DE1425437A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents
DichtungsanordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft kompensierende Dichtungen und insbesondere eine neue Dichtungsanordnung, die
sich sowohl für statische als auch für dynamische Dichtungen eignet.
Ein Problem bei geschlossenen Kammern, in denen große
Innendrücke erzeugt werden, besteht in einem Versagen der Dichtungen, die im System erforderlich sind, um den Druck
aufrecht zu erhalten und ein Austreten von Flüssigkeit, Gas oder anderen im System enthaltenen Medien zu verhindern.
Dieses Versagen beruht häufig darauf, daß die Dichtung durch den ansteigenden Druck im System in einen Zwischenraum ausgepreßt wird, der von zwei aneinander angrenzenden, gegeneinander
abzudichtenden Flächen gebildet wird. So wird z.B. das Material eines Dichtungsringes zwischen einein Zylinder
und einem Kolben leicht in den Zwischenraum zwischen dem
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Kolben und der Bohrung des Zylinders durch den im Kolben
herrschenden Druck ausgedrückt, besonders wenn sich der
Zwischenraum durch eine druckbedingte radiale Ausdehnung des Zylinders bezüglich des Kolbens erweitert.
Auch bei Druckbehältern, bei denen druckfeste Verbindungen aus miteinander verschraubten, getrennten Flanschteilen erforderlich
sind, ergeben sich häufig beim Unterdrucksetzen des Behälters Schwierigkeiten hinsichtlich der Abdichtung, auch wenn
für die Flanschen Schraubenbolzen, großen Querschnittes verwendet werden. Das Versagen von Dichtungen stellt ein ernstes
Problem dar, gleichgültig ob das Drucksystem statische oder dynamische Dichtungen enthält. In diesem Zusammenhang soll
der Ausdruck "statische Dichtung" für Dichtungsanordnungen ver·*
wendet werden, bei denen keine Relativbewegung zwischen dem Dichtungselement und der abgedichteten Fläche stattfinden, mit
der Ausnahme von Bewegungen, die auf Deformationen der Dich*%
tung beruhen. Als "dynamische Dichtung" soll dagegen eine An«
Ordnung bezeichnet werden, bei der eine solche Relativbewegung
möglich ist.
Die üblichen statischen und dynamischen Dichtungen ein»
schließlich Gummi- und Stahlringe mit O-, V-, C- oder Λ «förmigem
Fiber
Querschnitt, Sitke-rpaekungen, gewickelte Spiraldichtungen usw.
Querschnitt, Sitke-rpaekungen, gewickelte Spiraldichtungen usw.
haben immer wieder zu unerwünschten und häufigen Störungen
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Anlaß gegeben, gleichgültig, ob sie in Drucksystemen mit
Kolben und Zylinder enthaltenden Anordnungen oder anderen unter Druck stehenden Systemen verwendet wurden. Man hat
bereits versucht, diese Schwierigkeiten durch Verwendung von ausdehnbaren Dichtungen und Unterstützungsringen zu beheben.
Alle bisherigen Anordnungen lassen jedoch noch zu wünschen übrig, insbesondere bei Verwendung in Hoch« und Höchstdruck«
anlagen, und das Versagen von Dichtungen stellt eine häufige Fehlerquelle dar.
Durch die Erfindung soll daher eine Dichtungskombination angegeben werden, die ein Austreten von Gas, Flüssigkeiten
oder anderen Medien aus Druckapparaten sicher verhindern.
Weiterhin sollen durch die Erfindung statische und dynamische Dichtungsanordnungen angegeben werden, die nicht in den
Zwischenraum zwischen die einander gegenüberliegenden, abge«
dichteten Flächen gedrückt werden können.
Durch die Erfindung soll außerdem eine Flanschdichtung angegeben werden, die auch ohne die Verwendung groß be«
messener Schraubenbolzen und Flanschfläehen an der Verbindung ein Austreten von Druckmedium mit Sicherheit verhindert.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert werden, es zeigen:
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Figur 1 eine Schnittansicht einer einen Kolben und einen Zylinder enthaltenden Anordnung, die mit einer dynamischen
Dichtung gemäß der Erfindung versehen ist;
Figur 2 eine Ansicht der Anordnung der Figur 1 bei unter Druck stehendem System;
Figur 3 eine zur Erläuterung .der Arbeitsweise der in
Figur 1 dargestellten dynamischen Dichtung vergrößerte Teil« ansicht von Figur 2;
Figur 4 eine isometrische Teilansicht der in Figur 1 und
verwendeten Dichtungsanordnung;
Figur 5 eine Schnittansicht eines Teils eines Drucksystems mit einer statischen Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung;
Figur 6 eine Ansicht der Anordnung der Figur 5, wenn
diese unter Betriebsdruck steht und
Figur 7 eine Ansicht einer Flanschverbindung zur Erläuterung einer anderen statischen Dichtung gemäß der Erfindung.
