DE112005000181T5

DE112005000181T5 - Selbstjustierendes Hochdruck-Fitting

Info

Publication number: DE112005000181T5
Application number: DE112005000181T
Authority: DE
Inventors: Russell Sudbury Keene
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Technologies Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: WO2005084337A3; GB0618615D0; US20070158942A1; WO2005084337A2; GB2428456B; GB2428456A; JP2007526429A; JP5106096B2; DE112005000181B4; US7735878B2

Abstract

Kuppelelement, umfassend:
ein erhabenes Dichtungselement mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Längsachse, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wobei das erhabene Dichtungselement eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, wobei das erhabene Dichtungselement einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid definiert, wobei das erhabene Dichtungselement verschiebbar mit einer Ferrule verbunden ist, wobei das erste Ende eine konische Dichtungsfläche definiert, wobei die konische Dichtungsfläche einen Winkelversatz gegenüber einem hohlen Dichtungselement aufweist, wobei das hohle Dichtungselement eine komplementäre konische Geometrie definiert; und
ein Vorspannelement, das zwischen einem Rückhaltering und der Ferrule angeordnet ist, um das erste Ende in eine direkt anstoßende Berührung mit dem hohlen Dichtungselement mit einer Vorspannkraft vorzuspannen, die ausreichend ist, um eine fluiddichte Dichtung zwischen dem ersten Ende und dem hohlen Dichtungselement auszubilden.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/549,183, die am 2. März 2004 angemeldet worden ist. Auf den Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit Bezug genommen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Verbindungsstücke für Rohranordnungen und insbesondere ein selbstjustierendes bzw. selbstausrichtendes Hochdruck-Fitting für die Erzeugung einer Hochdruckdichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hochdrucksysteme werden routinemäßig in analytischen Labors, beispielsweise bei der Isolierung und Charakterisierung einer bestimmten Verbindung, eingesetzt. Da die Nachfrage nach Hochdrucksystemen weiterhin besteht, gibt es ebenso einen Bedarf nach Hochdruckdichtungen.
Momentan werden Kompressionsferrulen als Fluidleitungsverbindungsstücke in Hochdrucksystemen, wie beispielsweise der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, verwendet. Diese Kompressionsferrulen sind verhältnismäßig kleine Strukturen, die mit einstückigen oder zweistückigen Rohr-Fittings bzw. Rohr-Verschraubungen zusammenwirken. Diese Vorrichtungen erfordern eine genaue Ausarbeitung detaillierter Anschlüsse, wo zwei Fluidleitungen miteinander verbunden sind oder wo die Fluidleitungen mit Komponenten verbunden sind, wie beispielsweise Fluidverteilerstücken und Ventilen. Wenn die Anzahl dieser Fluidverbindungen zunimmt, dann steigen die Herstellungskosten für die hergestellten Teile und die Kosten für die Maschinen zur Herstellung dieser Teile.
Je nach der Häufigkeit der Verwendung können die Hochdrucksysteme eine bedeutende Belastung auf die Fluidverbindungen ausüben. Die Dichtung, die an der Verbindungsstelle ausgebildet ist, kann aufgrund dieser Belastung abgenutzt bzw. verschlissen werden.
Bekannte Fittings bzw. Verschraubungen umfassen eine konische Ferrule und eine Kompressionsmutter bzw. Druckmutter, die sich in der Nähe des Rohrendes befinden. Der zusammenpassende Teil weist eine mit einem Gewinde versehene und konisch ausgearbeitete Aussparung an dem aufnehmenden Anschluss auf, der mit der Kompressionsmutter und der Ferrule des Rohrendes zusammenwirkt, um eine Dichtung auszubilden. Wenn die Kompressionsmutter in das Gewinde des ausgearbeiteten Anschlusses festgezogen wird, zwingt diese die Ferrule vorwärts. Diese Vorwärtsbewegung drückt das konische Ferrulenende gegen die konische Aussparung, wodurch bewirkt wird, dass die Größe der Vorderkante der Ferrule solange verringert wird, bis diese fest um das Rohr passt. Die Dichtung wird durch die Kompressionsverformung der Ferrule durch den Anschlusskegel und durch die Kompressionsverformung der Ferrule gegen die Rohraußenseite erreicht. Die Drücke moderner chromatographischer Systeme werden größer als die Drücke, für die herkömmliche Fittings hergestellt sind. Die größeren Verformungen, die notwendig sind, um eine Dichtung zu erreichen, führen zu einer reduzierten Verlässlichkeit der Dichtungen.
