DE19937482A1 - Dichtungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem, dessen zentrales Dichtungselement bei axialem Druck und damit verbundener elastischer Verformung aufgrund der besonderen Geometrie reversibel einen tangentialen, symmetrischen dichtenden Kontaktbereich mit dem zu dichtenden Teil ausbildet. DOLLAR A Das Dichtelement und das zu dichtende Teil können aus einem Material bestehen. DOLLAR A Bei der Ausführung von Dichtelement und zu dichtenden Teilen in Edelstahl ist die Dichtung in einem weiten Druckbereich (10 -10 -150 bar) und Temperaturbereich (-270 C-600 C) sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten einsetzbar. DOLLAR A Das Dichtelement ist vielfach wiederverwendbar, in korrosionsresistentem Material ausführbar und prinzipiell wartungsfrei. DOLLAR A Die Kompatibilität zu existierenden Dichtungssystemen wird zumindest für die Vakuumdichtungstechnik erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem, dessen zentrales Dichtelement bei axialem Druck und damit verbundener elastischer Verformung aufgrund der besonderen Geometrie reversibel einen tangentialen, symmetrischen dichtenden Kontaktbereich mit dem zu dichtenden Teil ausbildet.

Das Dichtelement und das zu dichtende Teil können aus einem Material bestehen.

Bei der Ausführung von Dichtelement und zu dichtenden Teilen in Edelstahl ist die Dichtung in einem weiten Druckbereich (10^-10-150 bar) und Temperaturbereich (-270°C-600°C) sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten einsetzbar.

Das Dichtelement ist vielfach wiederverwendbar, in korrosionsresistentem Material ausführbar und prinzipiell wartungsfrei.

Die Kompatibilität zu existierenden Dichtungssystemen wird zumindest für die Vakuumdichtungstechnik erreicht.

Dichtungen werden durch flächenhafte Zwangskontakte zwischen zwei Dichtungspartnern realisiert, die elastischen oder inelastischen Deformationen unterliegen. Diese Deformationen fallen je nach Materialart spezifisch aus. Alle denkbaren Kombinationen von Verformungen der Dichtungspartner (elastisch-elastisch, elastisch-inelastisch, inelastisch-inelastisch) werden technisch realisiert.

Für wiederverwendbare Dichtungen sind naturgemäß elastische Verformungen, die die Geometrie und Oberfläche der Dichtungspartner nicht schädigen, vorteilhaft.

Sind die mechanischen Eigenschaften der Dichtungspartner für eine direkte wiederverwendbare Dichtung ungünstig, da die Materialien nur wenig elastisch verformbar sind, wie z. B. Kupfer/Kupfer, benutzt man einen vermittelnden dritten Dichtungspartner, der entweder vergleichsweise gute elastische Verformungseigenschaften aufweist (z. B. Elastomere, Dichtungsaufbau: Stahl/Elastomer/Stahl) oder sich inelastisch verformt und als Verschleißteil eingesetzt wird (z. B. Kupfer, Dichtungsaufbau: Stahl/Kupfer/Stahl).

Diese Dichtprinzipien werden technisch umfangreich genutzt. Die Dichtung kann sowohl das Austreten eines Mediums vermeiden (z. B. bei Druckdichtungen) als auch das Eindringen eines Mediums verhindern (z. B. Bei Vakuumdichtungen). Anwendungen, bei denen beide Funktionen in Anspruch genommen werden (z. B. Ventile), sind ebenfalls verbreitet.

Aus naheliegenden technischen Gründen sind oft Dichtungen erforderlich, die einen Bereich kreisförmig abdichten (z. B. Rohrabdichtungen, Rohrverbinder im weitesten Sinne). Bedingt durch die technischen Anwendungen unterliegen diese Dichtungen extremen Anforderungen in Bezug auf die Temperaturbeständigkeit (Kryotechnik, Hochtemperaturanwendungen in der chemischen Industrie), die Druckbeständigkeit (Vakuumtechnik, Hydraulik) und die chemische Beständigkeit (Korrosion).