Das in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
der Erfindung stellt eine dynamische Dichtungsanordnung für den Zwischenraum zwischen einem hin- und hergehenden
Kolben 10 und einem ruhenden Zylinder 11 dar. Am Kolbenkörper
ist eine Deckplatte 12 (Figur 1) durch Schrauben 13, Nieten oder
andere geeignete Mittel befestigt. In den Kolben ist senkrecht
zur Wand des Zylinders 11 eine konzentrische Nut 14 eingeschnitten,
die zur Aufnahme einer ringförmigen Dichtungs« anordnung dient. Die eigentliche Dichtungsanordnung 15 ist
in Figur 4 dargestellt und enthält einen Dichtungsträger 16 aus einem elastischen Metallring, vorzugsweise aus Stahl, der
zwei Umfangsnuten besitzt, die in dem sonst einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Ringkörper gebildet sind. Die eine
Nute 17 reicht von dem oberen äußeren Rand des Trägers nach innen, während die andere Nut 18 der Nut 17 diagonal gegen·
uberliegt und sich vom inneren unteren Rand des Ringes nach innen erstreckt. Innerhalb dieser Nuten 17, 18 liegen übliche Dichtungsringe
19, 20. Diese Dichtungsringe können beispielsweise aus synthetischem Kautschuk oder für höhere Drücke aus Stahl··
röhren bestehen.
Wie in Figur 2 und 3 dargestellt ist, wird der Kolben im Betrieb durch ein unter Druck stehendes Medium m, das
in Figur 3 durch die Punktierung dargestellt ist, im Zylinder nach unten gedrückt. Das Druckmedium m übt auf die Innenwand
des Zylinders 11 einen horizontal gerichteten Druck P1, auf
die Kolbenanordnung mit Ausnahme des Ringes 19 einen nach
unten wirkenden Druck p„ und auf den Dichtungsring 19 selbst
einen nach unten gerichteten Druck p_ aus.
Man betrachte zuerst die Wirkungen von P1 und ρ j Der
Druck P2 bewirkt eine Deformation des Kolbens 10, die eine
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geringfügige radiale Ausdehnung des Kolbens zur Folge hat. Der
Druck P1 verursacht jedoch eine wesentlich größere radiale
Ausdehnung des Zylinders 11. Der Einfluß der Drücke p. und pg
besteht daher imEffekt darin, daß durch die Vergrößerung des
normalenAbstandes zwischen. Kolben und Zylinder ein vergrößerter Spalt g entsteht.
a, „ τ. j. s ^ _, „ „ auf den Ring 19 be»
Als nächstes sei der Einfluß von ρ s
trachtet; Dieser Druck erzeugt innerhalb des Ringes einen ,
hydrostatischen Druck, der in allen Richtungen wirkte das heißt
nach links und rechts, wie durch die Pfeile p_ bzw. pg dargestellt
ist und nach oben und unten entsprechend den. Pfeilen p_
bzw, po« Wenn der Dichtungsring 19 in üblicher Weise nur in
einer Nut im Kolben 10 oder im Zylinder gelagert wäre, würde
dem Druck po kein anderer Druck im Spalt entgegenwirken. Der
auf den Ring einwirkende Druck p„ des Mediums* der sich in
den Druck po umsetzt, würde also dann dazu neigen, das Ma-
O .
terial des Dichtungsringes in den Zwischenraum g zu drücken.
Ein vollständiges Ausdrücken des Ringes und damit ein Versagen der Dichtung würde zwar eine Zeit lang durch die Elastizität des
Ringes verhindert, da diese Materialien jedoch nie ideal elastisch
sind, würde unter Druck eine schleichende unelastische Deformation
eintreten, so daß der Ring schließlich versagt und in den Zwischenraum gequetscht wird. Das Versagen einer solchen kon«
ventionellen Dichtungsringanordnung wird durch die erhöhte Aus«
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— γ ·
druckkraft, der der Ring als Ergebnis der radialen Expansion
des Zylinders bezüglich des Kolbens und der damit verbundenen Vergrößerung des Zwischenraumes zwischen diesen Elementen
unterworfen ist, beschleunigt und in der Praxis in erster Linie hierdurch verursacht.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ablauf der Vorgänge, die zum Versagen der konventionellen Dichtungsanordnung
führen, tritt bei der in Figur 1 bis 4 dargestellten
Dichtungsanordnung ein Teil des Druckmediums m zwischen der Deckplatte 12 und der Oberseite des Dichtungsträgers 16
in den Zwischenraum i zwischen der Innenfläche der Nut 14 und der Innenfläche des Dichtungsträgers 16 ein. Innerhalb die»
ses Raumes i übt das Druckmedium m auf die Innenfläche des Dichtungsträgers 16 einen radial nach außen gerichteten Druck p_
aus. Der Druck pQ ist zwar praktisch gleich dem Druck ρ , der
durch das Druckmedium m im Ring 19 erzeugt wird und von diesem Dichtungsring 19 aus nach innen auf den Dichtungsträger
wirkt, der Druck p9 wirkt jedoch auf einen Bereich der Innenfläche
des Dichtungsträgers, dessen vertikale Abmessung d beträgt, die beträchtlich größer ist, als die Vertikalabmessung d~
der Außenfläche des Dichtungsträgers, auf die der Druck p_
wirkt, so daß der Druck p_ alsc|auf eine wesentlich größere
Fläche des Trägers 16 wirkt, als der Druck p., auch wenn man berücksichtigt, daß die Außenfläche einen größeren Radius ge-
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rechnet von der Kolbenachse hat, als die Innenfläche. Die auf den Dichtungsträger 16 resultierende Horizontalkraft ist also
von der Innenfläche des Dichtungsträgers nach außen gerichtet.