Wenn herkömmliche Fittings zusammengebaut werden; weisen diese manchmal eine Eigenschaft auf, die nachteilig für die Qualität der chromatographischen Trennung ist. Eine Kavität kann zwischen der Spitze des Rohrs und dem unteren Ende des Anschlusses vorhanden sein. Diese Kavität hält Fluide zurück und kann zu einem unerwünschten Vermischen von Fluidspezien während der chromatographischen Trennung führen. Das Minimieren dieser Kavität hängt von der Kunst der Person ab, die das Fitting ausbildet, wenn sich die Ferrule dem Rohr nähert. Wenn das Rohr fest in dem Anschluss gehalten wird, während die Kompressionsmutter gegen die Ferrule festgezogen wird, dann wird das Rohr vorwärts gedrückt, während die Ferrule gegen dieses zusammenfällt, um die Lücke an der Spitze zu schließen.
Herkömmliche Fittings können oftmals, sobald diese justiert bzw. eingestellt worden sind, nicht zwischen unterschiedlichen Anschlüssen vertauscht werden, und zwar aufgrund des Totvolumens. Wenn die Ferrule auf das Rohr komprimiert wird, dann ist beim ersten Zusammenbau der Abstand von der Ferrule zu der Spitze des Rohrs für diesen Anschluss einzigartig. Wenn das Rohr und das Fitting entfernt werden und in einem anderen Anschluss verwendet werden, dann kann ein Zwischenraum an der Spitze des Rohrs übrig bleiben. Dies kann sich nachteilig auf die Chromatographie auswirken, wenn in dem Rohr Fluide vorhanden sind, die nicht vermischt werden sollten.
Es gibt Hochdruckdichtungsanordnungen, die versuchen, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lindern. Beispielsweise wird eine Hochdruckrohrsitzanordnung beschrieben, bei der die Dichtung an einer Berührungsfläche zwischen einem sphärischen distalen Endabschnitt eines Rohrs und einer Aufnahmefläche ausgebildet wird. Es wird angenommen, dass sich dann, wenn eine größere Axialkraft aufgebracht wird, der sphärische distale Abschnitt derart verformt, dass dieser sich mehr der Geometrie der Aufnahmefläche annähert. Wenn jedoch ein größerer Axialdruck aufgebracht wird, dann deformiert sich der sphärische distale Abschnitt zwar tatsächlich, verformt sich jedoch nicht auf eine derartige Art und Weise, dass dieser sich signifikant der Aufnahmefläche anpasst.
Bei modernen chromatographischen Systemen werden die Drücke gesteigert und die internen Fluidvolumina vermindert. Daher werden die Verlässlichkeit und Dichtungseigenschaften von herkömmlichen Fittings immer problematischer. Das vorliegende Fitting weist zwei Dichtungsflächen auf, die beide verhältnismäßig größer als der Fluidpfaddurchmesser sind, den diese abdichten. Diese Dichtungsflächen sind entfernt von der Rohrspitze und der Anschlussöffnung angeordnet, so dass es eine Möglichkeit für ein Fluidtotvolumen gibt: Wenn der Druck erhöht wird, werden die Kompressionsmutterkraft und die resultierende Verformung der Ferrule und verwandter Teile exzessiv. Wenn das interne Fluidvolumen des Systems kleiner wird, dann stellen das kleinere Totvolumen des Fittings und insbesondere die Empfindlichkeit hinsichtlich der Fähigkeit des Monteurs die Haupthindernisse für die chromatographische Qualität dar.
Es gibt einen Bedarf nach einer Hochdruck-Fitting-Anordnung, die sich unter einem Axialdruck derart verformt, dass diese zu dem Aufnahmeelement passt, um somit eine Hochdruckdichtung mit optimaler Fluidintegrität auszubilden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kuppelelement, das für eine axiale Verschiebung geeignet ist, um in einer Hochdruckdichtung verwendet zu werden. Dieses Kuppelelement bildet unter einer axialen Kompression eine fluiddichte Dichtung aus.
