aus einer ersten extrusionsfesten Dichtungskomponente
und einer zweiten Dichtungskomponente besteht. Die erste Dichtungskomponente
weist eine einer Dichtfläche des ersten Bauteils zugewandte Anlagefläche
und eine Kontaktfläche zur Anlage an dem anderen Bauteil
auf. Die zweite deformierbare Dichtungskomponente liegt an der ersten
Dichtungskomponenten an und weist einen über die Anlagefläche
vorstehenden Rand auf.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung
sowie eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, dass bei relativ geringen Montagekräften
eine sehr gute Dichtheit (geringe Grenzflächenleckage und
Permeation) durch ausreichend hohe Flächenpressung an den
Kontaktflächen zwischen der Dichtung und den Anlageflächen
des Einbauraums sowie eine gute Temperatur- und Druckstabilität
realisiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von der eingangs genannten Dichtung dadurch
gelöst, dass die Dichtung
- – ringförmig
ausgebildet ist,
- – ein erstes, im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig
ausgebildetes Dichtungselement mit zwei federelastisch zueinander
angeordneten Dichtungsschenkeln aufweist, die in nicht eingebautem
Zustand der Dichtung unter einem Dichtungswinkel zueinander verlaufen,
der größer ist als der Einbauwinkel, und
- – ein zweites, in Form einer verformbaren Beschichtung
ausgebildetes Dichtungselement aufweist, das auf der zu den Anlageflächen
weisenden Oberfläche des ersten Dichtungselements aufgebracht
ist.
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Alternativ
wird diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Dichtung
dadurch gelöst, dass die Dichtung
- – ringförmig
ausgebildet ist,
- – ein erstes, im Querschnitt im Wesentlichen L-förmig
ausgebildetes Dichtungselement mit zwei federelastisch zueinander
angeordneten Dichtungsschenkeln aufweist, die in nicht eingebautem
Zustand der Dichtung unter einem Dichtungswinkel zueinander verlaufen,
der größer ist als der Einbauwinkel, und
- – ein drittes, in Form eines elastisch verformbaren Dichtkörpers
ausgebildetes Dichtungselement aufweist, das größtenteils
auf der von den Anlageflächen weg weisenden Oberfläche
des ersten Dichtungselements angeordnet ist, über die Enden
der Dichtungsschenkel hinausragt und an diesen Enden die Stirnseiten
der Dichtungsschenkel übergreift.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Dichtungsanordnung mit einem Gehäusespalt
zwischen zwei Bauteilen und einem Einbauraum, der zwischen einer
ersten Anlagefläche des ersten Bauteils und einer zweiten
Anlagefläche des zweiten Bauteils gebildet ist, wobei die
Anlageflächen unter einem Einbauwinkel zueinander verlaufen,
und mit einer in den Einbauraum eingebauten erfindungsgemäßen
Dichtung zur Abdichtung des Gehäusespalts.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, die ringförmig
ausgebildete Dichtung mehrteilig auszugestalten, insbesondere aus
zwei oder drei Dichtungselementen. Ein Element ist dabei ein im
Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ausgebildetes erstes
Dichtungselement, das quasi als Winkelring ausgestaltet ist. Aufgrund
der federelastischen Ausgestaltung seiner beiden Dichtungsschenkel,
die in nicht eingebautem Zustand unter einem Dichtungswinkel verlaufen,
der größer ist als der zwischen den Anlageflächen
der beiden Bauteile vorgesehene Einbauwinkel, lässt sich
eine gute Flächenpressung erreichen. Die Federkraft und
die damit erzielbare Flächenpressung lässt sich
durch Auswahl des Materials des ersten Dichtungselements, dessen
Dicke sowie des Dichtungswinkels bestimmen und auf die gewünschte
Anwendung sowie die Gegebenheiten des Einbauraums anpassen.
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Erfindungsgemäß ist
ferner ein zweites und/oder drittes Dichtungselement vorgesehen,
das im Wesentlichen außen bzw. innen an dem ersten Dichtungselement
anliegt und für eine geringe Gaspermeation bzw. Gasleckage
sorgt. Das zweite bzw. dritte Dichtungselement ist dazu jeweils
verformbar, insbesondere elastisch verformbar (das zweite Dichtungselement
kann auch plastisch verformbar sein) und wird aufgrund der im Wesentlichen
durch das erste Dichtungselement aufgebrachten Anpresskraft beim
Einbau der Dichtung gegen die jeweilige Anlagefläche des
benachbarten Bauteils gepresst. Das dritte Dichtungselement ist
dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass es einerseits am Rand das
erste Dichtungselement bzw. die Stirnseiten dessen Dichtungsschenkel übergreift
und dort in eingebautem Zustand die benachbarten Anlageflächen
der Bauteile berührt, aber darüber hinaus auch
eine dritte und/oder vierte Anlagefläche des ersten bzw.
des zweiten Bauteils im Einbauraum berührt, die mit dem
ersten Dichtungselement nicht in Berührung steht. Dadurch
wird eine besonders gute Gaspermeationssperre erreicht.