Der Dichtungsträger 16 reagiert auf die nach außen ge«
richtete Kraft mit einer radialen Expansion. Bei geeigneter Bemessung des Dichtungsträgers ist diese Expansion mindestens
so groß, wie die radiale Expansion der Zylinderwänd. Vorzugsweise
ist der Träger so bemessen, daß seine radiale Expansion
etwas größer ist, als die des Zylinders, so daß das Spiel zwischen der Außenfläche des Trägers 16 und der Zylinderwänd
abnimmt, wenn der Druck des Mediums m steigt. In der Praxis haben sich die besten Resultate ergeben, wenn der Träger 16
so bemessen ist, daß der normale Betriebsdruck -eine radiale
Ausdehnung des Trägers hervorruft, die ausreicht, die Außenseite
des Trägers in Berührung mit der Zylinderwand zu bringen, die dann eine weitere radiale Ausdehnung verhindert. Man
könnte zwar befürchten, daß eine derart erzwungene Berührung zwischen der Zylinderwand und dem Dichtungsträger zu einem
Festfressen führen könnte, es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß bei einem geeignet bemessenen Ring, der übermäßige
Kontaktdrücke zwischen Zylinder und Ring verhindert,
kein Fresstoeintritt und sich im Gegensatz eine außergewöhnlich
gute Abdichtung ergibt.
Wenn sich der Dichtungsträger 16 in der beschriebenen
Weise radial ausdehnt, kann sich neben dem Ring 19 kein
Spalt öffnen und die Schwierigkeiten der bekannten Anordnungen, bei denen der Dichtungsring leicht in einen solchen Spalt ausgedrückt
wurde» wenn dieser unter den Betriebsbedingungen größer wurde, werden vermieden. Wenn, wie vorzuziehen, die
radiale Ausdehnung des Dichtungsträgers bei zunehmendem Betriebdruck größer ist, als die des Zylinders* wird die durch
den Ring 19 bewirkte Druckdichtung praktisch laufend dichter. Im Grenzfall» bei welchem die radiale Ausdehnung des Trägers
diesen beim normalen Betriebsdruck in Berührung mit der Zylinderwand bringt, ist überhaupt kein Zwischenraum mehr vorhanden,
durch das das Material des Ringes 19 austreten könnte und die Dichtung kann daher auch nicht durch ein solches Ausdrucken
in einen Zwischenraum versagen.
Die guten Betriebseigenschaften der in den Figuren 1 bis 4
dargestellten Dichtungen hängen von zwei Faktoren ab: Der erste Faktor besteht, wie beschrieben, in einem Eintreten des Druckmediums
m in den Zwischenraum i, wo er einen radial nach außen gerichteten Druck auf die Innenfläche des Dichtungsträgers
ausübt. Der zweite Faktor besteht darin, daß die Fläche des Trägers 16, auf die dieser nach außen gerichtete Druck einwirkt,
größer sein muß, als die Fläche des Trägers 16, auf die der nach innen gerichtete Druck wirkt, der vom Dichtungsring
19 aus geht, wenn dieser unter dem Druck des Druckmediums m
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steht. Dieser zweite Faktor ist natürlich unerläßlich und die
in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Dichtung würde nicht in der beabsichtigten Weise arbeiten, wenn der Dichtungsring
und die ihn aufnehmende Nut 17 des Trägers so groß wären, daß die von dem im Ring 19 entwickelten Druck p_ beaufschlagte
Fläche gleich oder größer als diejenige Fläche des Trägers 16 wäre, auf die der nach außen gerichtete Druck pQ
wirkt. -
Damit die beschriebene Dichtungsanordnung einwandfrei arbeitet, muß außer der Abdichtung durch den Ring 19 außerdem
noch verhindert werden, daß das Druckmedium m aus dem
Zwischenraum i längs der Unterseite des Dichtüngsträgers in den Zwischenraum g entweicht. Dies wird durch die folgende
Dichtungsanordnung gewährleistet;
Das Druckmedium m übt auf den Dichtungsträger 16 eine
nach unten gerichtete Kraft aus, die gleich dem Druck im Me=*
diüm m multipliziert mit der gesamten Oberfläche des Dichtungsträgers einschließlich des Ringes 19 ist. Dieser nach unten
gerichteten Kraft setzt der Dichtungsring 20 eine auf den Dichtungsträger
16 nach oben wirkende Kraft entgegen, die ihre Ursache in einem hydrostatischen Druck im Ring 20 hat, die
ähnlich der im Ring 19 entwickelten Kraft ist und dadurch entsteht,
daß der Druck des Mediums m im Zwischenraum i auf
den Dichtungsring 20 wirkt. Außerdem kann man annehmen.
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- li -
daß bevor die Dichtung vollkommen geworden ist, eine zu··
sätzliche nach oben gerichtete Kraft auf den Träger 16 dadurch wirkt, daß anfänglich etwas Druckmedium m am Ring
vorbei in den Zwischenraum zwischen der Unterseite des Trägers 16 und der entsprechenden Fläche der Nut 14 strömt.
Das in diesem Zwischenraum befindliche Druckmedium m übt dann einen nach oben gerichteten Druck auf den Teil der
Unterseite des Trägers 16 aus, die diesen Zwischenraum begrenzt.