Für die verschiedenen technischen Anwendungsgebiete wurden aufgrund der stark unterschiedlichen Einsatzcharakteristika spezielle Dichtungssysteme eingeführt, die aber alle nur in einem begrenzten Parameterbereich verwendbar sind. Beispielhaft soll dies für vakuumtechnische Dichtungen aufgezeigt werden:

Die bisher in der Vakuumtechnik eingesetzten Dichtungen erzeugen durch Verformung von Elastomer- oder Metallringen (vermittelnde Dichtungspartner) eine Kontaktfläche zwischen den zu dichtenden Flächen. Die Elastomerdichtringe haben den Nachteil, daß sie lediglich in einem eingeschränkten Temperaturbereich eingesetzt werden können. Bei Temperaturen unter -40°C und über 150°C führt die Materialversprödung bzw. -zersetzung der Elastomere zu Undichtigkeiten. Jenseits dieser Grenztemperaturen werden daher üblicherweise Metalldichtringe (z. B. aus Kupfer) verwendet, die von -270°C bis zu 450°C eingesetzt werden können. Diese Metallringe werden jedoch inelastisch deformiert und können nur einmalig verwendet werden. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metalldichtring und Flanschmaterial (z. B. Edelstahl/Kupfer/Edelstahl) bedingen zusätzliche Probleme. Bei einem Wechsel von sehr hohen zu sehr niedrigen Temperaturen vermindert sich der die Kontaktfläche erzeugende Druck, die Deformation des Metalldichtrings ist aber inelastisch erfolgt und daher unumkehrbar. Somit werden weitere Maßnahmen, in der Regel eine zusätzliche Druckerhöhung, erforderlich.

Dichtungen, die bei Wiederverwendbarkeit einen derartig großen Parameterbereich abdecken sind derzeit nicht verfügbar.

Der angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine sowohl hochvakuumdichte als auch hochdruckfeste Dichtungstechnik zu entwickeln, die im Temperaturbereich von -270°C bis 600°C einsetzbar und vielfach wiederverwendbar ist. Die Dichtungstechnik soll durch leicht montierbare, korrosionsfeste und weitgehend wartungsfreie Elemente realisiert werden. Die Kompatibilität zu existierenden Dichtungssystemen soll zumindest für die Vakuumdichtungstechnik erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Dichtungssystem mit den in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, mit einer einzigen, technisch praktikablen, funktionellen Geometrie eine Dichtung herzustellen, die einen weiten Parameterbereich (Druck, Temperatur) kompatibel zu vorhandenen Dichtsystemen und wiederverwendbar bedient, der bisher nur durch verschiedene Dichtungsgeometrien und prinzipien abgedeckt werden konnte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schnittdarstellung eines speziell geformten, rotationssymmetrischen Dichtelements

• 1. Zustand vor der Einführung in den Dichtbereich
• 2. Zustand nach der Einführung in den Dichtbereich

Fig. 2 Schnittdarstellung des elastisch definiert verformten dichtenden Elements

Fig. 3 Kontour des Dichtelements in verschiedenem Anwendungsfall

• 1. Innendichtung
• 2. Außendichtung

Fig. 4 Ausführung des Dichtelements mit druckbegrenzenden Komponenten

• 1. Druckbegrenzung durch konstruktive Gestaltung
• 2. Druckbegrenzung durch separates Distanzstück

Fig. 5 Anwendungsfall als Rohrverschluß bzw -verbinder

• 1. Rohrverschluß auf Innenseite, Ausführung mit separatem Distanzstück
• 2. Rohrverschluß auf Außenseite, Ausführung mit integriertem Distanzstück
• 3. Rohrverbinder mit Innendichtung mit Distanzelement
• 4. Rohrverbinder mit Außendichtung mit Distanzelement

Fig. 6 Anwendungsfall Ausführung der Dichtung als zentrales Element eines Ventils

• 1. Dichtung auf Ventilansatzinnenseite
• 2. Dichtung auf Ventilansatzaußenseite

Fig. 7 Anwendungsfall Modifizierung des KF-Vakuumdichtsystems

• 1. Modifizierter KF-Verschluß
• 2. Modifizierter KF-Verbinder

Fig. 8 Anwendungsfall Modifizierung des ISO-Apparateflanschsystems

• 1. Modifizierter ISO-Apparateflanschverschluß
• 2. Modifizierter ISO-Apparateflanschverbinder

Fig. 9 Anwendungsfall Modifizierung des ConFlat(R)-Vakuumdichtsystems

• 1. Modifizierter CF-Flanschverbinder
• 2. Modifizierte CF-Flanschverbindung

In Figur ist das erfindungsgemäße Dichtungssystem prinzipiell dargestellt, (siehe Schnittzeichnungen Fig. 1a, 1b).

