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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckausgleichsring zur Einlage
zwischen Rohrstirnflächen
beim unterirdischen Vortrieb von Rohren, wobei der Druckausgleichsring
ein oder mehrere Druckübertragungselemente
aus Elastomermaterial aufweist.
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Bei
der Verlegung von Rohrleitungen im Vorpressverfahren wird aus einzelnen,
aneinander gesetzten Vorpressrohren eine Rohrleitung gebildet, die dadurch
vorangetrieben wird, dass auf ihr hinteres Ende eine hohe axiale
Vorpresskraft ausgeübt
wird. An den Rohrstößen werden
die Rohrstirnflächen
folglich aufeinander gepreßt.
Um Beschädigungen
aufgrund ungleichmäßiger Spannungsverteilungen
vorzubeugen, muß insbesondere
bei Rohren aus relativ spröden
Materialien, z. B. Beton, Steinzeug und dergleichen, zwischen den
Rohrstirnflächen
ein flacher, axialer Druckausgleichsring eingelegt werden, der häufig auch
als Druckübertragungsring
bezeichnet wird. Diese Druckausgleichsringe aus nachgiebigem Material
gleichen punktuelle Spitzendrücke
aus, beispielsweise aufgrund von Unebenheiten und Kantenpressungen
bei axialen Abweichungen aus ungewollten und gewollten Auslenkungen,
beispielsweise bei Kurvenpressungen.
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Die
Druckausgleichsringe müssen
die gesamte axiale Vorpresskraft ohne Beschädigung aufnehmen können und
dabei eine möglichst
gleichmäßige Druckverteilung
auf die Rohrenden bewirken. Im Stand der Technik ist man diesen
Anforderungen bisher zumeist durch die Verwendung von Holzdruckausgleichsringen
begegnet, die entweder vollständig, oder
zumindest in den drucküber tragenden
Bereichen aus Holz bestehen. Eine derartige Ausführungsform ergibt sich beispielsweise
aus der
DE 296 14
582 U1 . Der darin beschriebene Druckübertragungsring hat als eigentliches
Druckübertragungselement
einen aus Holzwerkstoff bestehenden Kernring, der in seinem radialen
Außenbereich
von einem Hüllring
aus elastischem Material umgeben ist. Das im Vergleich zu Holzwerkstoff
relativ weiche Elastomermaterial übernimmt dabei allerdings lediglich eine
Dicht- und Anpassungsfunktion an die Rohrwandung, und keine Druckübertragung.
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Holzdruckausgleichsringe
haben allerdings den prinzipiellen, materialbedingten Nachteil,
daß sie beim
Rohrvortrieb durch die wirkende Axialkraft relativ stark plastisch
verformt werden und nur eine geringe elastische Rückfederung
haben. Im bleibend zusammengepressten Zustand, den das Holz bereits nach
dem ersten Zusammenpressen einnimmt, wird der gewünschte Druckausgleich
bzw. die gleichmäßige Druckverteilung
nicht mehr erreicht.
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Außerdem bringen
Holzdruckausgleichsringe mit der Zeit eine erhöhte Verkeimungsgefahr mit sich.