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Mit
der erfindungsgemäßen Dichtung lassen sich lange
parallele Dichtflächen erreichen, in denen sich durch eine
entsprechende Auslegung von Dichtung und Einbauraum eine Überhöhung
der Flächenpressung realisieren lässt. Im Bereich
dieser Flächenpressung wird die Beschichtung (des zweiten Dichtungselements)
auf eine minimale Schichtdicke deformiert. Diese Schichtdicke bestimmt
maßgeblich die Permeation. Der somit gebildete lange und
an einer Stelle verengte Dichtspalt ist vorteilhaft, wenn die Flächenpressung
in der Dichtfläche begrenzt werden muss, um eine plastische
Verformung der Bauteile (die oft als Flanschteile, z. B. bei CO2-Klimaanlagen, ausgebildet sind) zu vermeiden.
Der bekannte C-Ring dagegen bildet einen relativ kurzen Dichtspalt aus.
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Die
elastische Rückfederung der erfindungsgemäßen
Dichtung kann zudem größer ausgelegt werden als
bei einem C-Ring. Erfindungsgemäß kann bevorzugt
die gesamte Länge der Dichtungsschenkel bzw. die gesamte
Länge der Anlageflächen ausgenutzt werden, während
bei einem C-Ring der Kraftangriffspunkt in der Mitte des Profils
angeordnet ist.
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Im
Vergleich zu einem C-Ring ist die erfindungsgemäße
Dichtung auch deutlich einfacher herzustellen. Der Umformprozess
verlangt weniger Umformschritte, weshalb die Werkzeugkosten für
eine solche Dichtung geringer ausfallen als für einen C-Ring.
Vorteilhaft für die weitere Behandlung der Metallteile
nach deren Umformung ist, dass die erfindungsgemäße
Dichtung, die bei Vorliegen nur des ersten und zweiten Dichtungselements
insgesamt als Winkelring ausgestaltet ist, eine nicht-schöpfende Geometrie
hat. Ein C-Ring dagegen ist eine schöpfende Geometrie,
weshalb Reinigungsprozesse aufwändiger sind. Der C-Ring
muss zudem aus einem stärkeren Blech hergestellt werden,
da ein hoher Umformgrad bewerkstelligt werden muss. Bei einer erfindungsgemäßen
Dichtung ist dagegen der Umformgrad geringer.
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Im
Vergleich zu O-Ringen, welche oft radial dichtend eingebaut werden,
kann bei der erfindungsgemäßen Dichtung ein sehr
kleiner Einbauraum realisiert werden. Dadurch können Bauteile,
beispielsweise Aggregate, direkt aneinander geflanscht werden, ohne
dass ein Rohrstück in das benachbarte Aggregat eintauchen
muss.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das erste Dichtungselement
aus einem steiferen Material als das zweite und/oder dritte Dichtungselement,
insbesondere im Wesentlichen aus Metall, insbesondere Stahl oder
Edelstahl, gebildet ist. Dadurch lassen sich die gewünschten
federelastischen Eigenschaften des ersten Dichtungselements am besten
realisieren, um eine Vorspannung und Rückfederung der Dichtung
zu erreichen. Das erste Dichtungselement hat somit eine Träger-
und Stützfunktion. Alternativ kann das erste Dichtungselement
aber auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein, das die
gleichen Eigenschaften bietet, beispielsweise aus einem steifen
Kunststoff.
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Hinsichtlich
des zweiten und/oder dritten Dichtungselements ist bevorzugt vorgesehen,
dass diese aus einem gummi- oder zähelastischen Material
gebildet sind, um die Grenzflächenleckage in den Kontaktfläche
zu unterbinden. Bevorzugt ist das zweite und/oder dritte Dichtungselement
insbesondere aus einem EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), HNBR
(hydrierter Akrylnitrolbutadin-Kautschuk), FKM(Fluorkarbon-Kautschuk)-Elastomer, Butylkautschuk
oder einem Polymer, insbesondere einem Fluorpolymer (z. B. FEP (Perfluorethylenpropylen-Copolymer)
oder PTFE (Polythetrafluorethylen)), gebildet. Eine besonders gute
Unterbindung der Gaspermeation bzw. Gasleckage lässt sich
dadurch erreichen, dass das zweite und/oder dritte Dichtungselement
aus einem mit einem schichtartigen, insbesondere plättchenförmigen,
Füllstoff, insbesondere einem chemisch angebundenen Schichtsilikat,
modifizierten Polymer gebildet ist. Dadurch wird die Durchlässigkeit
des polymeren Werkstoffs gegenüber Gasen oder anderen niedermolekularen Chemikalien
weiter reduziert. Schichtartige Füllstoffe, die selbst
quasi gasdicht sind, stellen somit eine Barriere für die
Gasmoleküle in einem Kunststoff dar.
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Die
beste Wirkung wird erreicht, wenn diese plättchenförmigen
Füllstoffe senkrecht zur Permeationsrichtung ausgerichtet
sind. Die Gasmoleküle haben so einen längeren
Weg zurückzulegen. Insbesondere plättchenförmige,
nanoskalige Partikel können hierzu verwendet werden. Diese
Partikel sind meist auch mit einer Beschichtung versehen, um eine bessere
Dispergierbarkeit und eine chemische Anbindung an das jeweilige
Polymer zu erreichen. Derartige Werkstoffe sind grundsätzlich
bekannt, beispielsweise aus der
US
6,232,389 oder von der Firma Hofmann Mineral GmbH & Co. KG.
