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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungssystem für Leitungen,
Armaturen oder Aggregate, die zur Führung eines mit einem gegenüber einem
Vergleichsdruck erhöhten
Druck beaufschlagten Fluids bestimmt sind, umfassend ein erstes
Kupplungsteil, wie ein Gehäuseteil,
ein mit dem ersten Kupplungsteil verbindbares zweites Kupplungsteil, wie
z. B. ein Steckerteil, und mindestens eine aus einem Elastomer bestehende
Umfangsdichtung, die in einer Nut angeordnet ist, welche umfangsgemäß in einem
der beiden Kupplungsteile ausgebildet ist und einen Nutgrund sowie
zwei Nutflanken aufweist, wobei die Umfangsdichtung im Betriebszustand
in der Nut eine Position einnimmt, in der die Umfangsdichtung unter
Deformation und Erzeugung einer Vorpresskraft einen Spalt zwischen
den Kupplungsteilen verschließt,
wobei die Umfangsdichtung – wenn
die Kupplungsteile miteinander verbunden sind, in der Position gehalten
ist, in der die Umfangsdichtung im Betriebszustand den Spalt der
Aufnahmeöffnung
verschließt.
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Ein
solches Verbindungssystem ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 20 2004 017 316 U1 bekannt.
Bei diesem bekannten Verbindungssystem ist vorgesehen, dass das
zweite Kupplungsteil entlang einer Steckachse in eine Aufnahmeöffnung des
ersten Kupplungsteils mit einem Schaft, auf dessen Mantelfläche die
Nut umfangsgemäß verläuft, einsteckbar
ist, wodurch senkrecht zur Steckachse eine radiale Verpressung der
Umfangsdichtung erfolgt. Der Gegenstand des genannten Gebrauchsmuster
ist dabei ein Verbindungssystem, welches gegenüber früheren gleichartigen Verbindungssystemen
eine erhöhte
Montagefreundlichkeit besitzt und dabei gewährleistet, dass nur eine geringe
Menge an Fluid durch die Umfangsdichtung durchgesetzt wird und dass
das Verbindungssystem im Betriebszustand sowie bei der Herstellung der
Kupplungsverbindung eine hohe Funktionssicherheit aufweist. Um dies
zu erreichen, ist vorgesehen, dass in der Nut Mittel zur mechanischen
Hemmung einer axialen Bewegung der Umfangsdichtung angeordnet sind,
die derart ausgeführt
sind, dass die Umfangsdichtung – sowohl,
wenn das eine Kupplungsteil mit dem Schaft in die Aufnahmeöffnung des
anderen Kupplungsteiles eingesteckt wird, als auch bei einer entgegengesetzt
wirkenden relativen Rückbewegung
der Kupplungsteile zueinander – in
der Position gehalten ist, in der die Umfangsdichtung im Betriebszustand
den Spalt der Aufnahmeöffnung
verschließt
und dabei mit einer axial gerichteten Anlagefläche an einer auf der Seite
des abzudichtenden Spaltes liegenden Nutflanke anliegt. Diese Mittel
hemmen somit eine mögliche Axialverschiebung
der Umfangsdichtung in der Nut, wobei die Umfangsdichtung asymmetrisch
in der Nut angeordnet sein kann, indem zu der Nutflanke, die der
auf der Seite des abzudichtenden Spaltes liegenden Nutflanke gegenüber liegt,
ein Abstand bestehen kann.
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Wenn
eine Verrastung der beiden Kupplungsteile erfolgt, bei der das Stecksystem
ein üblicherweise
erforderliches axiales Spiel hat, wobei auch beim Stecken des Steckerteils
dieses minimal übersteckt
werden kann, werden bei einem sich an das Stecken anschließenden Zurückziehen
bzw. -schieben eines der beiden Kupplungsteile zur Steckkontrolle
oder bei einer späteren
Beaufschlagung mit Systemdruck die Kupplungsteile wieder auseinander gedrückt. Bei
dieser Bewegung wird auch die Umfangsdichtung mitbewegt. Durch das
Vorhandensein der in der Nut vorgesehenen Mittel zur mechanischen Hemmung
der axialen Bewegung der Umfangsdichtung wird dabei – auch dann,
wenn die Umfangsdichtung mit großer Anpresskraft und Kontaktlänge insbesondere
am Innenumfang des als Gehäuseteils ausgebildeten
Kupplungsteils anliegt – die
Umfangsdichtung nicht von der Nutflanke, an der sie im Betriebszustand
bestimmungsgemäß anliegen
soll, weggedrängt.
