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Die Erfindung betrifft eine gasdichte lösbare Verbindung aufweisend ein erstes Element und ein zweites Element, wobei das erste Element und das zweite Element mittels einer Feststoffdichtung zueinander gedichtet sind, sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer gasdichten lösbaren Verbindung.
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Zum Erzeugen von gasdichten lösbaren Verbindungen sind verschraubbare Elemente, die zueinander mittels einer Feststoffdichtung gedichtet sind, bekannt. Bekannte gasdichte lösbare Verbindungen weisen, insbesondere in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, für einige Anwendungsfälle hohe Leckraten auf. Werden bekannte Verbindungen in einem nicht geschützten Bereich geschlossen, können sich Verschmutzungen auf den Feststoffdichtungen befinden, die zu Undichtigkeiten führen können. Des Weiteren weisen Feststoffdichtungen sowie die mit ihnen in Kontakt stehenden Dichtflächen Imperfektionen auf, die in Abhängigkeit der Gasart und des Gasdrucks zu erhöhten Leckraten führen. In Abhängigkeit des Anwendungsfalls von gasdichten lösbaren Verbindungen wirken auf die Elemente variable Kräfte, die durch eine Variation des Gasdrucks oder systembedingt auftreten können. Diese Kräfte führen zu Relativbewegungen der zueinander gedichteten Elemente und der Festkörperdichtung, die hierdurch eine erhöhte Leckrate aufweisen können.
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Es besteht somit ein Bedarf, technische Gase verlustärmer zu fördern und zu speichern, wobei im Rahmen der Erfindung gasdichte lösbare Verbindung mit einer geringeren Leckrate beansprucht werden. Ein erhöhter Bedarf ist aufgrund der hohen Flüchtigkeit von Wasserstoff, insbesondere hinsichtlich der Wasserstoffspeicherung gegeben. Des Weiteren ist ein erhöhter Bedarf bei gasisolierten Hochspannungsverbindungen gegeben, die typischerweise als Isoliergas das klimaschädliche SF6 aufweisen. SF6 soll zukünftig vermieden werden und vorteilhafterweise durch zum Beispiel das flüchtigere CO2 ersetzt werden, wobei ein Bedarf an Dichtungen mit geringeren Leckraten entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasdichte lösbare Verbindung mit einer besonders geringen Leckrate bereitzustellen sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer gasdichten lösbaren Verbindung mit einer besonders geringen Leckrate.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer erfindungsgemäßen gasdichten lösbaren Verbindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also eine gasdichte lösbare Verbindung aufweisend ein erstes Element und ein zweites Element vorgesehen, wobei das erste Element und das zweite Element umlaufend mittels einer Feststoffdichtung zueinander gedichtet sind. Zwischen einem inneren Teilbereich der Feststoffdichtung und einem äußeren Teilbereich der Feststoffdichtung ist eine Aussparung ausgebildet, wobei die Aussparung eine Dichtung aufnimmt, die bei oder nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element in der Aussparung ausgebildet wird.
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Das erste Element und das zweite Element können beispielsweise ein Behälter und ein Verschluss oder aber eine gasdichte Stecker-Buchsen-Verbindung oder aber Flansche zum Beispiel einer Rohrverbindung sein. Die an sich bekannte Feststoffdichtung weist erfindungsgemäß zwei Dichtflächen auf, wobei die dem zu dichtenden Gas zugewandte Dichtfläche durch den inneren Feststoffdichtungsteil der Feststoffdichtung ausgebildet wird. Die der Umgebung zugewandte Dichtfläche wird durch den äußeren Feststoffdichtungsteil ausgebildet. Zwischen dem inneren Feststoffdichtungsteil und dem äußeren Feststoffdichtungsteil der Feststoffdichtung weist das erste Element zusammen mit dem zweiten Element eine umlaufende Aussparung auf, die aus genau einer Einzelaussparung oder aber aus mehreren Einzelaussparungen ausgebildet sein kann, in der bei oder nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element eine Dichtung ausgebildet wird. Hierzu wird vor oder nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element ein Dichtungsmaterial in die Aussparung eingebracht, das während des Aufsetzens oder nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element die Dichtung ausbildet. Das Dichtungsmaterial hat beim Ausbilden der Dichtung eine fließfähige Konsistenz und füllt die Aussparung, insbesondere ohne verbleibende Freiräume aus, wobei Imperfektionen von Oberflächen ausgefüllt werden. Durch die fließfähige Konsistenz des Dichtungsmaterials beim Inkontaktkommen mit den Oberflächen der Aussparungen wird eine besonders hohe Dichtigkeit zwischen der Dichtung und den angrenzenden Oberflächen erzeugt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht eine Aussparung vor, die dazu ausgebildet ist, ein die Dichtung ausbildendes Dichtungsmaterial nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf das zweite Element in flüssiger Form aufzunehmen und weist hierzu bevorzugt eine Zugangsleitung zum Einbringen von Dichtungsmaterial auf. Die Zugangsleitung kann beispielsweise als Bohrungen in einem der Elemente ausgeführt sein und einen Anschluss zur Aufnahme eines Druckerzeugungsmittels aufweisen. Nach dem Aufsetzen, also einem Inkontaktbringen der Elemente ohne diese gegeneinander zu verspannen und somit ohne das Erzeugen einer dichtenden Verbindung, wird das bevorzugt erwärmte Dichtungsmaterial in die Aussparung gefördert. Das Dichtungsmaterial füllt die Aussparung auf, tritt aus dieser aus und benetzt die Feststoffdichtung sowie die Dichtflächen der Feststoffdichtung, sodass Imperfektionen der Feststoffdichtung sowie der Dichtflächen durch das Dichtungsmaterial ausgefüllt werden. Beim nachfolgenden Verspannen der Elemente zueinander wird durch das Zusammenwirken der Feststoffdichtung und der Dichtung in demselben Dichtbereich eine besonders geringe Leckrate ermöglicht.