Durch abgelöste
Holzpartikel und -fasern kommt es darüber hinaus zur Verunreinigung
und unter Umständen
zur Beschädigung
von Armaturen, Behältern
und sonstigen Aggregaten. Eine Kontrolle bzw. Nachbesserungen von
eingebauten Holzdruckausgleichsringen ist insbesondere bei nicht
begehbaren, d. h. kleinkalibrigen Leitungen nach der Verlegung nicht
mehr durchführbar.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
079 064 A2 ist ein Druckausgleichsring bekannt, der eine
Mehrzahl von Druckübertragungselementen aus
Elastomermaterial aufweist, die in der Ebene des Druckausgleichsringes
beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Druckübertragungselementen
bleiben entsprechend Zwischenräume
frei. Da die verwendeten Elastomerwerkstoffe inkompressibel sind,
hat eine axiale Kompression der Druckübertragungselemente eine Querverformung
in der Ebene senkrecht zur Rohrachse zur Folge. Die Druckübertragungselemente
verhalten sich dabei in axialer Richtung federelastisch und werden
zwischen den Rohrstirnflächen
elastisch, d. h. reversibel verformt. Sobald jedoch für die Druckübertragungselemente
in der Ebene des Druckausgleichsringes, d. h. der Ebene senkrecht zur
Rohrachse, kein Ausweichraum mehr zur Verfügung steht, weil die radial
begrenzte Dichtfläche
vollständig
ausgefüllt
ist, wird der Druckausgleichsring gegen weiteres Zusammenpressen
in axialer Richtung inkompressibel. Es entsteht folglich eine kompakte
Druckplatte wie bei einem Holzdruckausgleichsring. Dies bedeutet,
dass der Druckausgleichsring soweit axial zusammengepresst werden
kann, bis die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Druckübertragungselementen durch
die auftretende Querverformung vollständig mit elastischem Material
gefüllt
sind. Wird die Anpresskraft darüber
hinaus erhöht,
erfolgt keine weitere elastische Verformung mehr, sondern die über eine
Rohrstirnfläche
eingeleitete Vorpresskraft wird unmittelbar auf die gegenüberliegende
Rohrstirnfläche übertragen.
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Ein
Vorteil dieses Druckausgleichsrings besteht darin, dass durch die
zunächst
federelastische Verformung der Druckübertragungselemente der Anpressdruck
besonders gleichmäßig in die
Rohrstirnflächen
eingeleitet wird, und zwar selbst bei Unebenheiten im Rohrspiegel
oder punktueller Belastung bei Kurvenpressung, wenn der Muffenspalt
am Rohrstoß auf
der Außenseite
der Kurve größer ist
als innen. Die Rückfederung
aufgrund ihres federelastischen Verhaltens sorgt in dieser Situation
dafür,
dass die Druckübertragungselemente
sich im erweiterten Muffenspalt wieder axial ausdehnen und gleichzeitig durch
diese elastische Druckübertragung
den Anpressdruck in Richtung der Leitungsbogeninnenseite verstärken.
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Die
federelastischen Eigenschaften bleiben selbst nach vielfacher Verformung
durch Be- und Entlastung weitgehend erhalten. Durch das inkompressible
Verhalten im vollkommen zusammengepressten Zustand, d. h. bei Vollpressung,
steigt die Federkennlinie überproportional,
d. h. progressiv an, da die einzelnen Druckausgleichselemente in
der vorangehend erläuterten
Weise zu einem geschlossenen Flanschring planparallel zusammengepresst
sind und sich wie eine kompakte Druckplatte verhalten. In diesem
Zustand wirkt die Vorpresskraft bis zum Erreichen der mechanischen
Materialzerstörung,
und zwar des Rohrendes oder des Elastomermaterials.
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Durch
das geschilderte federelastische und elastohydraulische Verhalten
ist durch diesen Druckausgleichsring eine optimale, reversible Druckverteilung
so wohl während
des Rohrleitungsvortriebs, als auch bei späteren Leitungsbewegungen gewährleistet,
welche durch Bergschäden
oder sonstige Bewegungen des Untergrunds hervorgerufen werden können. Im Übrigen wird
hinsichtlich des beschriebenen Druckausgleichsrings auf die
EP 1 079 064 A2 Bezug genommen.
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Ein
bei dem beschriebenen Druckausgleichsring noch nicht vollständig gelöstes Problem besteht
jedoch darin, dass die beim Zusammendrücken der Druckübertragungselemente
auftretenden Querverformungen Kräfte
auf das Material der Rohrstirnflächen übertragen
können,
was, bei sehr starkem Zusammendrücken,
zum Bruch des spröden Rohrmaterials
führen
kann.