Angenommen, der durch den Ring 20 und das Medium m in dem erwähnten Zwischenraum erzeugte und auf den Träger
in Richtung nach oben wirkende Druck sei dem Betrag nach gleich dem auf die Oberseite des Trägers nach unten wirkenden
Druck, so ist doch die Fläche des Trägers 16, auf die ein nach oben gerichteter Druck wirkt } offensichtlich beträchtlich
kleiner, als die Fläche, auf die ein nach unten gerichteter Druck gleichen Betrages wirkt, da im Zwischenraum g ein
vernachlässigbar kleiner Druck herrscht(Figur 3). Die resultierende
Vertikalkraft 16 ist also nach unten gerichtet und drückt den Dichtungsring 20 zwischen der oberen Fläche der
Nut 18 und der horizontal verlaufenden unteren Fläche der Nut zusammen. Der auf diese Weise zwischen den oben bzw. unten
befindlichen anliegenden Flächen zusammengedrückte Ring bildet eine einwandfreie Druckdichtung,, die ein dauerndes
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Abfließen des Druckmediums m im Zwischenraum i verhindert. Da die auf den Träger 16 resultierende, nach unten
gerichtete Kraft außerdem die Unterfläche des Trägers 16
gegen die entsprechende nach oben weisende Fläche der Nut drückt, ist kein Zwischenraum vorhanden, durch den das Material
des Ringes 20 ausgedrückt werden könnte, so daß schließlich die Ringdichtung versagen würde. Bei dieser Druckbe^
rührung nimmt die Kraft, mit der die Unterseite des Trägers gegen die Auflagefläche angedrückt wird, mit dem Druck im
Medium m zu, erstens, da - abgesehen von einer radialen Ausdehnung des Trägers 16 - die resultierende, nach unten
gerichtete Kraft auf den Träger 16 dem Druck im Medium m
direkt proportional ist und zweitens, da die radiale Ausdehnung des Trägers 16 mit wachsendem Druck die nach unten weisende
Fläche innerhalb der Nut 14, die die einzige Fläche darstellt,
auf die vom Druckmedium ein nach oben gerichteter Druck aus** geübt werden kann, laufend verkleinert. Die beschriebene Dichtungsanordnung
dichtet sich also selbst ab, so daß kein Druckmedium
m am Ring 20 vorbei austreten kann.
In Figur 5 und 6 ist eine statische Dichtungsanordnung
dargestellt. Ein Druckgefäß 23 ist mit Flanschen 21, 22 versehen, die aneinander angrenzende, passende Flächen 21a bzw.
22a aufweisen und am Innenumfang mit zwei Ausnehmungen 24a versehen sind. Wenn die Flanschen aneinander anliegen, bilden.
. -13-
die Ausnehmungen 24a eine einzige Ringnut 24. Die Ringnut 24 nimmt einen ringförmigen Dichtungsträger auf, der einen Außenrand
und ein Stegteil 26 enthält, das durch eine Verjüngung des Trägers vom Außenrand nach innen gebildet wird. Der Querschnitt
des Trägers 25 ist also in erster Näherung T-förmig.
Trägers Wie dargestellt, liegt die Außenfläche des Randes des 25 an der rückwärtigen Fläche der Nut 24 an. Die waagrechte
Mittelebene des T-förmigen Trägers fällt in Figur 5 mit der Berührungsebene der Flanschflächen 21a, 22a zusammen. Dieses
Zusammenfallen ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, solang die Basis oder der Rand des Dichtungsträgers die erwähnte
Berührungsfläche deckt. Die Mittelebene des Trägers und die Berührungsebene der Flanschflächen 21a, 22a können also gegeneinander
versetzt sein, wenn z.B. die Nut 24 durch Ausnehmungen 24a gebildet wird, die in senkrechter Richtung verschiedene
Abmessungen haben, so daß sich die Berührungsebene der Flanschen nicht in der Mitte der Nut 24 befindet.
In den Zwischenräumen zwischen dem Stegteil 26 des Dichtungsträgers und der oberen bzw. unteren Fläche der Nut 24
sind geeignete Dichtungen 27, 28 angeordnet, beispielsweise Gummi·· oder Stahlringe mit O-, V-förmigem, quadratischem
oder beliebig anders geformtem Querschnitt. Die Spitze 26a am inneren Ende des Steges 26 ist etwas verbreitert ausgebildet,
so daß die Dichtungen in der vorgesehenen Lage gehalten werden.
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Statt dessen kann auch eine andere Anordnung, wie ein Sprengring,
verwendet werden.
Wie Figur 6 zeigt, werden die Dichtungsringe 27, 28 radial nach außen gedrückt, wenn die Dichtungsanordnung von innen
unter Druck gesetzt wird. Wenn sich die Dichtungsringe jedoch so ausdehnen, werden sie in Bereiche mit stetig abnehmendem
Volumen gepreßt, die durch die verlaufenden Flächen des Dichtungsträgers 25 und der oberen bzw. unteren Fläche der Nut
gebildet werden. Der Grad der Volumenabnahme dieser Bereiche in Abhängigkeit vom radialen Abstand in Richtung nach außen
kann durch entsprechende Bemessung der Neigung der schrägen
Flächen des Stegteils 26 des Dichtungsträgers 25 bemessen
werden. " ■
Mit anderen Worten gesagt bewirkt der auf die Ringe 27,28
einwirkende Druck, daß diese bei ihrer radialen Expansion durch die schrägverlaufende Anlagefläche am Träger 25a gegen die
Oberfläche der Nut 24, mit der der Ring Kontakt macht, gedrückt und zwischen die genannten Flächen eingekeilt wird. Wenn
der Druck wächst, werden die beiden Ringe also immer stärker
zwischen die Flächen des Trägers und der Nut, an denen sie
anliegen, hineingedrückt, so daß die Abdichtung immer fester
wird.
Wenn der Innendruck wächst, neigen die Flanschflächen 21a,
22a dazu, sich voneinander abzuheben, so daß ein Zwischenraum 28a
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U23437
(Figur 6) entsteht, außerdem drehen sie sich in einer Ebene, die die Achse der Verbindung enthält, in bezug aufeinander.