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Das
zweite Dichtungselement kann alternativ auch aus einem Metall, insbesondere
Silber oder Aluminium, gebildet sein. Eine metallische Beschichtung
ist für den CO2-MAC-Einsatz zwar
irrelevant, eine metallische Beschichtung kann aber dazu dienen,
eine deformierbare Schicht auf einem festen Stahl (dem ersten Dichtungselement)
zu bilden. Eine solche Dichtung kann beispielsweise als statische Hochtemperaturdichtung
bei Temperaturen über 400°C eingesetzt werden.
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Hinsichtlich
der Winkelverhältnisse ist bevorzugt vorgesehen, dass der
Dichtungswinkel im Bereich zwischen 5% und 30%, vorzugsweise zwischen 15%
und 25%, größer ist als der Einbauwinkel. Bevorzugt
ist der Dichtungswinkel 5° bis 25°, insbesondere
15° bis 20°, größer als der
Einbauwinkel, insbesondere wenn der Einbauwinkel kleiner als 90° ist. Dadurch
lässt sich eine ausreichende Flächenpressung für
die meisten Anwendungen erreichen.
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Es
ist bekannt, dass rein mechanisch betrachtet mit einem Hebel oder
mit einem Keil, in rotationssymmetrischem Fall mit einem Kegelsitz,
mit Hilfe kleiner Kräfte sehr große Kräfte
erzeugt werden können. Zur Realisierung einer Dichtung,
welche mit geringer axialer Kraft eine höhere radiale Kraft
erzeugen kann, wird deshalb erfindungsgemäß eine
Dichtfläche bevorzugt als Kegelsitz ausgeführt.
Bei einer Flanschdichtung, wie sie die erfindungsgemäße Dichtung
sein kann, existieren bei der Verwendung eines dritten Maschinenteils
als Dichtung immer zwei Dichtflächen, nämlich
die Kontaktfläche der Dichtung zur ersten Flanschhälfte
(dem ersten Bauteil) und die Kontaktfläche zur zweiten
Flanschhälfte (dem zweiten Bauteil). Bei einer Ausführung
ist die zweite Kontaktfläche dabei bevorzugt als Kegelsitz
ausgeführt, so dass die zweite Dichtfläche als
Kontaktfläche zwischen einer Tellerfeder und einer ebenen
Fläche ausgeführt werden kann. Vorzugsweise ist
der Kegelsitz mit der Tellerfeder verbunden, so dass sich das erfindungsgemäß vorgesehene
Dichtungsprofil, bestehend aus zwei Dichtungsschenkeln ergibt.
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Bevorzugt
ist die Dichtungsanordnung erfindungsgemäß so
ausgestaltet, dass die erste Anlagefläche unter einem ersten
Anlagewinkel von im Wesentlichen 90° zu einer Längserstreckungsachse
des ersten Bauteils und die zweite Anlagefläche und einem
zweiten Anlagewinkel im Bereich zwischen 5° und 25°,
insbesondere im Bereich zwischen 10° und 15°,
zu der Längsersteckungsachse des ersten Bauteils verläuft.
Dabei ist im Allgemeinen die Längserstreckungsachse des
ersten Bauteils auch die Längserstreckungsachse des zweiten
Bauteils und ist für beide Bauteile die Symmetrieachse,
zu der der Einbauraum und die erfindungsgemäße
Dichtung konzentrisch angeordnet sind. Der Einbauraum für die
erfindungsgemäße Dichtung besteht somit aus einem
konischen Teil (der zweiten Anlagefläche) und einem ebenen
Deckel (der ersten Anlagefläche).
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Um
hierzu im Bereich des ebenen Deckels die Wirkung einer Tellerfeder
zu erzielen, ist bevorzugt der an der ersten Anlagefläche
liegende Dichtungsschenkel der Dichtung um einen Winkel von 5° bis
25°, insbesondere von 15° bis 20°, gegenüber seiner
Lage in nicht eingebautem Zustand verkippt. Um an der zweiten Anlagefläche
den gewünschten Kegelsitz zu erzielen, ist ferner, alternativ
oder ergänzend, der zweite, an der zweiten Anlagefläche
anliegende Dichtungsschenkel der erfindungsgemäßen Dichtung
um einen Winkel von 0° bis 10°, insbesondere von
1° bis 3°, gegenüber seiner Lage in nicht eingebautem
Zustand verkippt. Dadurch, dass gemäß dieser letztgenannten
Ausgestaltung der zweite Dichtungsschenkel etwas steiler angestellt
wird als der Neigungswinkel der zweiten Anlagefläche, kann der
Verlauf der Flächenpressung in der Kontaktfläche beeinflusst
werden. Auf diese Weise wird insbesondere am Ende des Dichtungsschenkels
eine Überhöhung der Flächenpressung erzeugt,
und die Dichtung kann sich auf eventuelle Fluchtungsfehler einstellen.