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Es
stellt sich somit erfindungsgemäß die Aufgabe,
einen Druckausgleichsring zur Verfügung zu stellen, der einerseits
die Vorteile des oben beschriebenen Druckausgleichsringes der
EP 1 079 064 A2 beinhaltet
und darüber
hinaus keine Querkräfte
in das Rohrendmaterial einleitet, um einen Bruch dieses meist spröden Materials
zu verhindern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Druckausgleichsring zur Einlage zwischen Rohrstirnflächen beim
unterirdischen Vortrieb von Rohren, wobei der Druckausgleichsring
ein oder mehrere Druckübertragungselemente
aus Elastomermaterial aufweist, wobei die Druckübertragungselemente an ihren
für den
Kontakt mit den Stirnflächen
der Rohre vorgesehenen Kontaktflächen
zumindest teilweise eine Verstärkung
aufweisen.
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Die
Verstärkung
soll dabei so beschaffen sein, dass an den Kontaktflächen selbst
praktisch keine Querdehnung des Druckübertragungselementes auftritt,
wobei unter Querdehnung eine Dehnung senkrecht zur Rohrachse verstanden
wird. Ebenso wird unter der Ebene des Druckausgleichsrings die Ebene
verstanden, die zur Rohrachse orthogonal ist.
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Vorteilhafterweise
weist der Druckausgleichsring mehrere Druckübertragungselemente auf, die
in der Ebene des Druckausgleichsringes beabstandet zueinander angeordnet
sind.
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Trotz
der in die Kontaktflächen
eingebauten Verstärkungen
sind die Druckübertragungselemente weiterhin
in der Lage, sich elastisch zu verformen. Entsprechend erfahren
sie im Raum zwischen den Kontaktflächen selbst auch eine Querverformung, wobei
die einzelnen Druckübertragungselemente ggf.
soweit zusammengedrückt
werden können,
dass Zwischenräume
zwischen den Druckübertragungselementen
vollständig
ausgefüllt
sind, so dass eine kompakte Druckplatte entsteht. Insofern entspricht der
erfindungsgemäße Druckausgleichsring
bei Verwendung mehrerer Druckübertragungselemente dem
vorbeschriebenen Druckausgleichsring aus der
EP 1 079 064 A2 . Die in
der Einleitung beschriebenen Vorzüge eines solchen Druckausgleichsringes gelten
somit auch für
die neue Erfindung. Lediglich im Bereich der Kontaktflächen mit
den Stirnflächen
der Rohre bewirken die eingebauten Verstärkungen, dass keine oder höchstens
eine minimale Querdehnung der Druckübertragungselemente erfolgt,
so dass auf die Stirnflächen
der Rohre keine Querkräfte übertragen
werden. Entsprechend verwirklicht der erfindungsgemäße Druckausgleichsring
sämtliche
Vorteile aus dem vorbeschriebenen Stand der Technik, bewirkt aber
gleichzeitig, dass ein Bruch des meist spröden Rohrmaterials durch das
Auftreten von Querkräften
praktisch ausgeschlossen ist.
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Auch
in der
EP 1 079 064
A2 wird zwar bereits eine Bewehrung in den Druckübertragungselementen
erwähnt,
diese ist jedoch in den gesamten Elastomerkörper eingebettet. Aus diesem
Grund werden die Elastomereigenschaften des gesamten Druckübertragungselementes
entsprechend beeinflusst, sowohl in Hinsicht auf die Zugfestigkeit
in Längsrichtung
als auch hinsichtlich der Querverformung. Mit Hilfe einer solchen
Bewehrung können zwar
die Eigenschaften des Elastomerkörpers
eingestellt werden, es wird jedoch nicht verhindert, dass gerade
an den Kontaktflächen
mit den Rohrstirnflächen
eine Querverformung auftritt. Darüber hinaus werden durch den
erfindungsgemäßen Einsatz
von Verstärkungen
ausschließlich
an den Kontaktflächen die
elastischen Eigenschaften des Druckübertragungselementes selbst
nicht negativ beeinflusst.
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Die
Verstärkungen
an den Kontaktflächen können in
verschiedener Art und Weise ausgebildet sein. Insbesondere kann
es sich um ein Gewebe handeln, wobei besonders Textil-, Stahl-,
Kunststoff-, Glasfaser-, Keramikfaser-, Kohle faser- oder Aramidfasergewebe
in Frage kommen. Das Gewebe sollte möglichst zugfest sein. Das der
Verstärkung
dienende Gewebe kann in den Kontaktbereich der Druckübertragungselemente
eingebettet sein oder aber direkt auf die Druckübertragungselemente aufgebracht werden.