Die Dichtungsringe können sich jedoch nicht in die Öffnung bewegen, da sie beide von dieser öffnung durch den Außenrand
oder die Basis des Dichtungsträgers getrennt sind. Auchjwenn
der Abstand der Flanschflächen beträchtliche Werte annimmt, verhindert der Dichtungsträger, der aus Stahl bestehen kann
und seine maximale Dicke am Außenrand hat, ohne weiteres
Versagen der Dichtung infolge eines Ausquetschens der Dichtungsringe durch die gebildete Öffnung.
Die Trennung der Flansche bewirkt natürlich, daß der Abstand der oberen und unteren Fläche der Nut 24 mit wachsendem
Druck zunimmt, die verlaufenden Flächen des Stegteiles des Trägers 25 sind jedoch so bemessen, daß ihre
Neigung im Effekt auch dann noch eine Keilwirkung auf die Ringe 27, 28 ausübt, wenn sich der Abstand der Nutflächen
vergrößert hat.
Die üblichen Flanschdichtungsanordnungen unterscheiden sich von der in Figur 5 und 6 dargestellten Dichtungsanordnung
darin, daß der Dichtungsring direkt zwischen die aufeinander passenden Flanschflächen der Dichtung eingesetzt ist. Hierdurch
ergeben sich eine Reihe von Nachteilen. Als erstes werden, was
für jede Art von Flanschdichtung gilt, die getrennten Hälften unter Druckfcnclbelastungen ausgesetzt, die die beiden Hälften
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zu trennen streben. Jeder Einrichtfehler der beiden verschraubten Hälften bewirkt außerdem, daß die Endbelastung
zu einer Drehung einer Hälfte der Verbindung bezüglich der anderen in einer die Verbindungsachse enthaltenden Ebene
führt. Bei Flanschverbindungen treten also bei Druckbelastungen gewöhnlich sowohl Achsial- als auch Winkelbewegungen aufi
Wenn nun der Dichtungsring oder dergleichen wie üblich
zwischen den aufeinander passenden Flanschflächen angeordnet ist, tritt bei nennenswerten achsialen oder winkelmäßigen Bewegungen
der Verbindung sofort eine Erweiterung der Dichtung auf. Bei den bekannten Flanschdichtungen hat es sich daher
als erforderlich e rwiesen, die Hälften durch Bolzen oder
dergleichen zu verbinden, die unter Vorspannung stehen, so daß die Flanschen und der Dichtungsring einer umgekehrten Verformung
unterworfen werden, die bis zu einem bestimmten Maß die Achsial- und/oder Winkelverformungen aufhebt, die bei Belastungen
in der Dichtung auftreten. Trotz der durch diese Vorspannung erzielten Verringerung der Verformung solcher
Dichtungen sind gewisse Ringe oder ähnliche Dichtüngsanordnungen
derart empfindlich gegen Verformungen der Dichtungsanordnung, daß sie nur bei verhältnismäßig niedrigen Drücken eine einwandfreie
Dichtung gewährleisten, aber auch gegen Verformungen unempfindlichere Dichtungen erlauben nur wenig höhere Arbeitsdrücke. Außerdem bringt ein Arbeiten mit Vorspannung den Nach-
-17-
teil mit sich, daß Schraubenbolzen verhältnismäßig großen
Querschnittes verwendet werden müssen, die sowohl der
Vorspannung als auch der Betriebslast widerstehen können. Weiterhin müssen auch die Flanschen eine zu den großen
Bolzen passende f beträchtliche Größe besitzen.
Ein anderer den üblichen Flanschanordnungen, bei denen
die Flansche durch Schraubenbolzen verbunden sind, naturgemäß M
anhaftender Nachteil besteht darin, daß bei Drehungen der
Flanschhälften in einer die Verbindungsachse enthaltenden Ebene, der Außenrand der Flanschen als Drehpunkt wirkt und
die Belastung der Bolzen entsprechend vergrößert wird* Die durch die Hebelwirkung verursachte zusätzliche Belastung der
Bolzen hat in der Vergangenheit häufig zu einem Versagen der Bolzen und damit der Flanschverbindung selbst geführt.
Im folgenden soll nun ein Ausführungsbeispiel der Er» λ
findung in Form einer statischen Dichtung beschrieben werden,
bei der alle oben erwähnten Nachteile der bekannten verschraubten Flanschverbindungen vermieden werden. Figur 4
zeigt eine Dichtung mit einem oberen und unteren Flansch 29 bzw, 30, die die Enden zweier getrennter Teile eines Druckbehälters
oder dergleichen bilden. In den Innenrand des unteren Flansches 30 ist eine längs des Umfanges verlaufende Ringnut
eingeschnitten, in der eine im Querschnitt rechteckige Dich-
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tungsträgeranordnung 32 liegt. Der Außendurchmesser des Dichtungsträgers liegt satt an der Außenfläche der Nut 31 im
unteren Flansch 30 an/ die Innenfläche des Dichtungsträgers fluchtet mit der Innenfläche des unteren Flansches» Die Vertikal»
abmessung des Dichtungsträgers ist größer als die Tiefe der
Nut 31 und zwischen den gegenüberliegenden Flächen der beiden Flansche ist daher ein Zwischenraum 33 vorhanden.