Dadurch wird gesichert, dass eine permeationsbestimmende Länge einer
Bogenlinie der verpressten, radialen Querschnittsfläche der
deformierten Umfangsdichtung, die sich im Bereich des abzudichtenden
Spaltes befindet, bei verschwindender Bogenkrümmung einen Minimalwert annimmt.
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Das
bekannte Stecksystem hat sich in der Praxis bewährt, wobei besonders die technische
Lösung
zur Verhinderung des Anlagewechsels der Umfangsdichtung, bei der
es sich beispielsweise um einen O-Ring oder eine Formdichtung, wie
einen Quadring, handeln kann, als vorteilhaft hervorzuheben ist.
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Ein
Problem besteht jedoch darin, dass einerseits hinsichtlich eines
als Quotient aus einem in der Nut liegenden Anteil des verpreßten, radialen Querschnitts
der Umfangsdichtung und der Querschnittsfläche der Nut berechneten Füllgrades
der Nut zur Erzielung einer optimalen Dichtungswirkung hohe Werte
gefordert werden, die 100 Prozent erreichen können, andererseits jedoch gleichzeitig
in der
DE 20 2004
017 316 U1 darauf hingewiesen wird, dass unter Beachtung
einer möglichen
Wärmeausdehnung
der Umfangsdichtung eine Extrusion in den abzudichtenden Spalt möglichst
vermieden werden sollte. Ein ähnliches
Problem entsteht bei einer möglichen
Quellung der Umfangsdichtung unter dem Einfluss des Fluids und wird
besonders relevant, wenn nur ein geringer Bauraum konzipiert ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungssystem
der eingangs genannten Art für
Leitungen, Armaturen oder Aggregate derart zu verbessern, dass bei
Gewährleistung
einer hohen Montagefreundlichkeit bei der Herstellung der Kupplungsverbindung,
insbesondere auch bei beengten Bauraumverhältnissen, eine hohe Funktionssicherheit
sowie eine geringe Menge des durch die Umfangsdichtung durchgesetzten
Fluids im Betriebszustand erreicht sowie unter Umwelteinflüssen, wie
Temperatur und Druck sowie bevorzugt auch wechselndem chemisch-physikalischen
Mediencharakter des Fluids, aufrechterhalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies
für ein
System der genannten Art dadurch erreicht, dass in der Nut ein Expansionsraum
für die
Umfangsdichtung ausgebildet ist, der die Umfangsdichtung derart
aufnimmt, dass bei einer Volumenvergrößerung der Umfangsdichtung,
wie sie im Betriebszustand bei einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur
oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, und/oder
bei einer Deformation der Umfangsdichtung, wie sie unter dem Einfluss
der Vorpresskraft oder des erhöhten
Drucks auftritt, ein Füllgrad
der Nut, der sich als Quotient aus einer radialen Querschnittsfläche der
verpressten Umfangsdichtung und der Querschnittsfläche der
Nut ergibt, kleiner ist als 100 Prozent.
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Der
erfindungsgemäß vorgesehene "Expansionsraum" kann somit vorteilhafterweise
nicht nur im strengen physikalischen Sinn die Funktion der Schaffung
eines zusätzlichen
Raumes zur Aufnahme eines vergrößerten Volumenteils
der Umfangsdichtung erfüllen,
sondern auch die Funktion der Bildung eines "Ausweichraums" zur Aufnahme eines deformierten Volumenteils
der Umfangsdichtung.
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So
kann gewährleistet
werden, dass der Füllgrad
der Nut kleiner als 100 Prozent bleibt und höchstens im Ausnahmefall, unter
als extrem anzunehmenden Temperatur- und Druckbedingungen, den Wert
von 100 Prozent annimmt, wobei eine Spaltextrusion jedoch zuverlässig ausgeschlossen
ist.