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Die
erfindungsgemäße Dichtungsgeometrie erlaubt zusätzlich
die Ausgestaltung als elektrisch leitende Dichtung. Dazu ist bevorzugt
vorgesehen, dass auf der zu den Anlageflächen weisenden
Oberfläche des ersten Dichtungselements vorstehende Kontaktelemente
oder mindestens ein Kontaktring angeordnet sind, die in eingebautem
Zustand mit der gegenüberliegenden Anlagefläche,
insbesondere zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen
dem ersten Dichtungselement und der Anlagefläche, in Berührung
stehen. Wenn eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden
soll, ist das erste Dichtungselement natürlich auch elektrisch leitend
ausgestaltet, entweder vollständig aus Metall oder mit
einem Metallüberzug.
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Bevorzugt
sind die Kontaktelemente bzw. der mindestens eine Kontakt durch
Einprägung in das erste Dichtungselement gebildet. Das
erste Dichtungselement kann beispielsweise einige spitze Erhebungen
aufweisen, die während der Montage die äußere
Beschichtung (das zweite Dichtungselement) durchbrechen, um einen
elektrisch leitenden Kontakt mit der entsprechenden Anlagefläche
herzustellen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand nicht einschränkender
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung,
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2 einen
Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung,
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3 einen
Querschnitt durch den Einbauraum einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung,
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4 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung
vor dem Einbau der Dichtung,
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5 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung
nach dem Einbau der Dichtung,
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6 einen
Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung,
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7 eine
Detailansicht der in 6 gezeigten Dichtungsanordnung,
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8 einen
Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung,
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9 eine
Detailansicht der in 8 gezeigten Dichtungsanordnung,
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10 einen
Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung,
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11 eine
Detailansicht der in 10 gezeigten Dichtungsanordnung,
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12 einen
Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung mit einem mehrschichtigen zweiten Dichtungselement,
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13 einen
Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung,
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14 einen
Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung mit eingebauter Dichtung
gemäß 13,
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15 einen
Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtung zur Herstellung
im Spritzgießverfahren aus einem thermoplastischen Kunststoff,
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16 einen
Querschnitt einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung mit elektrischen Kontaktelementen,
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17 einen
Querschnitt einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung mit elektrischen Kontaktelementen,
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18 einen
Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung mit eingebauter Dichtung
gemäß 17,
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19 einen
Querschnitt durch eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung und
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20 einen
Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung mit eingebauter Dichtung
gemäß 19.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung 10 im Querschnitt. Die Dichtung 10 ist
ringförmig konzentrisch zu einer Längserstreckungsachse 100 von
Bauteilen (in 1 nicht gezeigt) ausgebildet,
zwischen denen ein Gehäusespalt abgedichtet werden soll.
Die Dichtung 10 weist im Wesentlichen ein erstes Dichtungselement 11 und
ein zweites Dichtungselement 12 auf. Das erste Dichtungselement 11 umfasst
zwei federelastisch zueinander angeordnete Dichtungsschenkel 13 und 14,
die in dem gezeigten nicht eingebauten Zustand der Dichtung unter
einem Dichtungswinkel γ1 zueinander
verlaufen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt dieser
Dichtungswinkel γ1 etwa im Bereich
95° bis 100°, wobei dieser Wert lediglich beispielhaft
und nicht einschränkend zu verstehen ist.
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Das
erste Dichtungselement ist bevorzugt aus Metall, insbesondere Stahl,
Edelstahl, vorzugsweise Federstahl, oder auch Kupfer-Beryllium aufgebaut,
um einerseits eine ausreichende Steifigkeit, andererseits aber ein
elastisches Verhalten zu gewährleisten, um eine Vorspannung
und Rückfederung der Dichtung 10 zu ermöglichen.
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Das
zweite Dichtungselement 12 ist bei dieser Ausführungsform
als elastisch verformbare Beschichtung ausgebildet, die auf der äußeren
Oberseite des ersten Dichtungselements 11, also den in
eingebautem Zustand der Dichtung 10 mit entsprechenden
Anlageflächen der Bauteile gegenüber liegenden Oberflächen
des ersten Dichtungselements 11, aufgebracht. Beim Einbau
der Dichtung 10 wird diese Beschichtung 12 elastisch
verformt und gewährleistet dadurch die gewünschte
Dichtfunktion. Insbesondere wird dadurch auch eine geringe Gaspermeation bzw.
Gasleckage gewährleistet, was insbesondere bei der Anwendung
zur Abdichtung in Klimaanlagen von Bedeutung ist.
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Die
Beschichtung 12 besteht bevorzugt aus gummi- oder zähelastischem
Werkstoff oder aus Metall. Metallische Beschichtungen 12 bestehen
beispielsweise aus Silber oder aus Aluminium. Gummielastische Beschichtungen 12 können
aus EPDM-, HNBR- oder FKM-Elastomer oder Butylkautschuk bestehen.