Da die Druckübertragungselemente
aus einem Elastomermaterial bestehen, bietet sich insbesondere eine
Auf- oder Einvulkanisierung der Gewebelagen an. Möglich sind
aber auch verschiedene andere Arten der Festlegung bzw. Einbettung
des Gewebes, beispielsweise durch Aufkleben.
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Weitere
Möglichkeiten,
die Verstärkung durchzuführen, bestehen
darin, Streifen aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul
an den Kontaktflächen
der Druckübertragungselemente
anzubringen oder in die Kontaktflächen einzubetten. Das Material
sollte ein höheres
Elastizitätsmodul
(E-Modul) aufweisen als die Druckübertragungselemente selbst,
die aus einem Elastomermaterial bestehen. Insbesondere können Metalle,
beispielsweise Stahl, verwendet werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung werden Stahlblechstreifen an oder in den Kontaktflächen angebracht.
Die elastischen Eigenschaften des übrigen Querschnitts der Druckübertragungselemente
werden dabei nicht beeinträchtigt.
Besonders vorteilhaft ist die oben bereits erwähnte Auf- oder Einvulkanisierung
von Verstärkungsstreifen
oder Verstärkungsgewebe.
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Weitere
Möglichkeiten,
eine Verstärkung
an den Kontaktflächen
herbeizuführen,
bestehen darin, in die Kontaktflächen
der Druckübertragungselemente
Fasern einzubetten, wobei es sich insbesondere um Glasfasern, Stahlfasern,
Kunststofffasern, Keramikfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern handeln kann.
Durch das Einbetten dieser Verstärkungsfasern
wird die Elastizität
der Druckübertragungselemente
an den Kontaktflächen
soweit herabgesetzt, dass eine Querverformung praktisch nicht mehr
auftritt.
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Die
Druckübertragungselemente
können
an zumindest einer Seite auch Einkerbungen aufweisen, insbesondere
an der Innen- und Außenseite
des Druckausgleichsringes, um die Kreisverformung zu vereinfachen.
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Insbesondere
können
die Verstärkungen
an den Kontaktflächen
der Druckübertragungselemente auch über die
elastischen Teile der Druckübertragungselemente
im entspannten Zustand radial hinausstehen. Die Verstärkungen
der Kontaktflächen sind
entsprechend breiter (in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Rohrachse)
als die eigentlichen, elastischen Druckübertragungselemente. Beim Zusammenpressen
während
des Rohrvortriebes erfahren dann die Druckübertragungselemente ebenfalls
eine Querdehnung, so dass sich Verstärkungen und elastische Druckübertragungselemente
in ihrer radialen Ausdehnung wieder annähern. Ggf. erreicht das Druckübertragungselement
im zusammengepressten Zustand eine radiale Ausdehnung, die der der Verstärkung entspricht
oder sogar hierüber
leicht hinausgeht. Eine Ausgestaltung des Druckausgleichsrings in
dieser Art, dass die Verstärkungen
radial über die
Druckübertragungselemente
hinausstehen ist insofern vorteilhaft, als auch bei starker Zusammenpressung
der Druckübertragungselemente
das Elastomermaterial nicht so weit radial nach außen gepresst
wird, dass es durch Kontakt mit den Rohrstirnflächen Querkräfte auf diese überträgt.
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Die
Druckübertragungselemente
können auch
mit einer Press-Klebeschicht versehen sein, wodurch der Druckausgleichsring
an der Rohrstirnfläche
des vorzutreibenden Rohres festgelegt werden kann. Auf diese Weise
wird das Einlegen und Fixieren des Druckausgleichsringes zwischen
den Rohren einfacher.
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Die
Druckübertragungselemente
haben vorzugsweise parallele axiale Druckflächen. Dadurch können sie
definiert zwischen den stirnseitigen Druckflächen der Vorpressrohre eingebaut
werden und bilden eine dauerhaft elastische Zwischenlage.