Ein Kuppelelement, das ein erhabenes Dichtungselement umfasst, wird hier beschrieben. Das erhabene Dichtungselement umfasst ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Längsachse, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt. Das Kuppelelement ist innerhalb einer Mutter untergebracht. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Dichtungselement eine im Allgemeinen zylindrische Form auf. Außerdem definiert das erhabene Dichtungselement einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid. Das erhabene Dichtungselement ist an einer Ferrule befestigt, die innerhalb einer Kavität der Mutter angeordnet ist. Das erste Ende des erhabenen Dichtungselements definiert eine konische Dichtungsfläche. Gemäß einem Aspekt passt die erhabene konische Dichtungsfläche mit einem hohlen Dichtungselement zusammen, das eine Aussparung aufweist, die durch eine nahezu komplementäre konische Geometrie definiert ist. Gemäß diesem Aspekt weist die erhabene konische Dichtungsfläche einen Winkelversatz bzw. einen nicht abgeglichenen Winkel gegenüber dem komplementären konischen hohlen Dichtungselement auf. Das Kuppelelement weist außerdem ein Vorspannelement auf, das zwischen einem Rückhaltering und der Ferrule angeordnet ist, die innerhalb der Mutterkavität angeordnet ist. Dieses Vorspannelement erleichtert eine fluiddichte, Metall-an-Metall- (oder Metall-an-Kunststoff- oder Kunststoff-an-Kunststoff-) Dichtung zwischen dem erhabenen Dichtungselement und dem hohlen Dichtungselement.
Ein Verfahren zum Ausbilden einer Hochdruckdichtung wird hierin beschrieben. Eine axiale Kompressionskraft kann auf das erhabene Dichtungselement gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden. Diese Kompressionskraft verschiebt das erhabene Dichtungselement in Richtung eines hohlen Dichtungselements. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Dichtungselement ein erstes Ende auf, das eine konische Dichtungsfläche definiert. Gemäß diesem Aspekt weist das hohle Dichtungselement eine Aussparung auf, die eine komplementäre konische Geometrie definiert. Es gibt einen Winkelversatz zwischen der erhabenen konischen Fläche und dem hohlen Dichtungselement gemäß diesem Aspekt. Eine Verformung der konischen Fläche des ersten Endes des erhabenen Elements tritt auf, wenn die axiale Kompressionskraft aufgebracht wird, um somit eine fluiddichte Dichtung zu bewirken.
Für ein eingehenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Ziele dieser wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen und die nachstehende detaillierte Beschreibung genommen und der Schutzumfang der Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Vergleich einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung Seite an Seite mit einem typischen bekannten Kuppelsystem.
3 zeigt den Winkelversatz, der zwischen einem erhabenen und einem hohlen Element gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kuppelelement, das für eine axiale Verschiebung geeignet ist, um in einer Hochdruckdichtung verwendet zu werden. Dieses Kuppelelement bildet unter axialer Kompression eine fluiddichte Dichtung aus.
Das Kuppelelement gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Dichtung unmittelbar außerhalb des Außendurchmessers des Fluidweges, so dass diese so klein und so dicht wie möglich ist. Dies eliminiert Totvolumen und beschränkt die Dichtungskraft auf ein Mindestmaß. Da die Dichtungskraft durch eine voreingestellte Federablenkung bereitgestellt wird, weist das Kuppelelement nicht den Ausbildungsfehler oder Variationen der Dichtungen zwischen Anschlüssen auf. Die voreingestellte Fitting-Kraft eliminiert außerdem die Verformung aufgrund eines übermäßigen Festziehens.