Ein speziell geformtes, rotationssymmetrisches Dichtelement 1 wird in den ebenfalls rotationssymmetrischen Aufnahmebereich des Dichtungspartners 2 ohne Kraftaufwand eingeführt.

Durch axialen Druck, der durch die parallel zur Symmetrieachse der Dichtungskomponenten wirkende Kraft F erzeugt wird, vgl. Fig. 2, wird das Dichtelement definiert elastisch verformt und bildet mit dem Dichtungspartner 2 einen rotationssymmetrischen, dichtenden Kontaktbereich 3 aus. Da auch in der Kontaktfläche eine elastische Verformung der Oberflächen von Dichtelement 1 und Dichtungspartner 2 stattfindet, ist dieser Vorgang reversibel, das heißt, der Kontakt ist ohne Beschädigung der Dichtflächen lösbar. Somit läßt sich das Dichtelement bei Wegfall des axialen Drucks ohne Kraftaufwand wieder aus dem Aufnahmebereich des Dichtungspartners entfernen. Die Dichtungskomponenten können in gleicher Weise wiederverwendet werden.

Die definierte, elastische Verformung des Dichtelementes 1 infolge Einwirkung der Kraft F wird durch seine spezielle Geometrie, die Geometrie des Aufnahmebereichs des Dichtungspartners 2 erreicht.

Das Dichtelement 1 hat die Form eines dünnwandigen Hohlzylinders mit einer speziellen Kontour der äußeren Mantelfläche. Wie ein axialer Schnitt durch das Dichtelement 1 verdeutlicht (siehe Fig. 1a, b), beginnt diese Kontour auf der Dichtseite als Wölbung mit einem Krümmungsradius, welcher der doppelten typischen Wandstärke entspricht und geht dann in eine Gerade über.

Diese geometrische Form der Dichtlippe bewirkt bei axialem Druck auf das Dichtelement 1 eine Zwangsbewegung, und zwar rollt dieses, an der Spitze beginnend, über seine gewölbte Dichtlippe an der vertikalen Aufnahmefläche des Dichtungspartners 2 gemäß der in Fig. 2 skizzierten Art und Weise ab. Dadurch wölbt sich das Dichtelement nach außen, bis die horizontale Aufnahmefläche des Dichtungspartners 2 tangential an der Dichtlippe des Dichtelements 1 anliegt. Auf diese Weise bildet sich ein rotationssymmetrischer, dichtender Kontaktbereich 3 zwischen Dichtelement 1 und Dichtungspartner 2 aus.

Die Kontour des Dichtelements 1 kann, je nach Anwendungsfall, sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite des Hohlzylinder ausgebildet werden. Der Aufnahmebereich des Dichtungspartners ist dementsprechend zu gestalten (Fig. 3a, b)

Die praktische Ausführung der Dichtung erfordert die Begrenzung des tangentialen Drucks, um im elastischen Verformungsbereich des Dichtelementes 1 zu bleiben. Diese Begrenzung kann durch die konstruktive Ausführung des Dichtelements (1) vorgegeben werden (Fig. 4a) oder durch die Einführung eines Distanzelementes 4 (Fig. 4b) erfolgen.

Die Einführung eines Distanzelementes 4 kann zusätzlich die Kompatibilität zu vorhandenen Dichtungssystemen sichern.

Im folgenden werden die weitere erfindungsgemäße Anwendungen des Dichtungssystems beschrieben. Die dabei in Betracht gezogenen Materialien können sowohl Metalle als auch Kunststoffe sein:

Die Fig. 5a, 5b zeigen ein Ausführungsbeispiel: Rohrverschluß mit Innen- bzw. Außendichtung; in dieser Ausführungsform können Rohre mit diesem Dichtungssystem axial verschlossen werden. Das Dichtelement 1 kann auf dem inneren Durchmesser oder dem äußeren Durchmesser angeordnet werden. Die Rohrverschlüsse können mit oder ohne Distanzelement ausgeführt sein.