Zähelastische Beschichtungen können beispielsweise
aus Fluorpolymeren, wie etwa FEP, PTFE, bestehen, die ggf. mit gut
haftenden Matrixwerkstoffen, z. B. Polyimid, an das erste Dichtungselement 11 angebunden
werden. Polymere Werkstoffe können zudem mit schichtartigen
Füllstoffen, z. B. chemisch angebundenen Schichtsilikaten,
modifiziert werden, um deren Durchlässigkeit gegenüber
Gasen oder anderen niedermolekularen Chemikalien zu reduzieren.
Das zweite Dichtungselement 12 kann auch überwiegend
plastisch verformbar sein.
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Die
gesamte Dichtung 10 weist bei dieser Ausführungsform
somit einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf.
Die Enden 15, 16 der Dichtungsschenkel 13, 14 bzw.
die dortigen Stirnseiten des ersten Dichtungselements 11 können
dort von der Beschichtung 12 übergriffen sein,
um auch an diesen Stellen eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen.
Ferner kann das Schenkelende 15 gegenüber dem
restlichen Teil des Dichtungsschenkels 13 abgewinkelt sein,
um Beschädigungen am Einbauraum aufgrund möglicher
scharfer Kanten oder Grate an dem (metallischen) ersten Dichtungselement 11 zu vermeiden.
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Ferner
sind bei dieser Ausführungsform die Längen a,
b der Dichtungsschenkel 13, 14 in etwa gleich
groß, wobei die Längen natürlich von
den Längen des Einbauraums abhängen. Die Längen
müssen nicht zwingend gleich groß sein; über
sie wird aber auch die Dichtfunktion mit bestimmt.
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Wie
nachfolgend noch näher gezeigt wird, ist die Dichtung 10 so
ausgebildet, dass der ersten Dichtungsschenkel 13 unter
einem ersten Schenkelwinkel α1 zur
Normalen 101 der Längserstreckungsrichtung 100 und
der zweite Dichtungsschenkel 14 unter einem zweiten Schenkelwinkel β1 zur Längserstreckungsrichtung 100 verläuft.
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2 zeigt
ausschnittsweise im Querschnitt eine Bauteilanordnung 30 aus
zwei Bauteilen 31, 32, zwischen denen ein Einbauraum 40 gebildet
ist. Dieser Einbauraum 40 ist für den Einbau der
erfindungsgemäßen Dichtung 10 zur Abdichtung
eines zwischen den Bauteilen 31, 32 gebildeten
Gehäusespalts 41 vorgesehen. Die Bauteile 31, 32,
insbesondere die an den Einbauraum 40 angrenzenden Bereiche,
sind rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Längserstreckungsrichtung 100 ausgebildet.
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Die
Bauteile 31, 32 können beispielsweise Flanschhälften
einer Flanschverbindung bei einer Klimaanlage sein, bei der es auf
besonders hohe Gasdichtigkeit ankommt. Es kann sich bei den Bauteilen aber
auch um Teile von Hochdruckreinigern, Einspritzsystemen, Common-Rail-Injektoren,
Wasserstrahlschneidern oder anderen Vorrichtungen, bei denen eine
wirksame Hochdruckdichtung insbesondere mit hoher Gasdichtigkeit,
erforderlich ist.
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Erkennbar
ist in 2, dass die erste Anlagefläche 33 des
ersten Bauteils 31 parallel zur Normalen 101 der
Längserstreckungsrichtung 100, also senkrecht
zur Längserstreckungsrichtung 100, verläuft.
Der erste Anlagewinkel μ zur Längserstreckungsrichtung 100 beträgt
bei dieser Ausführungsform der Bauteilanordnung 30 somit
90°. Die zweite Anlagefläche 34 des zweiten
Bauteils 32 verläuft dagegen unter einem zweiten
Anlagewinkel δ zur Längserstreckungsrichtung 100,
der bevorzugt zwischen 5° und 25°, insbesondere
im Bereich zwischen 10° und 15°, zu der Längserstreckungsrichtung 100 verläuft.
Somit verlaufen die Anlageflächen 33, 34 unter
einem Einbauwinkel ε zueinander, der bei der gezeigten
Ausführungsform im Bereich zwischen 75° und 85° liegt.
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In
den 3 und 4 ist verdeutlicht, wie die
in 1 gezeigte Dichtung 10 in den in 2 gezeigten
Einbauraum 40 eingebaut wird. In 3 ist dabei
zunächst gezeigt, wie die Dichtung 10 in den Einbauraum 40 eingelegt
wird. Da die Dichtung 10 in diesem Zustand noch nicht verpresst
ist, liegen die Dichtungsschenkel 13, 14 in diesem
Zustand noch unter dem ersten Dichtungswinkel γ1 zueinander, so dass hier noch der erste
und zweite Schenkelwinkel α1, β1 erkennbar sind. Erkennbar ist ferner, dass
der zweite Schenkelwinkel β1 etwas
kleiner ist, im Allgemeinen etwa 0° bis 10°, bevorzugt
etwa 1° bis 3°, als der zweite Anlagewinkel δ.