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Alternativ können die Elemente zum Ausbilden einer dichtenden Verbindung auch zuerst miteinander verspannt werden und nachfolgend das Dichtungsmaterial eingebracht werden, wobei hierzu die Aussparung eine Öffnung zum Entweichen des Gases aufweist. Diese Ausführungsform hat sich bei einigen Werkstoffkombinationen als vorteilhaft erwiesen, bei denen das Zusammenwirken der Feststoffdichtung mit der Dichtung in demselben Dichtbereich die Leckrate der Feststoffdichtung nicht verringert. Des Weiteren ist eine einfachere und schnellere Montage der Dichtung möglich, wenn die Elemente zuerst miteinander verspannt werden und nachfolgend das Dichtungsmaterial als weitere Dichtfläche in die Aussparung eingebracht wird.
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Eine alternativ bevorzugte Ausführungsform weist eine Aussparung auf, die ein vor dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element im Bereich der Aussparung positioniertes Dichtungsmaterial aufweist, wobei das Dichtungsmaterial geeignet ist, nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element die Dichtung auszubilden, bevorzugt vor und/oder bei dem Verspannen des ersten Elements mit dem zweiten Element, wobei das Dichtungsmaterial bevorzugt in einem kompressiblen Trägermaterial, das bevorzugt Hohlräume aufweist und bevorzugt ein Vliesstoff ist, aufgenommen ist. Durch das Einbringen des Dichtungsmaterials vor dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element kann auf eine Zugangsleitung verzichtet werden und die Elemente einfacher ausgestaltet werden. Des Weiteren wird durch das Entfallen des Einpressens des Dichtungsmaterials eine einfachere Montage ermöglicht. Das Dichtungsmaterial kann vor dem Einbringen in die Aussparung erwärmt werden, um die Fließfähigkeit zu erhöhen; bevorzugt wird das Dichtungsmaterial jedoch nach dem Einbringen in die Aussparung, insbesondere nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf dem zweiten Element, erwärmt. Durch das Komprimieren des Trägermaterials wird das Dichtungsmaterial aus dem Trägermaterial gefördert, füllt die Aussparung auf und benetzt bevorzugt die Feststoffdichtung sowie die mit der Feststoffdichtung in kontaktstehenden Dichtflächen.
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Als bevorzugte Dichtungsmaterialien haben sich Öle und/oder ein Phasenwechselmaterial, bevorzugt ein Paraffin, herausgestellt. Durch die Verwendung von Paraffin als Dichtungsmaterial wird auch ein einfaches Demontieren der gasdichten und lösbaren Verbindung ermöglicht, da Paraffine keine oder nur geringe Adhäsionskräfte mit den Dichtflächen erzeugen. Phasenwechselmaterialien haben sich als besonders geeignet erwiesen, da sie beim Erkalten eine starke Viskositätszunahme aufweisen, sodass Phasenwechselmaterialien bei Gebrauchstemperaturen der gasdichten Verbindung hochviskos sind und eine geringe Leckrate ermöglichen, jedoch im erwärmten Zustand beim Erzeugen der Dichtung eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen. Anwendungsfallabhängig, also in Abhängigkeit der Größe der Imperfektionen und möglicher Verschmutzungen sowie der gasdichten Verbindung und der Anwendungstemperatur der gasdichten Verbindung, haben sich verschiedene Phasenwechselmaterialien als besonders geeignet erwiesen. Insbesondere haben sich Paraffine als flüssiges Paraffin, ein öliges Paraffin, ein pastöses Paraffin und/oder ein festes Paraffin als geeignet erwiesen. Öle weisen eine besonders gute Kriechneigung auf und sind daher besonders geeignet, besonders kleine Imperfektionen, insbesondere Spalte oder Risse, auszufüllen und hierdurch die Leckrate zu verringern. Des Weiteren können die Viskositäten von Ölen eine starke Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen, sodass erwärmte Öle besonders stark ausgeprägte Fließ- und Kriecheigenschaften aufweisen können, jedoch nach einem Erkalten ausreichend viskos zum dauerhaften Verschließen von Imperfektionen sind.