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Hierbei
sind grundsätzlich
zumindest zwei verschiedene Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäß vorgesehenen
Expansionsraumes möglich, die
jeweils einzeln allein oder gemeinsam als Teilexpansionsräume vorliegen
können.
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Zum
einen kann vorgesehen sein, dass der Expansionsraum einen Raum,
insbesondere einen ersten Teilexpansionsraum, umfasst, der durch
eine Bemessung des Abstandes zwischen den beiden Nutflanken gebildet
ist. Diese Ausbildung ist besonders von Vorteil, wenn die Umfangsdichtung
ausschließlich
an der Nutflanke auf der Seite des abzudichtenden Spaltes anliegt
und von der gegenüberliegenden
Nutflanke beabstandet ist. Der erste Teilexpansionsraum kann dabei
insbesondere im Betriebszustand mit dem Spalt zwischen den Kupplungsteilen
in direkter Verbindung stehen und derart ausgebildet sein, dass
im Betriebszustand der gegenüber
dem Vergleichsdruck erhöhte
Druck die Vorpresskraft der Umfangsdichtung erhöht, wodurch vorteilhafterweise
auch die Dichtungswirkung der Umfangsdichtung erhöht wird.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Expansionsraum einen Raum,
insbesondere einen zweiten Teilexpansionsraum, umfasst, der durch eine
Vertiefung im Nutgrund der Nut gebildet ist. Diese Ausbildung ist
besonders von Vorteil, wenn die Umfangsdichtung an beiden Nutflanken
anliegt, wobei die vorzugsweise asymmetrische Lage der Umfangsdichtung
in der Nut durch eine asymmetrische Form des Querschnitts der verpressten
Umfangsdichtung hervorgerufen wird. Im Betriebszustand kann dabei
die Umfangsdichtung insbesondere zwischen dem zweiten Teilexpansionsraum
und dem Spalt zwischen den Kupplungsteilen angeordnet und derart
ausgebildet sein, dass im Betriebszustand der gegenüber dem
Vergleichsdruck erhöhte
Druck einen Teil der Umfangsdichtung in den zweiten Teilexpansionsraum
drängt.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungssystems besteht
in seiner universellen Einsetzbarkeit. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verbindungssystem – beispielsweise
in Stecksystemen – möglich, die
Abdichtung eines Kreisringspalts vorzunehmen, andererseits aber
auch – beispielsweise
beim Leitungsanschluss an Armaturen oder Aggregate – die Abdichtung
eines Radialspalts zu realisieren.
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Hierbei
kann jeweils der Expansionsraum, insbesondere dessen erster Teilexpansionsraum und/oder
dessen zweiter Teilexpansionsraum, derart ausgebildet sein, dass
eine Expansion der Umfangsdichtung, wie sie im Betriebszustand bei
einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, senkrecht
zur Wirkungsrichtung der Vorpresskraft oder auch in Wirkungsrichtung
der Vorpresskraft erfolgt.
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Der
Vorteil eines Expansionsraumes, der senkrecht zu einer radialen
Verpressungsrichtung ausgebildet ist, besteht insbesondere bei Erfüllung der
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe in einer wirksamen Verhinderung
eines Anlage- bzw. Positionswechsels der Umfangsdichtung zwischen
den Nutflanken, was insbesondere bei Stecksystemen von Bedeutung
ist.
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Auch
bei axialer Verpressungsrichtung kann ein Expansionsraum senkrecht
zur Verpressungsrichtung von Vorteil sein, um z. B. durch eine geringe Nuttiefe
Bauraumvorteile zu erhalten.
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Wenn
eine Umfangsdichtung, beispielsweise ein O-Ring mit einer axialen
Verpressung eingebaut werden soll, so ist es wichtig, dass die Umfangsdichtung
derart dimensioniert wird, dass sie an der dem erhöhten Druck
abgewandten Nutflanke anliegt. Hier bietet die Anwendung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems
insbesondere dann einen Vorteil, wenn die Umfangsdichtung vor der
Verpressung in dem Kupplungsteil mit Nut vormontiert und dabei vorzugsweise
vor einem Herausfallen geschützt
werden soll. Letzteres ist z. B. dadurch möglich, dass eine Nutflanke
mit Hinterschnitt vorgesehen wird, an der die Umfangsdichtung anliegt.