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Besonders
bevorzugt sind Druckübertragungselemente,
die im Querschnitt einen parallel geflachten Ausschnitt aus einem
fiktiven Kreisquerschnitt ausbilden. Ebenso möglich ist aber auch ein rechteckiger
Querschnitt.
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Im
entspannten Zustand können
die Druckübertragsungselemente
auch radial eine konkave Wölbung
aufweisen, so dass dort, wo das Druckübertragungselement die stärkste Querdehnung
erfährt, es
die geringste radiale Ausdehnung hat. Entsprechend stark kann das
Element anschließend
verpresst werden, ohne dass das Elastomermaterial radial hervorquillt.
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Die
Formgebung der Druckübertragungselemente
in der axialen Rohrebene unterliegt im Prinzip keinen Einschränkungen.
Besonders günstig
ist es jedoch, dass die Druckübertragungselemente
als Elastomer-Lamellen ausgebildet sind, und zwar entweder radial-fächerförmig verlaufend,
oder in Umfangsrichtung umlaufend. Die Zwischenräume zwischen diesen Lamellen
verlaufen entsprechend ebenfalls radial-strahlenförmig oder
in Umfangsrichtung umlaufend.
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Die
in Umfangsrichtung umlaufenden Elastomer-Lamellen haben den besonderen
Vorteil, dass sie aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zugleich
eine Abdichtung des Muffenspalts bewirken. Dies kann insbesondere
bei Trink- und Prozesswasserleitungen oder für sonstige Sonderanwendungen von
Bedeutung sein. Die Elastomer-Lamellen können auch mehrreihig angeordnet
sein.
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Vorzugsweise
sind die Elastomer-Lamellen durch Stege miteinander verbunden. Dadurch
bildet ein erfindungsgemäßer Druckausgleichsring
eine Montageeinheit, die besonders rationell im Rohrstoß montierbar
ist.
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Es
ist ebenfalls denkbar, daß die
Druckübertragungselemente
auf einer Rohrstirnfläche
befestigt sind. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise
Elastomer-Lamellen bereits vom Werk aus einseitig auf der stirnseitigen
Druckfläche
eines Vorpressrohrs angebracht, beispielsweise unlösbar aufgeklebt
werden. Die Montagefreundlichkeit wird dadurch erhöht.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren
beispielhaft näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Druckausgleichsring
in axialer Ansicht;
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2 eine
Schnittansicht eines Rohrstoßes mit
einem Druckausgleichsring aus dem Stand der Technik;
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3 eine
Schnittansicht eines Druckübertragungselementes
ohne Verstärkung
im Einbauzustand;
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4 das
Druckübertragungselement
aus 3 bei Vollpressung;
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5 eine
Schnittansicht eines Druckübertragungselementes
mit Verstärkung;
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6 eine
Schnittansicht eines Druckübertragungselementes
gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
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7 die
Schnittansicht des Druckübertragungselementes
aus 6 bei Vollpressung;
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8 eine
Schnittansicht eines Druckübertragungselementes
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
und
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9 eine
Schnittansicht des Druckübertragungselementes
aus 8 bei Vollpressung.
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1 zeigt
eine axiale Ansicht eines Druckausgleichringes gemäß der Erfindung,
der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist und
eine Vielzahl von radial-, fächer-
bzw. strahlenförmig
angeordneten aus der Bildebene hervortretenden Druckübertragungselementen 2 aufweist.
Zwischen den lamellenartig ausgebildeten Druckübertragungselementen 2 befinden
sich Zwischenräume 3.