Ferner ist erkennbar, dass der Dichtungswinkel γ1, also der Winkel, unter dem die beiden
Dichtungsschenkel 13, 14 in nicht eingebautem
Zustand zueinander verlaufen, größer ist als der
Einbauwinkel ε (vgl. 2) zwischen
den Anlageflächen 33, 34. Bevorzugt ist
der Dichtungswinkel im Bereich zwischen 5% und 30%, insbesondere
zwischen 15% und 25%, größer als der Einbauwinkel ε.
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4 zeigt
dann den Zustand, nachdem die Bauteile 31, 32 zusammengesetzt
und die Dichtung 10 im Einbauraum 40 verpresst
wurde. Beim Verpressen der Dichtung 10 wird der zweite
Dichtungsschenkel 14 zunächst an die zweite Anlagefläche 34 geführt,
wobei sich die Dichtung 10 zentriert. Der zweite Dichtungsschenkel 14 wird
dabei somit zunächst in Richtung des ersten Dichtungsschenkels 13 gedrückt.
Dann richtet sich der erste Dichtungsschenkel 13 parallel
zur ersten Anlagefläche 33 aus. Der zweite Dichtungsschenkel 14 und
die entsprechende zweite Anlagefläche 34 bilden
dabei somit einen Kegelsitz, während der erste Dichtungsschenkel 13 im
Wesentlichen wie eine Tellerfeder wirkt. Beim weiteren Zusammenfügen
der Bauteile 31, 32 wird die Dichtung 10 weiter
in den Kegelsitz gepresst, und die Kontaktflächenpressung
an der Anlagefläche 33 steigt an, wobei der erste
Dichtungsschenkel 13 verformt und in Richtung zum zweiten
Dichtungsschenkel 14 hin gedrückt wird.
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Der
Einbauraum 40 ist insgesamt so bemessen, dass der erste
Dichtungsschenkel 13 im fertig montierten Zustand der Dichtung 10 in
etwa parallel zur ersten Anlagefläche 33 liegt
und dass der zweite Dichtungsschenkel 14 in etwa parallel
zur zweiten Anlagefläche 34 liegt, wobei beide
Dichtungsschenkel 13, 14 bevorzugt über
den größten Teil ihrer Länge an den jeweiligen
Anlageflächen 33, 34 anliegen.
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4 zeigt
für die anliegenden Bereiche der Dichtungsschenkel 13, 14 die
entsprechenden Verläufe der Anpressdrücke σ.
Bevorzugt ist der Einbauraum 40 so ausgelegt, dass sich
am oberen Ende des Kegelsitzes zwischen zweitem Dichtungsschenkel 14 und
zweiter Anlagefläche 34 eine Überhöhung der
Flächungspressung ergibt, indem sich das in den ersten
Dichtungsschenkel 13 eingeleitete Drehmoment auf den oberen
Bereich der Fläche des Kegelsitzes auswirkt.
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Wie
auch aus 4 erkennbar ist, verlaufen die
beiden Dichtungsschenkel 13, 14 in eingebautem Zustand
unter einem Verpresswinkel γ2 zueinander, der
in etwa dem Einbauwinkel ε des Einbauraums entspricht.
Bevorzugt sind die beiden Dichtungsschenkel 13, 14 nicht
um einen gleichen Betrag oder Prozentsatz gegenüber ihrer
ursprünglichen Lage (in nicht eingebautem Zustand) elastisch „verbogen” bzw.
verkippt, sondern der erste Dichtungsschenkel 13 ist in
etwa um den ersten Schenkelwinkel α1 verkippt
und der zweite Dichtungsschenkel 14 ist in etwa um die
Differenz zwischen dem zweiten Anlagewinkel δ und dem zweiten
Schenkelwinkel β1 verkippt.
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Erfindungsgemäß ergeben
sich somit bei der gezeigten Ausführungsform zwei lange
und quasi parallele Kontaktflächen zwischen den Anlageflächen 33, 34 der
Bauteile 31, 32 und der angrenzenden Beschichtung 12 der
Dichtung 10. Durch Wahl des geeigneten Materials, der Dicken,
Längen und Winkel der Dichtung 10 in Relation
zu den Gegebenheiten des Einbauraums 40 kann die resultierende
Flächenpressung gewählt werden, so dass diese
ausreichend hoch ist, um die gewünschte geringe Gaspermeation
und Dichtigkeit zu erzielen.
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In
den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gezeigt,
wobei weitere Details der bei dieser Ausführungsform verwendeteten
Bauteilanordnung 30 erkennbar sind. Bei dieser Ausführungsform
ergibt sich ein einziger, durch die Dichtung 10 abzudichtende
Dichtspalt 41, der in etwa senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 100 verläuft.
Erkennbar sind die beiden als Flanschhälften ausgestalteten Bauteile 31, 32,
die quasi als Rohrverbindungselement zweier Rohre 35, 36 dienen.
Die beiden Bauteile 31, 32 werden mittels einer
Schraube 37 zusammengehalten, die in ein in dem Bauteil 32 vorgesehenes
Innengewinde 38 eingeschraubt ist.