Wie Figur 7 zeigt, werden die Flansche 29,33 die außen
mit Ansätzen 35, 36 versehen sind, vorzugsweise mit einer aus zwei getrennten Hälften bestehenden, geteilten Klammer verbunden,
von der nur eine Hälfte 34 dargestellt ist. Die beiden
Klammerhälften können miteinander an den beiden diametral gegenüberliegenden Steifen," wo die Hälften aneinander anliegen,
durch jeweils eine obere und untere Schraube 37, 38 verbunden
sein» Alternativ kann ein massiver Ring um die geteilte Klammer
gelegt werden, um die beiden Hälften zusammenzuhalten, „
An Stelle der Klammer können die Flansche auch durch achsiale Bolzen verbunden werden, eine Vorspannung der Bolzen
ist dabei nicht erforderlich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß zur Verbindung der Flanschanordnung Schwenkbolzen
oder Keile verwendet werden können. Zur Verbindung der Flanschen
in Kombination mit der in Figur 7 dargestellten Dichtungsanordnung
können also.die verschiedensten Anordnungen verwendet werden.
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XU
In einer Umfangsnut 39, die in die Außenseite des
nhgförmigen Dichtungsträgers 32 eingeschnitten ist, befindet sich eine übliche Dichtung 40, beispielsweise ein torrusförmiger
Dichtungsring aus Stahl oder Gummi, ein Dichtungsring mit halbmondförmigem, k-förmigem Querschnitt usw. Ein entsprechender
Ring 41 befindet sich in einer Ringnut 42 in der oberen waagrechten Fläche 43 des Dichtungsträgers 32.
Wenn das Innere der Flanschdichtung unter Druck gesetzt wird, wird der Dichtungsträger 32 durch die auf ihn einwirkenden
Kräfte nach außen gegen die radial äußeren Flächen der Flanschnut 31 und außerdem gegen die waagrechte Fläche des oberen
Flansches gedrückt. Die auf den Dichtungsträger wirkenden Kräfte haben ihre Ursache in unkompensierten Drücken, die
auf folgende Weise zustande kommen:
Die gesamte Fläche der Innenseite des Dichtungsträgers
ist dem Systemdruck ausgesetzt, während nur der Teil der *
Außenfläche des Dichtungsträgers unterhalb der Dichtung 40 diesem Druck unterworfen ist. Der Dichtungsträger 32 wird
außerdem^ durch den auf seine untere waagrechte Fläche wirkenden Druck nach oben gedruckt. Da die Dichtung 41 in der
vertikalen Mittelebene des Dichtungsträgers 32 liegt, ist die auf den Dichtungsträger nach unten wirkende Kraft kleiner,
als die nach oben wirkende Kraft, so daß die resultierende Kraft den Trägerkörper nach oben drückt. Die Dichtungsringe 40,
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der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform sind den Dichtungsringen
20 bzw. 19 der Ausführungsform der Figur 1 bis 4 analog, so daß die Arbeitsweise der in Figur 7 dargestellten
Ausführungsform ohne weiteres anhand der oben gegebenen Erklärungen verstanden werden kann.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform nimmt die Gefahr eines Versagens der Dichtung mit zunehmendem
Druck nicht zu, da bei den Ringen 40, 41 keine Öffnungen vorhanden sind, durch die diese Ringe ausgepreßt werden könnten.
Höhere Drücke im System bewirken nur, daß die Dichtungen
fester gegen die Anlageflächen gedrückt werden. Da zwischen den Flanschflächen schon von vorneherein ein Zwischenraum 33
vorhanden ist, beeinträchtigt eine relative Drehung der Flansche unter Druck in einer die Achse der Flanschverbindung enthaltenden
Ebene nicht die Wirksamkeit der Dichtung, da sich der Auflagepunkt am Außenrand des Dichtungsträgers und nicht
am Außenrand der Flansche befindet, wie es bei den bekannten
Anordnungen der Fall ist, so daß bei der dargestellten Anordnung eine Relativdrehung der Flansche nicht zu einer Erweiterung
des abzudichtenden Zwischenraumes führt. Das Dichtungselement in der Außenseite des Dichtungsträgers wird in seiner Wirkung
durch die Drehung der Flanschflächen nicht beeinträchtigt, obwohl s*e sich ziemlich nahe dem Drehpunkt befindet.
Ein wichtiger Vorteil der neuartigen Flanschanordnung be«
-21-
darin, daß im Dichtungsträger übliche Dichtungselemente verwendet werden, ohne daß für spezielle Systeme besondere
Dichtungen entwickelt werden müssen. Wenn die Temperatur nicht zu hoch ist, können mit Erfolg gewöhnliche O-Ringe
aus synthetischem Kautschuk verwendet werden. Bei höheren Temperaturen sind im allgemeinen O-Ringe aus Stahl erforderlich.
Für alle Arten von Dichtungen kann der gleiche Dichtungsträgerring verwendet werden.
Selbstverständlich kann ein Fachmann die beschriebenen Ausführungsbeispiele in vieler Hinsicht abwandeln. So kann
beispielsweise bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform die Nut 17 für den Ring 19 im Träger 16 achsial etwas
weiter unten angeordnet werden, so daß die Außenseite des Trägers mit der Nut 17 dann einen U-förmigen Querschnitt
hat oder die Nut 18 für den Ring 20 kann sich in der Mitte zwischen dem Innen- und Außenrand des Trägers 16 befinden,
so daß die die Nut 18 enthaltende Seite des Trägers dann ebenfalls einen U-förmigen Querschnitt hat. Beide Maßnahmen
können natürlich gleichzeitig getroffen werden. In entsprechender Weise kann bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform
die Nut 39 an der linken unteren Eckejdes Trägers 32 angeordnet werden, der dann einen L-förmigen Querschnitt hat
und / oder die Nut 42 kann an der oberen rechten Ecke des Trägers 32 angeordnet werden, so daß sich hier ebenfalls eine
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L-förmige Ausnehmung ergibt. Die Lage der beiden Nuten
in den Trägern der Figur 1 oder 7 ist also nicht kritisch, solange die in sie eingesetzten Dichtungsringe eine Lage einnehmen,
bei denen die erwähnten Druckverhältnisse herrschen.