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2 zeigt
einen Rohrstoß in
Teilansicht im Längsschnitt,
wobei die Enden zweier aneinander stoßender Vorpressrohre 4 dargestellt
sind, zwischen deren stirnseitigen Druckflächen 4a schematisch
ein Druckausgleichsring 1 mit Druckübertragungselementen 2 aus
dem Stand der Technik dargestellt ist. Die Druckübertragungselemente 2 haben
einen parallel geflachten Kreisquerschnitt. Die Druckübertragungselemente 2 sind
hier teilweise verpresst und üben
einen durch die Pfeile dargestellten Druck in axialer Richtung auf
die Rohre 4 aus. Mit den gestrichelten Außenlinien
ist die radiale maximale Querausdehnung gekennzeichnet, bei welcher
die Druckübertragungselemente 2 die
Zwischenräume 3 vollständig ausfüllen. Wie
man erkennt, erfahren die Druckübertragungselemente 2 bei
Vollpressung eine nicht unerhebliche zusätzliche Querausdehnung, die Querkräfte auf
die Rohrstirnflächen 4a ausübt, was dort
zur Bildung von Rissen oder sonstigen Beschädigungen der Rohre 4 führen kann.
Zusätzlich
ist in dieser Abbildung eine Primärdichtung 5 eingezeichnet.
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In 3 ist
ein einzelnes Druckübertragungselement 2 ohne
Verstärkung
aus dem Stand der Technik im Längsschnitt
dargestellt. 3 stellt somit eine Ausschnittsvergrößerung aus 2 dar. Man
erkennt das Druckübertragungselement 2 mit
einer Breite b bei einem Abstand h der Rohre 4, wobei das
Druckübertragungselement 2 und
die Rohre 4 an den Kontaktflächen 6 aneinanderstoßen.
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In 4 ist
das Druckübertragungselement 2 aus 3 in
Vollpressung dargestellt. Der Abstand der Rohre 4 hat auf
h' abgenommen, während die Breite
des Druckübertragungselementes 2 auf
die Breite b' zugenommen
hat. Durch diese zusätzliche radiale
Querausdehnung werden Zugspannungen 7 auf die Rohrstirnflächen ausgeübt.
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In 5 ist
eine der 3 entsprechende Darstellung
eines Druckübertragungselementes 2 aus
einem erfindungsgemäßen Druckausgleichsring 1 dargestellt.
Das Druckübertragungselement 2 besteht
ebenfalls aus Elastomermaterial, weist jedoch an den Kontaktflächen zu
den Rohren 4 jeweils Verstärkungen 8 auf, die
sich radial weiter nach außen erstrecken
als der Elastomerkörper
des Druckübertragungselementes 2 selbst.
Im Falle des Zusammenpressens des Druckübertragungselementes 2 erfolgt
in diesem Fall an den Kontaktflächen
zu den Rohren keine radiale Querausdehnung, so dass keine Zugspannungen
auf die Rohrstirnflächen
ausgeübt
werden. Die Rohre 4 werden somit vor Beschädigungen
bewahrt. Bei dieser Ausführungsform
hat das Druckübertragungselement 2 die
Form einesparallel geflachten Kreisquerschnitts.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Druckübertragungselementes 2 dargestellt,
das ein rechteckiges Profil aufweist.
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Das
entsprechende Druckübertragungselement 2 bei
Vollpressung ist in 7 erkennbar, wobei hier insbesondere
festzustellen ist, dass die Verstärkungen 8 in ihrer
radialen Ausdehnung c, c' unverändert bleiben,
während
sich der Elastomerkörper
des Druckübertragungselementes 2 selbst
deutlich von b nach b' verbreitert.
Da jedoch die Rohrstirnflächen der
hier nicht dargestellten Rohre 4 nur mit den Verstärkungen 8 unmittelbar
in Berührung
kommen, werden durch die Querverformung des Druckübertragungselementes 2 keine
Zugspannungen auf die Rohrstirnflächen ausgeübt.
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In
den 8 und 9 sind weitere Ausführungsformen
eines Druckübertragungselementes 2 dargestellt,
wobei hier ein planparalleles Rechteckprofil mit konkaven radialen
Stirnflächen
verwendet wird. Auch in diesem Fall ist die radiale Ausdehnung der
Verstärkungen 8 breiter
als die radiale Ausdehnung des Druckübertragungselementes 2 selbst
in entspanntem Zustand, so dass auch bei Vollpressung, dargestellt
in 9, der Elastomerteil des Druckübertragungselementes 2 nicht
radial über
die Verstärkungen 8 hinausragt.