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In
den 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gezeigt,
bei der die Bauteilanordnung 30 etwas anders ausgestaltet
ist. Insbesondere weist dort das erste Bauteil 31 am unteren
Bereich einen vorstehenden Fortsatz 31a auf, der quasi
im Bereich des Einbauraums 40 zur Längserstreckungsachse 100 hin
das Rohr 35 fortsetzt, so dass dort die Dichtung 10 nicht
direkt einer durch die Rohre 35, 36 fließenden
Flüssigkeit oder einem dort transportierten Gas ausgesetzt
ist. Zwischen diesem rohrförmigen Fortsatz 31a und
dem daran angrenzenden Bereich des zweiten Bauteils 32a ist
somit ein zweiter Gehäusespalt 42 gebildet, den
die Flüssigkeit bzw. das Gas durchdringen muss, bevor sie
zur Dichtung 10 gelangt. Diese Ausgestaltung trägt
also zu einer weiteren Verbesserung der Dichtungsfunktion bei. Ferner wird
dadurch die Haltbarkeit der Dichtung 10 erhöht.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung 10. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich
zu den ersten und zweiten Dichtungselementen 11, 12 ein
drittes Dichtungselement 21 vorgesehen, das im Wesentlichen
auf der Innenseite des ersten Dichtungselements 11 angeordnet
und als Dichtungskörper ausgestaltet ist. Dieser Dichtungskörper 21 besteht
bevorzugt ebenfalls aus einem elastisch verformbaren Material, wobei grundsätzlich
die oben in Bezug auf das zweite Dichtungselement 12 genannten
Materialien eingesetzt werden können. Der Dichtungskörper 21 ist
ferner bevorzugt so ausgestaltet, dass er einen ersten Dichtungswulst 22 aufweist,
der bevorzugt radial nach innen gerichtet ist und das erste Schenkelende 15 des ersten
Dichtungselements 11 an dessen Stirnseite übergreift.
Ferner ist ein zweiter Dichtungswulst 23 vorgesehen, der
bevorzugt axial ausgerichtet ist und das zweite Schenkelende 16 des
ersten Dichtungselements 11 an dessen Stirnseite übergreift.
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Eine
Dichtungsanordnung mit einer solchen Dichtung 10 ist in
den 10 und 11 gezeigt. Die
Bauteilanordnung 30 ist dabei wie bei der in den 7 und 8 gezeigten
Dichtungsanordnung ausgestaltet. Erkennbar ist darin, wie das dritte
Dichtungselement 20 in eingebautem Zustand im Einbauraum 40 zusammengepresst
wird und dort an einer dritten Anlagefläche 43 des
ersten Bauteils 31 und einer vierten Anlagefläche 44 des
zweiten Bauteils 32 anliegt. Insgesamt wird durch das dritte
Dichtungselement die Dichtfunktion der Dichtung weiter erhöht.
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In
einer weiteren, nicht gezeigten Variation der erfindungsgemäßen
Dichtung ist vorgesehen, dass die Dichtung 10 nur das erste
Dichtungselement 11 und das dritte Dichtungselement 21 aufweist,
nicht aber die äußere Beschichtung 12.
Hinsichtlich der Materialien und sonstigen Ausgestaltung ergeben sich
darüber hinaus aber keine grundsätzlichen Änderungen.
Die Dichtung ist ansonsten wie in 9 gezeigt
ausgestaltet, aber eben ohne die dort gezeigte Beschichtung 12.
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12 zeigt
einen Teilquerschnitt durch eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dichtung 10.
Bei dieser Ausführungsform ist auf dem ersten Dichtungselement 11 auf
dessen Außenseite, die zu der entsprechenden Anlagefläche
des angrenzenden Bauteils weist, ein mehrschichtiges zweites Dichtungselement 12 vorgesehen.
Zwischen der äußersten Beschichtung 12a,
die etwa der in 1 gezeigten Beschichtung 12 entsprechen
und entsprechend aufgebaut sein kann, und dem ersten Dichtungselement 11 ist
eine weitere Schicht 12b vorgesehen, die beispielsweise
als Haftvermittler für die äußerste Beschichtung 12a und/oder
als Korrosionsschutz (beispielsweise aus Aluminium) für
das erste Dichtungselement vorgesehen ist, wenn dieses beispielsweise
aus einem rostenden Stahl hergestellt ist.
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Ferner
ist bei dieser Ausführungsform an der Innenseite des ersten
Dichtungselements 12 eine Schicht 24 vorgesehen,
die in gleicher Weise und für dieselbe Funktion wie die
zweite äußere Schicht 12b vorgesehen
ist.
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Es
sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in 12 gezeigten
und erläuterten Schichten auch in Kombination oder in anderen
Konstellationen vorgesehen sein können. Ferner kann ein
solches mehrschichtiges zweites Dichtungselement auch bei der in 9 gezeigten
Ausführungsform in Kombination mit einem dritten Dichtungselement
vorgesehen sein.
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13 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung 10, bei der der Einbauwinkel ε 90° und
der Winkel δ 0° betragen. Diese Variante stellt
somit einen Sonderfall dar, bei dem der Kegelsitz zu einem zylindrischen
Sitz wird.