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Eine besonders praxisgerechte Ausführungsform weist zwischen dem inneren Teilbereich der Feststoffdichtung und dem äußeren Teilbereich der Feststoffdichtung eine Aussparung auf, die aus mehreren Einzelaussparungen besteht, die zur Ausbildung mehrerer Dichtbereiche der Dichtung ausgebildet sind, wobei die Dichtbereiche bevorzugt unterschiedliche Dichtungsmaterialien aufweisen. Durch das Ausbilden mehrerer bevorzugt unabhängiger Dichtbereiche der Dichtung kann das Ausfallen oder Versagen eines Dichtbereichs durch die weiteren Dichtbereiche kompensiert werden. Die Leckage der einzelnen Dichtbereiche führt des Weiteren zu einer Druckabfallkaskade von einem Dichtbereich zum nächsten, sodass aufgrund der an einem Dichtbereich anliegenden verkleinerten Druckdifferenz die Leckage verringert wird.
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Als besonders vorteilhaft hat sich das Verwenden von unterschiedlichen Dichtungsmaterialien in den verschiedenen Einzelaussparungen erwiesen, da einzelne Dichtungsmaterialien für unterschiedliche Imperfektionen der zu dichtenden Oberflächen besonders geeignet sind. Des Weiteren wird durch das Zusammenwirken verschiedener Dichtungsmaterialien in einem Dichtbereich eine besonders hohe Dichtigkeit erreicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform weist Aussparungen auf, die mit einem Druckerzeugungsmittel verbunden sind, das zum Erzeugen von Druck auf das Dichtungsmaterial vorgesehen ist. Durch das Verbinden der Aussparung mit einem Druckerzeugungsmittel wird auch nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf das zweite Element das Einbringen von höherviskosen Dichtungsmaterialien möglich. Es hat sich als besonders praxisrelevant erwiesen, die Aussparungen mit einem Energiespeicher zu verbinden, der den Druck auf das Dichtungsmaterial nachführt, also bei einem Druckverlust diesen zumindest teilweise kompensiert. Der Energiespeicher kann als ein elastisches Element ausgeführt sein und im Dichtbereich vorgesehen werden; bevorzugt ist der Energiespeicher, der insbesondere ein Druckspeicher ist, jedoch außerhalb des Dichtbereichs angeordnet.
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Besonders praxisgerechte Ausführungsformen der gasdichten lösbaren Verbindung sind gasdichte Hochspannungsverbindung, wobei das erste Element als eine Buchse und das zweite Element als ein Stecker ausgebildet sind. Alternativ kann die gasdichte lösbare Verbindung eine Verbindung einer gasisolierten Schaltanlage oder eine Verbindung zum Speichern von technischen Gasen, bevorzugt zum Speichern von Wasserstoff, sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die gasdichte lösbare Verbindung Wärmemanschetten und/oder Kältemanschetten zum Umschließen des Dichtbereichs auf, sodass das Dichtungsmaterial nach dem Einbringen in die Aussparungen erwärmt werden kann, um die Viskosität zu verringern, und Kältemanschetten, um das Dichtungsmaterial nach dem Erwärmen beschleunigt abkühlen zu können. In einer bevorzugen Ausführungsform weist die gasdichte lösbare Verbindung Heizelemente und/oder Kühlelemente bevorzugt in oder an den Aussparungen auf, wodurch ein besonders schnelles Erwärmen und Abkühlen des Dichtungsmaterials ermöglicht wird. Die Integration der Heizelemente und/oder Kühlelemente ermöglicht des Weiteren einen besonders kompakten Aufbau der gasdichten lösbaren Verbindung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erzeugen einer gasdichten lösbaren Verbindung, insbesondere einer erfindungsgemäßen gasdichten lösbaren Verbindung, wobei ein erstes Element und/oder ein zweites Element mit einer Feststoffdichtung versehen wird, wobei während oder nachdem das erste Element auf das zweite Element aufgesetzt wird, ein Dichtungsmaterial eine Dichtung ausbildet, wobei das erste Element mit dem zweiten Element verspannt wird. Das Dichtungsmaterial fließt, insbesondere durch Erzeugen eines Drucks, zum Ausbilden der Dichtung und füllt dabei die Aussparung, insbesondere ohne verbleibende Freiräume, aus, wobei Imperfektionen von Oberflächen ausgefüllt und Verschmutzungen umschlossen werden. Durch die fließfähige Konsistenz des Dichtungsmaterials beim Inkontaktkommen mit den Oberflächen der Aussparungen wird eine besonders hohe Dichtigkeit zwischen der Dichtung und den angrenzenden Oberflächen erzeugt.