Der axiale Druck kann durch einen Schraubüberwurf, durch Klammerung, Mehrfachverschraubung, Hebelverspannung u. ä. erzeugt werden.

Die Fig. 5c, 5d zeigen ein Ausführungsbeispiel: Rohrverbinder mit Innen- bzw. Außendichtung, mit bzw. ohne Distanzelement. Bei diesem Ausführungsspiel wirkt das Dichtelement 1 als vermittelndes Element zwischen zwei Rohrenden wirkt und ist separat ausgeführt. Die Begrenzung des axialen Drucks kann durch ein separates Distanzelement 4 oder entsprechende geometrische Gestaltung der Dichtungspartner 2 erfolgen.

In den Fig. 6a und 6b ist die Ausführung der Dichtung als zentrales Element eines Ventils dargestellt. Der Einsatz eines separaten Distanzelements 4 ist möglich. Der axiale Druck wird vorzugsweise über eine Gewindestange erzeugt.

In Fig. 7a ist ein Ausführungsbeispiel: Modifizierter Vakuumkleinflanschverschluß dargestellt; es zeigt, wie ein modifizierter Vakuum-Kleinflansch (KF) mit einem Blindflansch verschlossen wird. Die Variante mit separatem Distanzelelment 4 ist hier aufgezeigt. Der axiale Druck wird durch eine KF-Klammer oder KF-Spannkette erzeugt.

In Fig. 7b ist ein Ausführungsbeispiel: Modifizierter Vakuumkleinflanschverbinder dargestellt. Zwei modifizierte KF-Flansche werden entsprechend Fig. 7b verbunden. Das Dichtelement 1 ist als separates Teil ausgeführt. Im Bedarfsfall können die modifizierten KF-Flansche auch weiterhin mit konventionellen Dichtelementen genutzt werden. Der axiale Druck wird durch eine KF-Klammer oder KF-Spannkette erzeugt.

In Fig. 8a ist ein Ausführungsbeispiel: Modifizierter ISO-Flanschverschluß, -verbinder dargestellt. Ein Standard-ISO-Flanschverschluß läßt sich so modifizieren, daß er sowohl durch das konventionelle als auch durch das erfindungsgemäße System zu dichten ist. Der axiale Druck wird durch Klammern oder Verschraubung erzeugt.

In Fig. 8b ist ein Ausführungsbeispiel: Modifizierter ISO-Flanschverbinder dargestellt. Es zeigt, daß sich das erfindungsgemäße Dichtungssystem ebenfalls bei der Verbindung zweier modifizierter ISO-Flansche einsetzen läßt. Die konventionelle Funktionalität bleibt erhalten. Das Dichtungselement 1 ist als separates Bauteil ausgeführt, ebenso ist der Distanzring ? ein gesondertes Bauteil. Der axiale Druck wird durch Klammern oder Verschraubung erzeugt.

In Fig. 9a ist ein Ausführungsbeispiel: Modifizierter CF-Flanschverschluß, -verbinder dargestellt; es zeigt, daß sich Standard-CF-Flansche ebenfalls für den Einsatz mit dem Dichtungssystem modifizieren lassen. Bei dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 9a ist der Verschluß eines modifizierten Flansches mit dem erfindungsgemäßen System dargestellt. Die volle Funktionalität der Schneidringdichtung bleibt für den Bedarfsfall erhalten. Der axiale Druck wird durch Verschraubung realisiert.

In Fig. 9b ist ein Ausführungsbeispiel: Erweiterte CF-Flanschverbindung dargestellt. Hierbei ist die Verbindung zweier modifizierter CF-Flansche durch das erfindungsgemäße Dichtungssystem gezeigt. Die CF-Geometrie dieser Flansche erlaubt den direkten Kontakt der Stirnflächen zweier Flansche. Bei entsprechender Modifikation der Flansche und des Dichtelements 1 kann auf ein Distanzelement 4 verzichtet werden. Wird ein Distanzelement 4 benutzt, so darf es die Schneidringe nicht verletzen. Die volle Funktionalität der Schneidringdichtung bleibt für den Bedarfsfall erhalten.