Ein Kuppelelement 1, das ein erhabenes Dichtungselement 5 umfasst, wird hierin beschrieben (siehe 1). Das erhabene Dichtungselement 5 umfasst ein erstes Ende 7, ein zweites Ende 9 und eine Längsachse, die sich zwischen dem ersten Ende 7 und dem zweiten Ende 9 erstreckt. Das Kuppelelement 5 ist innerhalb einer Mutter 3 untergebracht. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Dichtungselement 5 eine im Allgemeinen zylindrische Form auf. Außerdem definiert das erhabene Dichtungselement 5 einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid. Das erha bene Dichtungselement 5 ist in einer Ferrule 13 befestigt, die innerhalb einer Kavität 15 des distalen Abschnitts der Mutter 3 angeordnet ist. Das erste Ende 7 des erhabenen Dichtungselements 5 definiert eine konische Dichtungsfläche 17. Gemäß einem Aspekt erstreckt sich die konische Dichtungsfläche 17 zu dem proximalen Abschnitt des Muttergehäuses 33 oder diese steht über diesen hinaus. Die Solllänge beträgt etwa 0,030". Gemäß einem weiteren Aspekt passt die erhabene konische Dichtungsfläche 17 mit einem hohlen Dichtungselement 23 zusammen, das eine Aussparung 25 aufweist, die durch eine nahezu komplementäre konische Geometrie definiert wird (siehe 2a). Gemäß einem Aspekt weist die erhabene konische Dichtungsfläche 17 einen Winkelversatz bzw. Winkelunterschied gegenüber dem komplementären konischen hohlen Dichtungselement 23 auf. Das Kuppelelement 1 weist außerdem ein Paar von Vorspannelementen 19 auf, die zwischen einem Rückhaltering 21 und der Ferrule 13 angeordnet sind, die innerhalb der Mutterkavität 15 positioniert ist (siehe 1). Die Vorspannelemente 19 erleichtern eine fluiddichte Abdichtung von Metall an Metall zwischen dem erhabenen Dichtungselement 5 und dem hohlen Dichtungselement 23.
Materialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelstahl, PEEK, Polyphenelynsulfid, Keramik, Polyamid, Polyolefine und dergleichen. Ebenso kann eine Kombination dieser Materialien gemäß der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann das erhabene Element 5 Edelstahl umfassen, während das hohle Element 23 ein polymerisches Material umfassen kann, wie beispielsweise Polyphenelynsulfid. Selbstverständlich ist auch der umgekehrte Fall möglich.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Kuppelelement 1 eine Längsachse auf, die eine Länge von etwa 0,5" bis etwa 0,7" aufweist. Die Längsachse wird hierin als der Abstand von der Spitze der apikalen Fläche 17 des erhabenen Elements 5 zu dem distalen Ende des Muttergehäuses 33 definiert. Übliche Durchmesser für das erhabene Dichtungselement liegen im Bereich von etwa 0,031" bis etwa 0,094". Gemäß einem Aspekt ist der proximale Abschnitt des erhabenen Elements 5 verjüngt, wodurch beispielsweise eine konische Fläche ausgebildet wird, deren Durchmesser sich ändert, während die Geometrie eine konische Fläche definiert. Materialien, die für das erhabene Element 5 geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelstahl, PEEK, Polyphenelynsulfid, Keramik, Polyamid, Polyolefine und dergleichen. Die apikale Spitze des erhabenen Elements 5 kann ein anders Material als der Rest des erhabenen Elements aufweisen. Beispielsweise kann die erhabene Spitze eine Be schichtung aufweisen, die die Dichtung verbessert, wie beispielsweise einen Teflonfilm.
Die Mutter 3 wird durch ein Muttergehäuse 33 definiert. Das Muttergehäuse 33 umgibt im Allgemeinen einen Abschnitt des erhabenen Elements 5. Gemäß einem Aspekt wird ein Abschnitt der Außenseite des Muttergehäuses 33 durch ein Gewinde definiert, wie beispielsweise ein 10/32- oder ein M4-Gewinde. Die allgemeine Oberflächengeometrie des Muttergehäuses 33 kann der herkömmlichen wohlbekannten Geometrie entsprechen. Gemäß einem Aspekt liegt die Länge von der distalen Fläche 29 des Muttergehäuses 33 zu der proximalen Fläche 31 des Muttergehäuses 33 im Bereich von etwa 0,5" bis etwa 0,7". Der Durchmesser der Mutter 3 verändert sich, wenn sich die Perspektive von der distalen Fläche 29 zu der proximalen Fläche 31 ändert. Im Allgemeinen ist der Durchmesser des Muttergehäuses 33 größer als das erhabene Element 5. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Element 5 einen Durchmesser auf, der im Bereich von etwa 0,031" bis etwa 0,094" liegt. Das Durchmesserverhältnis zwischen der konischen Spitze 17 des erhabenen Elements 5 und dem übrigen Abschnitt des Elements 5 beträgt etwa 4:1. Geeignete Materialien für das Muttergehäuse 33 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelstahl, PEEK, Polyphenelynsulfid, Keramik, Polyamid, Polyolefine und dergleichen.