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Bevorzugt wird das Dichtungsmaterial in flüssiger Form nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf das zweite Element in eine Aussparung eingebracht, wodurch auf ein Trägermaterial zum Aufnehmen des Dichtungsmaterials verzichtet werden kann. Die Geometrie der Aussparungen kann freier gewählt werden, sodass sie eine kompaktere Geometrie aufweisen kann, die des Weiteren eine besonders kleine Leckrate ermöglicht. Des Weiteren kann ein Dichtmaterial für verschiedene gasdichte Verbindungen auch unterschiedlicher Ausführungen dienen, wodurch eine geringere Anzahl von Dichtungen benötigt wird.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird das Dichtungsmaterial vor dem Aufsetzen des ersten Elements auf das zweite Element in eine Aussparung eingebracht, wobei das Dichtungsmaterial nach dem Aufsetzen des ersten Elements auf das zweite Element bevorzugt zum Verflüssigen erwärmt wird, bevorzugt bevor das erste Element mit dem zweiten Element verspannt wird. Bei diesen Verfahrensschritten kann auf das Verflüssigen des Dichtungsmaterials, wenn das Dichtungsmaterial bereits flüssig im Trägermaterial vorliegt, sowie auf eine Zugangsleitung verzichtet werden. Eine besonders einfach aufgebaute gasdichte Verbindung wird ermöglicht. Ein Erwärmen des Dichtungsmaterials vor und/oder während des Verspannens der Elemente zueinander ermöglicht eine Dichtung mit besonders geringer Leckage.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Verspannen des ersten Elements mit dem zweiten Element nach dem Einbringen des Dichtungsmaterials durchzuführen, da hierdurch ein Benetzen der Feststoffdichtung und der mit der Feststoffdichtung dichtenden Dichtflächen ermöglicht wird, wodurch besonders geringe Leckraten ermöglicht werden.
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Bevorzugt wird das Dichtungsmaterial nach dem Verspannen des ersten Elements mit dem zweiten Element dauerhaft mit Druck beaufschlagt und abgekühlt, wobei das Dichtungsmaterial bevorzugt temporär erwärmt wird. Durch das dauerhafte Beaufschlagen des Dichtungsmaterials mit Druck wird bei Druckverlust des Dichtungsmaterials, was zum Beispiel durch eine Bewegung der Elemente zueinander verursacht werden kann, dieser Druckverlust zumindest überwiegend ausgeglichen und eine hohe Dichtigkeit dauerhaft ermöglicht. Ein derartiger Druckverlust ist auch bei hochviskosen Zuständen des Dichtungsmaterials möglich, wenn zum Beispiel durch eine Relativbewegung zwischen den Elementen das Volumen der Aussparungen erhöht wird. Das Dichtungsmaterial wird vorteilhafterweise zum Erhöhen der Viskosität herabgekühlt, wodurch ein Austreten des Dichtungsmaterials aus dem Dichtbereich und die Leckrate verringert werden. Ein temporäres Aufheizen des Dichtungsmaterials hat sich als vorteilhaft erwiesen, um über die Zeit sich erhöhende Leckraten durch ein erneutes Verringern der Viskosität des Dichtungsmaterials und hierdurch Verschließen von Imperfektionen der Dichtung entgegenzuwirken.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Druck auf das Dichtungsmaterial durch einen Energiespeicher nachzuführen, da hierdurch auch bei einem Druckverlust dieser zumindest überwiegend konstant gehalten werden kann, was eine dauerhafte geringe Leckrate ermöglicht.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei davon in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigen in
- 1 einen Querschnitt einer gasdichten lösbaren Verbindung mit einer Aussparung für eine Dichtung;
- 2 ein Detail eines Dichtungsbereichs einer gasdichten lösbaren Verbindung mit mehreren Einzelaussparungen für Dichtungen.