Weder der Träger 16 noch der Träger 32 müssen notwendigerweise einen rechteckigen Querschnitt haben, der Querschnitt
kann vielmehr auch mehr oder weniger abgerundet sein und die Nuten, die die Träger aufnehmen, werden dann entsprechend
geformt, um einen geeigneten Sitz für die Träger bilden zu können. Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform ist
es zwar vorzuziehen, daß die Flansche 29,30 einen gewissen
Abstand voneinander haben, wie es dargestellt ist, gewünschten«
falls können diese beiden Teile jedoch auch aneinander anliegen
und der Träger 32 wird dann in achsialer Richtung entsprechend verkürzt, so daß er achsial nicht über das Bauteil 30 hinaussteht,
wenn dfer sich in der Nut 31 befindet.
-23« 809808/0225
Claims (34)
1. Dichtungsanordnung, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Dichtungsträger (16,25,32) mit einer äußeren, einer
inneren und zwei einander achsial gegenüberliegenden Seiten, der durch ein von ihnen wirkendes Druckmedium, radial dehnbar
ist und zwei in achsialer Richtung beabstandete, koaxiale g
Dichtungsringe (19, 20;27, 28;40, 41) an einer ersten der einander
achsial gegenüberliegenden Seite sowie dem Bereich der anderen dieser Seiten und der Außenseite aufnimmt und dort an den
Dichtungsringen anliegt, wobei mindestens einer der Dichtungsringe im entspannten Zustand einen kleineren Außendurchmesser
hat, als der ringförmige Dichtungsträger.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander achsial gegenüberliegenden ™
Flächen durch zwei Keilflächen gebildet werden, die in Richtung radial nach innen aufeinander zulaufen und dem Querschnitt
des Trägerringes eine sich nach innen verjüngende Form verleihen; daß die beiden Dichtungsringe (27,28) auf den beiden
schrägen Keilflächen ruhen und durch den auf sie radial nach außen einwirkenden Druck radial ausdehnbar sind und daß beide
Dichtungsringe im ftmentspannten Zustand einen kleineren Außendurchmesser
besitzen als der Trägerring (25, Figur 5,6).
-24-
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Dichtungsringe (27, 28) gleichen _ Durchmesser besitzen.
4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das verlaufende Teil des Trägerringes in einen Innenrand ausläuft, der.in achsialer Richtung breiter
ist, als das Ende des zulaufenden Teiles des Trägerringes. ■
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenrand durch einen Feder- oder Sprengring gebildet wird.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenrand durch eine achsiale Verbreiterung des Querschnittes des Trägerringes gebildet wird.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Dichtungsring in der Außenseite des Trägerringes angeordnet ist.
8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Dichtungsring in einer ersten Ringnut liegt, die sich von der ersten der einander achsial gegenüberliegenden
Seiten in Achsrichtung in das Innere des Trägerringes erstreckt (Figur 3).
-25-
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut an der Innenseite des Trägerringes
liegt.
10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die erste Nut (18) sowohl achsial von der ersten der einander in Achsrichtung gegenüberliegenden Seiten
nach innen als auch radial von der Innenseite des Trägerringes ^j
nach außen erstreckt, so daß ihr Querschnitt etwa L-förmig ist.
11. Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut in der ersten der einander achsial
gegenüberliegenden Seiten in Radialrichtung zwischen der Außen« seite und der Innenseite des Trägerringes liegt.
12. Dichtungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut etwa U-förmig ist. ™
13. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dichtungsring in einer
• zweiten Ringnut in dem Trägerring angeordnet ist, der von dessen
Außenseite radial nach innen reicht.
14. Dichtungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die zweite Nut am Schnittpunkt der Außenseite und der zweiten der in Achsrichtung beabstandeten Seiten liegt.
-26-
809808/02 25
142543?
15. Dichtungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Nut sowohl von der Außenseite radial
nach innen als auch von der achsialen Seitenfläche achsial nach
' innen reicht und etwa L-förmig ist.
16. Dichtungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Nut in der Außenfläche in Achsrichtung
zwischen den beiden achsialen Begrenzungsflächen gebildet ist.
17. Dichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Nut einen etwa U-förmigen Querschnitt
hat.
18. Dichtungsanordnung nach einem, der Ansprüche 7 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring einen etwa rechteckigen
Querschnitt hat.