Die Mutter 3 definiert außerdem eine Kavität 15 in Richtung des distalen Abschnitts der Mutter 3. Innerhalb der Kavität 15 sind ein Rückhaltering 21, ein Vorspannelement 19 und eine Ferrule 13 angeordnet. Der Rückhaltering 21 ist dabei behilflich, die Integrität der anderen Elemente innerhalb der Mutter 3 beizubehalten. Dieser stellt außerdem eine Oberfläche für das Vorspannelement 19 bereit, um vorgespannt zu werden, wenn eine Axialkraft ausgeübt wird. Gemäß einem Aspekt wird diese Kraft aufgebracht, wenn die Mutter 3 mittels des Gewindes in eine Aussparung geschraubt wird, wie beispielsweise das hohle Dichtungselement 23, das in 2 dargestellt ist. Der Rückhaltering 21 ist in Umfangsrichtung um das Innere der Mutterkavität 15 angeordnet. Gemäß einem Aspekt ist der Rückhaltering 21 innerhalb einer Rille bzw. Nut angeordnet, die durch das Muttergehäuse 33 definiert ist. Der Rückhaltering 21 kann aus Edelstahl sowie aus anderen geeigneten Materialien bestehen.
Das Vorspannelement 19 ist angrenzend an den Rückhaltering 21 angeordnet. Gemäß einem Aspekt umfasst das Vorspannelement 19 eine Kompressionsfeder. Gemäß einem besonderen Aspekt umfasst das Vorspannelement 19 zwei Belleville-Federn in Reihe. Gemäß diesem Aspekt sind die Belleville-Federn um eine Sollstrecke von etwa 0,008" komprimiert. Andere Beispiele eines Vorspannelements umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Wellenfedern, Elastomer-Dichtungsringe und dergleichen. Auf der Seite gegenüber des Rückhalterings 21 ist das Vorspannelement 19 angrenzend an eine Ferrule 13 angeordnet. Gemäß einem Aspekt wird das Vorspannelement 19, wenn eine Axialkraft aufgebracht wird, zwischen dem Rückhaltering 21 und der Ferrule 13 vorgespannt. Geeignete Materialien für das Vorspannelement 19 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelstahl, PEEK, beschichteten Stahl und dergleichen.
Die Ferrule 13 liegt innerhalb der Mutterkavität 15. Gemäß einem Aspekt ist die Ferrule 13 physikalisch an das erhabene Element 5 angebracht. Diese Anbringung kann durch irgendein bekanntes Verfahren durchgeführt werden, wie beispielsweise Schweißen, Widerstandsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen, Hartlöten und dergleichen. Die Ferrule 13 ist angrenzend an das Vorspannelement 19 auf dessen distaler Fläche angeordnet. In der Ruheposition, d.h. wenn keine Axialkraft aufgebracht wird, trennt der Kavitätsraum 27 die proximale Fläche der Ferrule 13 von einer Kante des Muttergehäuses 33. Wenn eine Axialkraft aufgebracht wird, wird dieser Kavitätsraum 27 (kontinuierlich mit der Kavität 15) kleiner, da sich die Kante des Muttergehäuses 33 der proximalen Fläche (die Fläche, die in Richtung der konischen Spitze 17 des erhabenen Elements 5 angeordnet ist) der Ferrule 13 nähert. Geeignete Materialien für die Ferrule umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelstahl, Stahl und polymerische Materialien, wie beispielsweise verstärktes PPS oder PEEK.