Claims (1)

1. Dichtungssystem mit

• 1. einem zentralsymmetrischen Dichtungselement (1) definierter Geometrie, das bei axialem Druck durch elastische Verformung, deren Richtung und Betrag durch die spezielle Geometrie vorgeben ist, reversibel einen tangentialen, symmetrischen Kontaktbereich (3) mit einem zu dichtenden Dichtungspartners (2) ausbildet,
  • 1. 1.1. das zentralsymmetrische Dichtungselement (1) als rotationssymmetrisches Teil ausgeführt ist,
  • 2. 1.2. das zentralsymmetrische Dichtungselement (1) als Bauteil den dichtenden Kontaktbereich (3) auf seiner äußeren Mantelfläche ausbildet,
  • 3. 1.3. das zentralsymmetrische Dichtungselement (1) als Bauteil den dichtenden Kontaktbereich (3) auf seiner inneren Mantelfläche ausbildet,
• 2. einer Begrenzung des axialen Drucks auf das Dichtungselement (1) zur Sicherung eines elastischen Verformungsprozesses,
  • 1. 2.1. durch geometrische Gestaltung des Dichtungspartners 2),
  • 2. 2.2. durch ein Distanzelement (4),
  • 3. 2.2.1. das in einem Teil ausgeführt ist oder
  • 4. 2.2.2. das aus mehreren zu verbindenden Teilen besteht,
• 3. angepaßter Aufnahmeform für das zentralsymetrische Dichtelement (1),
  • 1. 3.1 das Aufnahmeform für das Dichtelement (1) als rotationssymmetrische Form ausgeführt ist,
  • 2. 3.2 das Aufnahmeform für das Dichtelement (1) für einen Kontaktbereich auf der Mantelfläche,
  • 3. 3.2.1. auf der inneren Mantelfläche als Hohlzylinder,
  • 4. 3.2.2. auf der äußeren Mantelfläche als Zylinder ausgeführt ist,
• 4. das Aufnahmenform und Dichtungspartner (2) in gleichem Material ausgeführt sind,
  • 1. 4.1. in Edelstahl ausgeführt sind,
  • 2. 4.2. in Kunststoff ausgeführt sind,
• 5. als Rohrverschluß bzw. -verbinder
  • 1. 5.1. mit integriertem Dichtelement (1),
  • 2. 5.1.1 mit innenliegender Dichtfläche,
  • 3. 5.1.1.1. mit integriertem Distanzelement (4),
  • 4. 5.1.1.2. mit separatem Distanzelement (4),
  • 5. 5.1.2. mit außenliegender Dichtfläche,
  • 6. 5.1.2.1. mit integriertem Distanzelement (4),
  • 7. 5.1.2.2. mit separatem Distanzelement (4),
  • 8. 5.2. mit separatem Dichtelement (1),
  • 9. 5.2.1 mit innenliegender Dichtfläche,
  • 10. 5.2.1.1. mit integriertem Distanzelement (4),
  • 11. 5.2.1.2. mit separatem Distanzelement (4),
  • 12. 5.2.2. mit außenliegender Dichtfläche,
  • 13. 5.2.2.1. mit integriertem Distanzelement (4),
  • 14. 5.2.2.2. mit separatem Distanzelement (4),
• 6. als Dichtungssystems als zentrales Element eines Ventils
  • 1. 6.1. mit innerer Dichtfläche,
  • 2. 6.1.1. bei Nutzung eines integrierten Distanzelements (4),
  • 3. 6.1.2. bei Nutzung eines separaten Distanzelements (4),
  • 4. 6.2. mit äußerer Dichtfläche,
  • 5. 6.2.1. bei Nutzung eines integrierten Distanzelements (4),
  • 6. 6.2.2. bei Nutzung eines separaten Distanzelements (4),
• 7. mit Dichtungspartner (2) als KF-Flansch mit erfindungsgemäßer Aufnahmeform,
• 8. mit Dichtungspartner (2) als KF-Flansch mit Dichtungselement (1),
• 9. mit Dichtungspartner (2) als ISO-Flansch mit erfindungsgemäßer Aufnahmeform,
• 10. mit Dichtungspartner (2) als ISO-Flansch mit Dichtungselement(1),
• 11. mit Dichtungspartner (2) als CF-Flansch mit erfindungsgemäßer Aufnahmeform ?
• 12. mit Dichtungspartner (2) als CF-Flansch mit Dichtungselement (1).