19. Einrichtung mit einer Dichtungsanordnung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend zwei durch einen abzudichtenden, ringförmigen Zwischenraum getrennte Bauteile
mit zueinander passenden Flächen, die zusammen eine durch den Zwischenraum unterbrochene Begrenzung einer im Betrieb
mit einem Druckmedium gefüllten Kammer bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (16) angrenzend an die beiden
Bauteile (10,11) zwischen der Kammer und dem Zwischenraum (g) so angeordnet ist, daß die beiden Dichtungsringe (19,20) an jeweils
-27-
809808/0225
in
CM
einem der Bauteile (11, 10) und dem Trägerring (16) so anliegen,
daß der erste Dichtungsring das erste Bauteil und der zweite Dichtungsring das zweite Bauteil gegenüber dem Trägerring
abdichtet und ein Austreten des Druckmediums in den Zwischenraum (g) verhindert.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtungsanordnung auf den Druck des Druckmediums "
anspricht, indem die beiden Dichtungsringe im Betrieb zwischen
den Trägerring und das jeweilige Bauteil gedrückt werden.
21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil (11) hohl ist und eine zylinderische
Innenwand besitzt, die die Kammer umgibt und durch den Druck des Mediums weniger ausgedehnt wird, als der Trägerring und
daß die Außenseite des Trägerringes innerhalb der Wand liegt und durch die relativ größere Ausdehnung des Trägerringes als
die Ausdehnung der Wand eine mit wachsendem Druck steigende Drosselung des aus der Kammer zwischen dem zweiten Bauteil
und der Dichtungsanordnung in den Zwischenraum (g) austretenden
Mediums bewirkt.
OO
°
22. Einrichtung nach Anspruch 19,20 oder 21, dadurch
cn
ο gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bauteile angrenzend
a>
an den Zwischenraum (g) eine ringförmige Ausnehmung aufweist,
injSder die Dichtungsanordnung angrenzend an beide Bauteile angeordnet
ist.
- 28 - .■■■■■■■
23. Einrichtung nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Bauelement hohl ist und mit einem Ende an einem Ende des zweiten Bauelementes unter Bildung
einer Verbindung angrenzt, wobei die beiden zueinander passenden Flächen sich an den Enden der Verbindung befinden und daß die
ringförmige Ausnehmung mindestens zum Teil durch eine Ringnut
in dem zweiten Bauelement beim Schnittbereichides kreisförmigen Wandteiles und der passenden Fläche des zweiten
Bauelementes gebildet wird.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß beide Bauteile an den aneinander angrenzenden Enden mit einem Flansch versehen sind und daß die beiden Flansche miteinander
gekuppelt sind.
25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche durch Schraubenbolzen verbunden sind.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenbolzen nicht vorgespannt sind.
27. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flansche durch eine geteilte Ringklammer gekuppelt
sind.
-29-
28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil einen im Querschnitt
kreisförmigen Wandbereich besitzt, der die Druckkammer bei der Verbindung umgibt und daß eine ringförmige Ausnehmung
zur Hälfte durch eine Nut im zweiten Bauelement und zur Hälfte durch eine entsprechende Nut im ersten Bauelement am Schnittpunkt
des Wandbereiches und der zueinander passenden Flächen gebildet ist; daß die Einrichtung eine Dichtungsanordnung nach
einem der Ansprüche 2 bis 6 enthält und daß die Dichtungsanordnung
so angeordnet ist, daß der Trägerring in der Ausnehmung liegt und der eine Dichtungsring einen Teil des ersten Bauelementes
berührt, der eine Seite der Ausnehmung bildet und der andere Dichtungsring einen Teil des zweiten Bauteiles berührt, das die
gegenüberliegende Seite der Ausnehmung bildet.
29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, |
dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Ausnehmung durch die Nut im zweiten Bauelement gebildet wird und einen L-fÖrmigen
Querschnitt besitzt, so daß sie sowohl in Richtung auf die Kammer als auch auf die Paßfläche des ersten Bauteiles offen
ist; daß die Einrichtung eine Dichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 17 enthält und daß der Trägerring in der
Ausnehmung so angeordnet ist, daß der erste Dichtungsring an dem ringförmigen Teil des ersten Bauelementes und der zweite
Dichtungsring an einem Teil des zweiten Bauelements anliegt,
80980 8/0225 ~30"
der radial außerhalb des Trägerringes die Ausnehmung umfaßt.
30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27
oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zueinander
passenden Flächen der beiden Bauteile soweit beabstandet sind, daß sie sich nicht berühren.
31. Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22 bei welcher
das zweite Bauelement das Äußere eines Zylinders und das erste Bauteil ein in dem Zylinder gelegener Kolben ist, dessen
Vorderende an die Kammer angrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Ausnehmung einen L-förmigen Querschnitt
hat und am Vorderende des Kolbens gebildet ist, dieses umfaßt
und sowohl in Richtung auf die Druckkammer als auch auf die Zylinderwand offen ist; daß die Einrichtung eine Dichtungsanordnung
gemäß einem der Ansprüche 7 bis 17 enthält und daß der Trägerring in der Ausnehmung so angeordnet ist, daß
der eine Dichtungsring an der Zylinderwand und der andere Dichtungsring an einem ringförmigen Bereich des Kolbens an
der der Kammer abgewandten Seite der Ausnehmung anliegt.
32. Einrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckmedium aus der Kammer in die Ausnehmung an
der Innenseite des Trägerringes eintreten und die radiale Ausdehnung
des Trägerringes bewirken kann..
8098 08/0225 ~31-
33. Einrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung in der ringförmigen
Ausnehmung durch eine Halterungs- oder Sperranordnung gehalten wird, die vor dem in seinem Sitz befindlichen Träger«
ring liegt und sich radial vom Kolben nach außen über den inneren Rand des Trägerringes erstreckt.
34. Einrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterungsanordnung aus dem Außenrand einer Deckplatte (12) besteht, die am Vorderende des Kolbens befestigt
ist.
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