In 2 wird die vorliegende Erfindung (2a) mit einem typischen herkömmlichen Kuppelsystem (2b) verglichen. Insbesondere zeigt 2a das Zusammenpassen zwischen einem Kuppelelement 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und einem hohlen Abdichtungselement 23. Das erhabene Dichtungselement 5 weist ein erstes Ende 7 auf, dessen apikale Fläche 17 durch eine konische Geometrie definiert wird. Das Aufnahmeelement des hohlen Dichtungselements 23, d.h. die Aussparung bzw. das Behältnis 25, weist eine komplementäre konische Geometrie auf. Diese komplementäre Ausgestaltung erleichtert die Ausbildung einer fluiddichten Dichtung zwischen dem erhabenen Dichtungselement 5 und dem hohlen Dichtungselement 23. Diese Ausgestaltung fördert außerdem die Zentrierung des erhabenen Elements 5 um das hohle Element 23.
Wenn eine axiale Kompression aufgebracht wird, dann wird das erhabene Element 5 in Richtung des hohlen Elements 23 und insbesondere in Richtung der hohlen Aus sparung 25 verschoben. Wenn die aufgebrachte Kraft gesteigert wird, dann verformt sich der apikale Abschnitt des ersten Endes 7 des erhabenen Elements 5 (wie dies durch die Pfeile in 2 dargestellt ist), wodurch eine Fläche bereitgestellt wird, um die Fläche zwischen dem erhabenen Element 5 und dem hohlen Element 23 abzudichten.
Eine genauere Betrachtung der Elemente, die bei der Ausbildung der Dichtung involviert sind, zeigt, dass es einen Winkelversatz zwischen der konischen apikalen Fläche 17 des erhabenen Elements 5 und der Aussparung 25 des hohlen Elements 23 gibt (siehe 3). Gemäß einem Aspekt beträgt dieser Winkelversatz zwischen 1 und 2 Grad. Dieser Versatz stellt einen funktionalen Vorteil bereit. Wenn eine Axialkraft auf das erhabene Dichtungselement in Richtung des hohlen Dichtungselements 25 aufgebracht wird, dann wird der Versatz des konischen Scheitels des erhabenen Elements 17 deformiert und tritt in Berührung mit dem hohlen Dichtungselement 25, und zwar Metall and Metall. Aufgrund dieses Versatzes werden die Berührungskräfte zwischen dem erhabenen Element und dem hohlen Element gesteigert, wodurch eine fluiddichte Dichtung ausgebildet wird.
Wendet man sich 2 zu, so erkennt man, dass dort das Kuppelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung (2a) im Vergleich mit einem typischen herkömmlichen Kuppelsystem gezeigt ist. Wie vorstehend beschrieben, umfasst das Kuppelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein erhabenes Dichtungselement 5, das mit einem hohlen Dichtungselement 23 zusammenpasst. Der apikale Abschnitt 17 des ersten Endes 7 des erhabenen Elements 5 wird durch eine konische Geometrie definiert. Die hohle Aussparung 25 nimmt das erhabene Element 5 auf und ist durch eine komplementäre konische Geometrie definiert. Wie sich 3 entnehmen lässt, sind die Winkel des erhabenen apikalen Abschnitts 17 und der hohlen Aussparung 25 nicht gleich, wodurch eine größere Berührung zwischen dem erhabenen Element 5 und dem hohlen Element 23 erleichtert wird.
2b zeigt ein typisches herkömmliches Kuppelsystem. In diesem Kuppelsystem gibt es ein erhabenes Element 5', das von einem hohlen Element 23' aufgenommen wird. Wenn eine Axialkraft auf das erhabene Element 5' aufgebracht wird, dann wird dieses Element 5' in eine hohle Aussparung 25' des hohlen Elements 23' bewegt. Eine Deformation erfolgt an dem apikalen Abschnitt des erhabenen Elements 5'. Wie sich jedoch 2b entnehmen lässt, ist der apikale Abschnitt des erhabenen Elements 5' sphärisch, so dass im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung weniger Berührung zwischen dem erhabenen Element 5' und dem hohlen Element 23' bereitgestellt wird. Überdies gibt es keinen Versatz der Winkel zwischen dem erhabenen Element 5' und dem hohlen Element 23', so dass sogar noch weniger Berührungskräfte wirksam sein werden. Aufgrund der sphärischen Geometrie des erhabenen Elements 5' ist ferner ein Zentrieren des erhabenen Elements 5' um das hohle Element 23' im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung weniger wahrscheinlich. Das in 2b dargestellte Kuppelsystem ist für eine Abdichtung unter hohem Druck nicht gut geeignet.