Aus dieser konstruktiven Gestaltung kann sich somit die Notwendigkeit
ergeben, dass die Umfangsdichtung an beiden Nutflanken anliegen
muss. Das Problem kann insbesondere durch den erfindungsgemäßen Expansionsraum
in der Form gelöst
werden, wie er vorstehend in seiner Ausbildung als zweiter Teilexpansionsraum
beschrieben wurde, wobei dieser sich in Verpressungsrichtung der
Umfangsdichtung, insbesondere auf der druckzugewandten Seite der
Nut, erstreckt.
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Diese
Ausbildung des Expansionsraumes ist auch bei Einbauverhältnissen
von Vorteil, wo eine Umfangsdichtung, wie ein O-Ring, im eingebauten und
ansonsten – thermisch,
chemisch und durch Fluiddruck – unbelasteten
Zustand bekanntermaßen
um circa 30 % ihres Schnurdurchmessers verpresst wird und die Nuttiefe
in Abhängigkeit
von der Schnurstärke
der Dichtung bemessen wird. Durch den Expansionsraum können hier
veränderte
Verhältnisse
realisiert werden und ein gegenüber
dem bekannten deutlich größerer prozentualer
Verpressungsweg im Hinblick auf den Schnurdurchmesser erzielt werden. Dies
kann sich insbesondere auf die Bauraumverhältnisse günstig erweisen.
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Generell
ist ein sich in Verpressungsrichtung der Umfangsdichtung erstreckender
Expansionsraum, der grundsätzlich
sowohl bei axialer, als auch beim Einbau mit radialer Verpressung
eingesetzt werden kann, insbesondere dann von Vorteil, wenn quer
zur Verpressungsrichtung, z. B. wegen der Einbausituation, nur ein
geringer Bauraum zur Verfügung
steht. Ein sich quer zur Verpressungsrichtung der Umfangsdichtung
erstreckender Expansionsraum ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn in Verpressungsrichtung nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der
folgenden Beschreibung enthalten.
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Anhand
mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
in einer ersten Ausführung
bei Raumtemperatur,
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2 einen
Längsschnitt
durch das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Verbindungssystem bei
einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten Temperatur,
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3 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
in einer zweiten Ausführung
bei Raumtemperatur, ohne Druckbeaufschlagung,
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4 einen
Längsschnitt
durch das in 3 dargestellte erfindungsgemäße Verbindungssystem bei
einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten Temperatur,
ohne Druckbeaufschlagung,
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5 einen
Längsschnitt
durch das in 3 und 4 dargestellte
erfindungsgemäße Verbindungssystem
bei einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur, mit Druckbeaufschlagung,
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6 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
in einer dritten Ausführung
bei Raumtemperatur, ohne Druckbeaufschlagung,
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7 einen
Längsschnitt
durch das in 6 dargestellte erfindungsgemäße Verbindungssystem bei
einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten Temperatur,
ohne Druckbeaufschlagung,
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8 einen
Längsschnitt
durch das in 6 und 7 dargestellte
erfindungsgemäße Verbindungssystem
bei einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur, mit Druckbeaufschlagung,
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9 einen
Längsschnitt
durch ein zweites Kupplungsteil einer vierten Ausführung eines
erfindungsgemäßen Verbindungssystems,
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10 einen
Längsschnitt
durch das in 9 dargestellte Kupplungsteil
nach einer Vormontage einer Umfangsdichtung,
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11 einen
Längsschnitt
durch das in 9 und 10 dargestellte
erfindungsgemäße Verbindungssystem
bei Raumtemperatur, ohne Druckbeaufschlagung,
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12 bis 14 Längsschnitte
von weiteren Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems,
jeweils in einer Darstellung wie in 6,
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15 eine
perspektivische Darstellung einer als O-Ringdichtung ausgebildeten
Umfangsdichtung zur geometrischen Veranschaulichung der Kräfteverhältnisse
in einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem
bei axialer und radialer Verpressung der Umfangsdichtung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher im Folgenden
in der Regel jeweils nur einmal beschrieben.
