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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.
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Das
Dichtelement und das zu dichtende Teil können aus einem Material bestehen.
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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.
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Das
Dichtelement ist vielfach wiederverwendbar, in korrosionsresistentem
Material ausführbar
und prinzipiell wartungsfrei.
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Die
Kompatibilität
zu existierenden Dichtungssystemen wird zumindest für die Vakuumdichtungstechnik
erreicht.
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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.
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Für wiederverwendbare
Dichtungen sind naturgemäß elastische
Verformungen, die die Geometrie und Oberfläche der Dichtungspartner nicht
schädigen,
vorteilhaft.
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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).
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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.
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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).
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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.
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Dichtungen,
die bei Wiederverwendbarkeit einen derartig großen Parameterbereich abdecken sind
derzeit nicht verfügbar.
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Weiter
sind nachfolgende Druckschriften zum Stand der Technik zu nennen:
Die
Lösung
nach DE-GM 1 840 241 beschreibt eine Flachdichtung bei der die Abdichtung
im Bereich der kreisförmigen
Gleitfläche
erfolgt.
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Die
Lösung
nach
US 1 825 962 ist
eine kegelsymmetrische Dichtung, sie hat ein Todvolumen.
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Die
Lösung
nach
US 1 699 217 beschreibt eine
Dichtung, bei der die Abdichtung auf der Spreizung der Dichtlippengeometrie
beruht.
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Die
Lösung
nach DE-GM 71 30 365 ist eine Abdichtung, die auf einer plastischen
Verformung beruht; es ist eine Flachdichtung mit Flächenpressung ohne
jegliche Kontur.
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Die
Lösung
nach
DE 42 27 316 A1 betrifft
ein Dichtprinzip, das auf nichtmetallischen Polymerdichtringen beruht.
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Die
Lösung
nach
DE 42 03 334 A1 beschreibt
ein Dichtungsprinzip, das auf metallischen Dichtringen beruht, die
durch Schneiden verformt werden.
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Die
Lösung
nach
DE 34 19 999 A1 stellt
eine plastisch deformierbare Dichtung dar, die als O-Ring bzw. mit rechteckigem
Querschnitt ausgebildet ist und bei Ausführung mit Metall zudem plastisch
verformt wird.
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Zusammenfassend
wird eingeschätzt,
dass dieser Stand der Technik nicht geeignet ist für Abdichtungen,
die bei Wiederverwendbarkeit in der Hochvakuumtechnik einen großen Parameterbereich abzudecken
haben.
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Deshalb
liegt der Erfindung 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.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch ein Dichtungssystem mit den in den Patentansprüchen 1 bis
13 aufgeführten
Merkmalen gelöst.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1: Schnittdarstellung eines speziell geformten,
rotationssymmetrischen Dichtelements
1a)
Zustand vor der Einführung
in den Dichtbereich
1b) Zustand
nach der Einführung
in den Dichtbereich
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2:
Schnittdarstellung des elastisch definiert verformten Dichtelements
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3: Kontur des Dichtelements in verschiedenem
Anwendungsfall
3a) Innendichtung
3b) Außendichtung
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4: Ausführung des Dichtelements mit druckbegrenzenden
Komponenten
4a) Druckbegrenzung
durch konstruktive Gestaltung
4b)
Druckbegrenzung durch separates Druckbegrenzungsstück
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5: Anwendungsfall als Rohrverschluss bzw.
-verbinder
5a) Rohrverschluss
auf Innenseite, Ausführung
mit separatem Druckbegrenzungsstück
5b) Rohrverschluss auf Außenseite,
Ausführung
mit integriertem Druckbegrenzungsstück
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6: Anwendungsfall Ausführung der Dichtung als zentrales
Element eines Ventils
6a) Dichtung
auf Ventilansatzinnenseite
6b)
Dichtung auf Ventilansatzaußenseite
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7: Anwendungsfall Modifizierung des KF-Vakuumdichtsystems
7a) Modifizierter KF-Verschluss
7b) Modifizierter KF-Verbinder
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8: Anwendungsfall Modifizierung des ISO-Apparateflanschsystems
8a) Modifizierter ISO-Apparateflanschverschluss
8b) Modifizierter ISO-Apparateflanschverbinder
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9: Anwendungsfall Modifizierung des ConFlat(R)-Vakuumdichtsystems
9a) Modifizierter CF-Flanschverbinder
9b) Modifizierte CF-Flanschverbindung
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In
der Figur ist das erfindungsgemäße Dichtungssystem
prinzipiell dargestellt, (siehe Schnittzeichnungen 1a, 1b).