Ein Verfahren zum Ausbilden einer Hochdruckdichtung wird hierin beschrieben. Eine axiale Kompressionskraft kann auf das erhabene Dichtungselement gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden. Diese Kompressionskraft verschiebt das erhabene Dichtungselement in Richtung eines hohlen Dichtungselements. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Dichtungselement ein erstes Ende auf, das eine konische Dichtungsfläche definiert. Gemäß diesem Aspekt definiert das hohle Dichtungselement eine nahezu komplementäre konische Geometrie. Es gibt einen Winkelversatz bzw. Winkelunterschied zwischen der erhabenen konischen Fläche und dem hohlen Dichtungselement gemäß diesem Aspekt. Eine Deformation der konischen Fläche des ersten Endes des erhabenen Elements tritt auf, wenn die axiale Kompressionskraft aufgebracht wird, um somit eine fluiddichte Dichtung zu bewirken.
Wenn die Axialkraft auf das erhabene Element aufgebracht wird, dann wird der apikale Abschnitt des ersten Endes im Zusammenwirken mit der konischen hohlen Aussparung in dem hohlen Element elastisch deformiert. Um die Dichtung zu verbessern, wird die Axialkraft gesteigert, um somit sowohl den Dichtungsdruck als auch die Dichtungsfläche zu vergrößern. Überdies steigert die Tatsache, dass es sich bei den Dichtungsflächen um nahezu zusammenpassende Kegel handelt, die Fähigkeit des Kuppelelements, normale axiale Fehlausrichtungen zwischen Dichtungselementen zu tolerieren.
Das erhabene (konische) Element, das in die hohle Aussparung gedrückt wird, neigt dazu, sich selbst auszurichten bzw. zu justieren. Somit wird eine Dichtung erzeugt, wenn der Grad der Falschausrichtung (linearer Versatz oder winkliger Versatz) eine Dichtung verhindern hätte können oder einen behinderten Fluss bei anderen Kopplungsarten bewirkt hätte.
Um eine fluiddichte Dichtung sicherzustellen, sollte die relative Axialkraft im Bereich von etwa 50 bis etwa 65 Pfund liegen. Aufgrund des kleinen Oberflächenbereichs an der Berührungsfläche werden die Axialkräfte dort konzentriert, wodurch ein Dichtungsdruck im Bereich von etwa 40 000 bis etwa 50 000 psi erzeugt wird.
Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf eine Steigerung des Dichtungsdrucks aufgrund der Verkeilung des erhabenen und des hohlen Elements; eine Erhöhung der Dichtungsfläche bei steigendem Druck; eine Fähigkeit, das Zentrum zu suchen (automatische Ausrichtung), wenn das erhabene Element in die hohle Aussparung eingeführt wird, wobei diese Ausrichtung die Behinderung von Fluss durch eine nicht zentrierte Anordnung des erhabenen und des hohlen Elements vermeidet; und eine Fähigkeit, nicht ausgerichtete Teile aufgrund von Herstellungsfehlern unterzubringen.
Obgleich die Erfindung hinsichtlich zahlreicher Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte man erkennen, dass diese Erfindung ebenso für eine große Vielzahl von weiteren und anderen Ausführungsformen im Rahmen des Geistes und des Schutzumfangs der anhängenden Ansprüche geeignet ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Kuppelelement, das ein erhabenes Dichtungselement umfasst, wird hierin beschrieben. Das erhabene Dichtungselement umfasst ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Längsachse, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt. Das Kuppelelement ist innerhalb einer Mutter untergebracht. Gemäß einem Aspekt weist das erhabene Dichtungselement eine im Allgemeinen zylindrische Form auf. Außerdem definiert das erhabene Dichtungselement einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid. Das erhabene Dichtungselement ist an einer Ferrule befestigt, die innerhalb einer Kavität der Mutter angeordnet ist. Das erste Ende des erhabenen Dichtungselements definiert eine konische Dichtungsfläche. Gemäß einem Aspekt passt die erhabene konische Dichtungsfläche mit einem hohlen Dichtungselement zusammen, das eine Aussparung aufweist, die durch eine nahezu komplementäre konische Geometrie definiert ist. Gemäß diesem Aspekt weist die erhabene konische Dichtungsfläche einen Winkelversatz gegenüber dem komplementären konischen hohlen Dichtungselement auf. Das Kuppelelement weist außerdem ein Vorspannelement auf, das zwischen einem Rückhaltering und der Ferrule angeordnet ist, die innerhalb der Mutterkavität angeordnet ist. Dieses Vorspannelement erleichtert eine fluiddichte Dichtung Metall an Metall (oder Metall an Kunststoff oder Kunststoff an Kunststoff) zwischen dem erhabenen Dichtungselement und dem hohlen Dichtungselement.