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1 zeigt eine gasdichte lösbare Verbindung aufweisend ein erstes Element 1 und ein zweites Element 2, die eine rotationssymmetrische Geometrie aufweisen. Die lösbaren Verbindungselemente sind nicht dargestellt, können jedoch in einer dem Fachmann bekannter Weise ausgeführt werden, beispielsweise mittels miteinander verschraubten Flanschen. Das erste Element 1 umragt im Dichtungsbereich das zweite Element 2, wobei zwischen den Elementen 1, 2 der Dichtungsbereich durch eine Feststoffdichtung 3 ausgebildet wird. Die Feststoffdichtung 3 ist in dieser Ausführungsform zweiteilig und weist einen äußeren Feststoffdichtungsteil 3a und einen davon beabstandeten inneren Feststoffdichtungsteil 3b auf. Eine Aussparung 4 mit einer ersten Einzelaussparung 4a wird zwischen dem äußeren Feststoffdichtungsteil 3a und dem inneren Feststoffdichtungsteil 3b sowie durch das erste Element 1 und das zweite Element 2 umschlossen. Die erste Einzelaussparung 4a weist eine Zugangsleitung 5 auf, durch die das Dichtungsmaterial 6 in die erste Einzelaussparung 4a eingebracht wurde. Zum Erzeugen der gasdichten lösbaren Verbindung wurde an das zweite Element 2 die Feststoffdichtung 3 angebracht und das erste Element 1 auf das zweite Element 2 aufgesetzt, sodass die Feststoffdichtung 3 in Kontakt mit dem ersten Element 1 steht. Folgend wird mittels eines Druckerzeugungsmittels, das mit der Zugangsleitung 5 verbunden ist, das Dichtungsmaterial 6 in einem flüssigen Zustand in die erste Einzelaussparung 4a gefördert, wobei sämtliche Luft aus der ersten Einzelaussparung 4a entlang der Feststoffdichtung 3 entweicht. Ein Teil des Dichtungsmaterials 6 wird aus der ersten Einzelaussparung 4a gefördert und benetzt die Feststoffdichtung 3 sowie die an der Feststoffdichtung 3 anliegenden Dichtflächen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 werden anschließend zueinander verspannt, sodass die Feststoffdichtung 3 das erste Element 1 zum zweiten Element 2 abdichtet, wobei gegebenenfalls das Dichtungsmaterial 6 zwischen der Feststoffdichtung 3 und dem ersten Element 1 oder dem zweiten Element 2 verbleibt. Folgend wird das Dichtungsmaterial 6 durch die Zugangsleitung 5 dauerhaft mit einem Druck von beispielsweise 5 bis 10 bar beaufschlagt. Das Dichtungsmaterial 6 wird abgekühlt, erhöht seine Viskosität und bildet die Dichtung 6a, die bei Betriebstemperatur ein festes Paraffin ist, in der ersten Einzelaussparung 4a aus.
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2 zeigt ein Detail eines Dichtungsbereichs einer gasdichten lösbaren Verbindung mit mehreren Einzelaussparungen 4a, 4b, 4c, 4d für Dichtungen 6a. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel als Alternative für die in der 1 dargestellte Ausführungsform vorgesehen sein und verläuft entlang des Umfangs des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2. Die Feststoffdichtung 3 weist einen äußeren Feststoffdichtungsteil 3a und einen davon beabstandeten inneren Feststoffdichtungsteil 3b auf, wobei zwischen den Feststoffdichtungsteilen 3a, 3b die Einzelaussparungen 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet sind, die eine Dichtung 6a aufweisen, wobei das Dichtungsmaterial 6 in einem kompressiblen Trägermaterial 7 aufgenommen ist, aus dem es lediglich bei einer Kompression des Trägermaterials 7 austritt. Die erste und dritte Einzelaussparung 4a und 4c weisen eine Dichtung 6a bestehend aus einem Öl auf, wobei die zweite und vierte Einzelaussparung 4b und 4d eine Dichtung 6a aus einem pastösen Paraffin aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Element
- 2
- zweites Element
- 3
- Feststoffdichtung
- 3a
- äußeres Feststoffdichtungsteil
- 3b
- inneres Feststoffdichtungsteil
- 4
- Aussparung
- 4a
- erste Einzelaussparung
- 4b
- zweite Einzelaussparung
- 4c
- dritte Einzelaussparung
- 4d
- vierte Einzelaussparung
- 5
- Zugangsleitung
- 6
- Dichtungsmaterial
- 6a
- Dichtung
- 7
- Trägermaterial