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Wie
sich zunächst
aus 1 und 2 ergibt, umfasst ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
für Leitungen,
Armaturen oder Aggregate, die zur Führung eines mit einem gegenüber einem
Vergleichsdruck p2 erhöhten Druck p1 beaufschlagten Fluids
bestimmt sind, ein erstes Kupplungsteil 1, wie ein Gehäuseteil,
ein mit dem ersten Kupplungsteil 1 verbindbares zweites
Kupplungsteil 2, wie ein Steckerteil, und mindestens eine
aus einem Elastomer bestehende Umfangsdichtung 3, die in
einer Nut 4 angeordnet ist.
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Das
erste Kupplungsteil 1 und/oder das zweite Kupplungsteil 2 können aus
Kunststoff oder bevorzugt aus metallischen Werkstoffen bestehen.
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Die
Umfangsdichtung 3 kann bevorzugt aus einer polymeren Fluor-Kohlenstoffverbindung
oder aus synthetischem Kautschuk, wie Silikonkautschuk, NBR oder
H-NBR, PUR, EPDM, SBR, o.ä.
bestehen.
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Der
das Fluid beaufschlagende Druck p1 kann
im Bereich von bis zu etwa 100 bar bei pneumatischen Anwendungen
und bei bis zu etwa 2500 bar bei hydraulischen Anwendungen liegen.
Es kann sich auch um einen Unterdruck handeln.
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Bei
der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführung der
Erfindung handelt es sich im Besonderen um ein Verbindungssystem,
bei dem das zweite Kupplungsteil 2 entlang einer Steckachse
X-X in eine Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteils 1 mit einem Schaft 5, auf
dessen Mantelfläche
die Nut 4 umfangsgemäß verläuft, einsteckbar
ist, wodurch senkrecht zur Steckachse eine radiale Verpressung der
Umfangsdichtung 3 erfolgt. Alternativ kann die Nut 4 in
dem ersten Kupplungsteil 1 ausgebildet sein.
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Die
Nut 4 ist umfangsgemäß in dem
zweiten Kupplungsteil 2 ausgebildet und weist einen Nutgrund 4a sowie
zwei Nutflanken 4b, 4c auf. Die Umfangsdichtung 3 nimmt
im Betriebszustand in der Nut 4 eine bevorzugte Position
ein, in der sie unter Deformation und Erzeugung einer Vorpresskraft
FV einen Spalt 7, insbesondere
einen Kreisringspalt mit der Spaltweite s, zwischen den Kupplungsteilen 1, 2 verschließt. Die
Umfangsdichtung 3 ist – sowohl,
wenn die Kupplungsteile 1, 2 voneinander getrennt,
als auch miteinander verbunden sind – in der Position gehalten,
in der sie im Betriebszustand den Spalt 7 der Aufnahmeöffnung 6 verschließt und dabei
mit einer Anlagefläche
FA an einer auf der Seite des abzudichtenden Spaltes 7 liegenden
Nutflanke 4b anliegt.
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Die
Umfangsdichtung 3 ist im Betriebszustand in asymmetrischer
Lage in der Nut 4 angeordnet, wobei eine permeationsbestimmende
Länge einer
Bogenlinie BL der verpressten, radialen Querschnittsfläche AR der deformierten Umfangsdichtung 3 bei
verschwindender Bogenkrümmung
einen Minimalwert annimmt. Dadurch wird erreicht, dass im Betriebszustand
nur eine geringe Menge des im erfindungsgemäßen Verbindungssystem geführten Fluids durch
die Umfangsdichtung 3 durchgesetzt wird.