Claims

Kuppelelement, umfassend: ein erhabenes Dichtungselement mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Längsachse, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wobei das erhabene Dichtungselement eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, wobei das erhabene Dichtungselement einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid definiert, wobei das erhabene Dichtungselement verschiebbar mit einer Ferrule verbunden ist, wobei das erste Ende eine konische Dichtungsfläche definiert, wobei die konische Dichtungsfläche einen Winkelversatz gegenüber einem hohlen Dichtungselement aufweist, wobei das hohle Dichtungselement eine komplementäre konische Geometrie definiert; und ein Vorspannelement, das zwischen einem Rückhaltering und der Ferrule angeordnet ist, um das erste Ende in eine direkt anstoßende Berührung mit dem hohlen Dichtungselement mit einer Vorspannkraft vorzuspannen, die ausreichend ist, um eine fluiddichte Dichtung zwischen dem ersten Ende und dem hohlen Dichtungselement auszubilden.
Kuppelelement nach Anspruch 1, wobei der Winkelversatz im Bereich von etwa 1 bis etwa 2 Grad liegt.
Kuppelelement nach Anspruch 1, wobei das erhabene Dichtungselement eine fluiddichte Abdichtung Metall an Metall ausbildet, wenn dieses mit einem hohlen Dichtungselement zusammengeführt ist.
Kuppelelement nach Anspruch 3, wobei das erste Ende des erhabenen Dichtungselements deformiert wird, wenn dieses mit dem hohlen Dichtungselement zusammengeführt ist.
Kuppelelement nach Anspruch 3, wobei das erhabene Dichtungselement zentral positioniert ist, wenn dieses mit dem hohlen Dichtungselement zusammengeführt ist.
Kuppelelement nach Anspruch 1, wobei das Vorspannelement eine Kompressionsfeder umfasst.
Kuppelelement nach Anspruch 6, wobei die Kompressionsfeder eine Belleville-Feder ist.
Kuppelelement nach Anspruch 1, wobei das erhabene Dichtungselement aus Metall besteht.
Kuppelelement nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Metall um Edelstahl handelt.
Verfahren zum Ausbilden einer fluiddichten Hochdruckdichtung, umfassend: Bereitstellen eines erhabenen Dichtungselements mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Längsachse, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wobei das erhabene Dichtungselement eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, wobei das erhabene Dichtungselement einen Fluiddurchgangsweg dadurch für den Durchgang von Fluid definiert, wobei das erhabene Dichtungselement verschiebbar mit einer Ferrule verbunden ist, wobei das erste Ende eine konische Dichtungsfläche definiert, wobei die konische Dichtungsfläche einen Winkelversatz gegenüber einem hohlen Dichtungselement aufweist, wobei das hohle Dichtungselement eine komplementäre konische Geometrie definiert, und ein Vorspannelement, das zwischen einem Rückhaltering und der Ferrule angeordnet ist, um das erste Ende in eine direkt anstoßende Berührung mit dem hohlen Dichtungselement mit einer Vorspannkraft vorzuspannen, die ausreichend ist, um eine fluiddichte Dichtung zwischen dem ersten Ende und dem hohlen Dichtungselement auszubilden; und Aufbringen einer Kompressionskraft in einer axialen Richtung des erhabenen Dichtungselements in Richtung des hohlen Dichtungselements, die ausreichend ist, um eine fluiddichte Hochdruckdichtung auszubilden.