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14 zeigt
diese Dichtung 10 in eingebautem Zustand. In diesem Fall
berührt das Ende 16 des Schenkels 14 den
axial begrenzten Einbauraum auf der Fläche x und dichtet
dort gegenüber dem Fluid ab. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft,
wenn das Ende 16 des Schenkels 14 abgewinkelt
ist, um eine breitere und definierte Dichtfläche zu erzeugen.
Die Dichtfunktion der ersten Kontaktfläche zwischen dem Schenkel 13 und
dem oberen Teil des Einbauraums 40 ist analog zu der ersten
Ausführungsform zu sehen. Das abgewinkelte Ende 15 des
Schenkels 13 verhindert Beschädigungen an der
Fläche 33 dadurch, dass eventuell bei der Herstellung
des Teils 11 entstandene scharfe Kanten oder Grate mit
dieser Fläche nicht in Kontakt kommen können.
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15 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung 10 umfassend ein erstes und zweites Dichtungselement 11, 12.
Bevorzugt kann diese Dichtung 10, insbesondere das erste
Dichtungselement 11, durch Spritzgießen hergestellt
werden. Ein ggf. zusätzlich vorhandenes drittes Dichtungselement,
wie in 9 gezeigt ist, könnte darüber
hinaus ebenfalls durch Spritzgießen hergestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Dichtungsgeometrie erlaubt auch
die Ausgestaltung der Dichtung 10 als elektrisch leitende
Dichtung. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den 16 und 17 gezeigt.
Dazu weist das erste Dichtungselement 11 entweder, wie
in 16 gezeigt, umlaufende Einprägungen 60 auf,
wodurch sich an der Außenseite des ersten Dichtungselements
ringförmig umlaufende Erhebungen 61 ergeben, oder
das erste Dichtungselement 11 ist nur lokal an gewünschten
Stellen von innen mit Einprägungen 62 versehen,
durch die sich an der Außenseite lokale Erhebungen 63 ergeben. Während
der Montage wird an diesen Erhebungen 61 bzw. 63 das
zweite Dichtungselement 12, also die Beschichtung, durchbrochen,
wie in 18 anhand der in den Einbauraum 40 eingebauten
Dichtung 10 gemäß 17 gezeigt
ist. An diesen Stellen berühren die lokalen Erhebungen 63 somit
die jeweils gegenüberliegende Anlagefläche 33 bzw. 34,
so dass sich dort ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem
jeweiligen Bauteil 31, 32 und dem ersten Dichtungselement 11 ergibt.
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Eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dichtung 10 mit Verliersicherung ist in 19 (in nicht
eingebautem Zustand) und in 20 (in
eingebautem Zustand) gezeigt. Dazu ist an der zuvor beschriebenen
Dichtung 10 an der Stirnseite des ersten Dichtungsschenkels 13 des
ersten Dichtungselements 11 eine Haltelasche oder in Clip 64,
der z. B. durch einen gebogenen Fortsatz des ersten Dichtungselementes 11 gebildet
wird, vorgesehen. Diese Haltelasche 64 greift in eingebautem
Zustand in einen entsprechenden Freistich 31b, der zwischen
der ersten Anlagefläche 33 und einem entsprechenden Bolzen-
oder Rohrabsatz 31c an der dritten Anlagefläche 43 gebildet
ist. Beim Aufstecken der Dichtung 10 auf den Rohrfortsatz 31a werden
diese Haltelaschen oder Clips elastisch verformt und schnappen dann
in den Freistich 31b zurück. Auf diese Weise kann
die Dichtung nicht ungewollt bzw. ohne Krafteinwirkung von dem Rohrfortsatz 31a herunterrutschen.
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Für
die in den 1 bis 4 gezeigte
Ausführungsform können beispielhaft folgende Winkelangaben
gelten, ohne dass diese als abschließend und einschränkend
aufgefasst werden sollen:
α1 =
5° bis 25°, z. B. 16°;
β1 = 0° bis 25°, z. B. 10°;
γ1 = 90° bis 110°, z. B.
96°;
δ = 0° bis 25°, z.
B. 12°;
ε = 70° bis 85°,
z. B. 78°.
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Die
erfindungsgemäße Dichtung gewährleistet
somit eine geringe Permeation und gute Temperaturstabilität,
erfordert geringe Montagekräfte und erlaubt eine ausreichende
elastische Rückfederung. Dadurch lässt sich insgesamt
eine sehr gute Dichtwirkung erreichen. Insbesondere beim – grundsätzlich
nicht zwingend erforderlichen – Aufbau des Einbauraums
derart, dass sich entlang eines Dichtungsschenkels ein Kegelsitz
und entlang des anderen Dichtungsschenkels die Wirkung einer Tellerfeder
ergibt, wird eine sehr gute Dichtwirkung erreicht.
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Es
sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Die oben beschriebenen Merkmale können auch in anderen
Kombinationen und anderen Variationen miteinander kombiniert werden,
sofern der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung erhalten bleibt.
Auch die genannten Größenangaben sind nur beispielhaft
zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20200438
U1 [0003]
- - WO 2008/015053 A1 [0004]
- - DE 10261887 B4 [0005]
- - DE 20220520 U1 [0006]
- - DE 202005004686 U1 [0006]
- - DE 10019567 A1 [0007]
- - US 6232389 [0020]