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Ein
speziell geformtes, rotationssymmetrisches Dichtelement 1 wird
in den ebenfalls rotationssymmetrischen Aufnahmebereich des Dichtungspartners 2 ohne
Kraftaufwand eingeführt.
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Durch
axialen Druck, der durch die parallel zur Symmetrieachse der Dichtungskomponenten
wirkende Kraft F erzeugt wird, vgl. 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.
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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.
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Das
Dichtelement 1 hat die Form eines dünnwandigen Hohlzylinders mit
einer speziellen Kontur der äußeren Mantelfläche. Wie
ein axialer Schnitt durch das Dichtelement 1 verdeutlicht
(siehe 1a, b), beginnt diese Kontur
auf der Dichtseite als Wölbung
mit einem Krümmungsradius,
welcher der doppelten typischen Wandstärke entspricht und geht dann
in eine Gerade über.
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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 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.
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Die
Kontur des Dichtelements 1 kann, je nach Anwendungsfall,
sowohl auf der Außenseite
als auch auf der Innenseite des Hohlzylinders ausgebildet werden.
Der Aufnahmebereich des Dichtungspartners ist dementsprechend zu
gestalten (3a, b)
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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 (4a)
oder durch die Einführung
eines Druckbegrenzungsstücks 4 (4b) erfolgen.
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Die
Einführung
eines Druckbegrenzungsstücks 4 kann
zusätzlich
die Kompatibilität
zu vorhandenen Dichtungssystemen sichern.
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Im
folgenden werden weitere erfindungsgemäße Anwendungen des Dichtungssystems
beschrieben. Die dabei in Betracht gezogenen Materialien können sowohl
Metalle als auch Kunststoffe sein:
Die 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 Druckbegrenzungsstück 4 ausgeführt sein.
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Der
axiale Druck kann durch einen Schraubüberwurf, durch Klammerung,
Mehrfachverschraubung, Hebelverspannung u.ä. erzeugt werden.
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Zeichnerisch
nicht dargestellt folgendes Ausführungsbeispiel:
Rohrverbinder mit Innen- bzw. Außendichtung, mit bzw. ohne
Distanzelement. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wirkt das Dichtelement 1 als vermittelndes Element zwischen
zwei Rohrenden und ist separat ausgeführt. Die Begrenzung des axialen
Drucks kann durch ein separates Druckbegrenzungsstück 4 oder
entsprechende geometrische Gestaltung der Dichtungspartner 2 erfolgen.
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In
den 6a und 6b ist
die Ausführung
der Dichtung als zentrales Element eines Ventils dargestellt. Der
Einsatz eines separaten Druckbegrenzungsstücks 4 ist möglich. Der
axiale Druck wird vorzugsweise über
eine Gewindestange erzeugt.
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In 7a ist als ein Ausführungsbeispiel ein modifizierter
Vakuumkleinflanschverschluss dargestellt; es zeigt, wie ein modifizierter
Vakuum-Kleinflansch (KF) mit einem Blindflansch verschlossen wird.
Die Variante mit separatem Druckbegrenzungsstück 4 ist hier aufgezeigt.
Der axiale Druck wird durch eine KF-Klammer oder KF-Spannkette erzeugt.
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In 7b ist als Ausführungsbeispiel ein modifizierter
Vakuumkleinflanschverbinder dargestellt. Zwei modifizierte KF-Flansche
werden entsprechend 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.
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In 8a ist als Ausführungsbeispiel ein 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.
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In 8b ist als Ausführungsbeispiel ein 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.
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In 9a ist als Ausführungsbeispiel ein 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 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.
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In 9b ist als Ausführungsbeispiel eine 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 Druckbegrenzungsstück 4 verzichtet
werden. Wird ein Druckbegrenzungsstück 4 benutzt, so darf
es die Schneidringe nicht verletzen. Die volle Funktionalität der Schneidringdichtung
bleibt für
den Bedarfsfall erhalten.