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Die
Einnahme der – wie
dargestellt – asymmetrischen
Lage der Umfangsdichtung 3 kann bei entsprechender Dimensionierung
der Umfangsdichtung und der Nut 4 auch dadurch unterstützt werden, dass
die Umfangsdichtung 3 durch die Differenz zwischen dem
erhöhten
Druck p1 und dem Vergleichsdruck p2 in axialer Richtung X-X gegen die Nutflanke 4b auf
der Seite des niedrigeren Druckes p2 gedrückt wird,
während
auf der anderen Seite der Nut 4 der bereits erwähnte Expansionsraum
E besteht. Da das System bis zur Inbetriebnahme noch drucklos ist, kann
nach einem eventuellen Zurückziehen
des Schaftes 5 durch Aufbringen eines Druckstoßes auf der
Seite des erhöhten
Druckes p1 die Position der Umfangsdichtung 3 auch
gezielt korrigiert werden, wobei insbesondere eine über die
Kontaktlänge
KL auftretende Haftreibungskraft zu überwinden ist.
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Des
Weiteren ist vorgesehen, dass das zweite Kupplungsteil 2 als
Mittel zur mechanischen Hemmung einer axialen Bewegung der Umfangsdichtung 3 eine
im Nutgrund 4a ausgebildete Schrägfläche 4d aufweist. Diese
Schrägfläche 4d ist
eben, könnte aber
auch gekrümmt,
insbesondere konvex gekrümmt,
sein und verläuft
in Richtung S des axialen Einsteckens des zweiten Kupplungsteils 2 in
die Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteiles 1 radial nach außen. Unter Mittel zur mechanischen
Hemmung einer axialen Bewegung der Umfangsdichtung 3 wird
dabei verstanden, dass diese – im
konkreten Fall die Schrägfläche 4d – derart
ausgeführt
sind, dass die Umfangsdichtung 3 ausschließlich – also sowohl,
wenn das eine Kupplungsteil 2 mit dem Schaft 5 in
die Aufnahmeöffnung 6 des
anderen Kupplungsteiles 1 eingesteckt wird, als auch bei
einer entgegengesetzt wirkenden relativen Rückbewegung der Kupplungsteile 1, 2 zueinander – in der
Position gehalten ist, in der die Umfangsdichtung 3 im
Betriebszustand den Spalt 7 der Aufnahmeöffnung 6 verschließt und dabei
mit der axial gerichteten Anlagefläche FA an der auf der Seite
des abzudichtenden Spaltes 7 liegenden Nutflanke 4b anliegt.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass in der Nut 4 ein Expansionsraum E für die Umfangsdichtung 3 ausgebildet
ist, der die Umfangsdichtung 3 derart aufnimmt, dass bei
einer Volumenvergrößerung der
Umfangsdichtung 3, wie sie im Betriebszustand bei einer
gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt,
oder bei einer Deformation der Umfangsdichtung, wie sie unter dem
Einfluss der Vorpresskraft FV oder des erhöhten Drucks
p1 auftritt, ein Füllgrad der Nut 4,
der sich als Quotient aus der radialen Querschnittsfläche AR der verpressten Umfangsdichtung 3 und
der Querschnittsfläche AN der Nut 4 ergibt, immer kleiner
ist als 100 Prozent.
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Aus 1 und 2,
die der Veranschaulichung des Nutfüllungsgrades bei Raumtemperatur (1),
d. h. insbesondere bei 23 °C,
und bei gegenüber
der Raumtemperatur erhöhter
Temperatur (2), d. h. insbesondere bei einer
etwa Betriebsbedingungen entsprechenden Temperatur von 150 °C, dienen,
wird deutlich, dass bei der asymmetrischen Anordnung der Umfangsdichtung
in der Nut 4, der Nutfüllungsgrad
kleiner als 100 Prozent bleibt. Dies gilt sowohl bei Raumtemperatur,
als auch bei der für
den Betrieb charakteristischen Temperatur, bei der es zu einer Wärmeausdehnung
der Umfangsdichtung 3 in Steckrichtung S gekommen ist.
Charakteristisch für
die unvollständige
Nutfüllung
ist dabei der Raum E1, der im Weiteren auch als erster Teilexpansionsraum
E1 bezeichnet wird oder als Expansionsraum E1 erster Art bezeichnet
werden könnte
und durch den Abstand der Umfangsdichtung 3 von der Nutflanke 4c auf
der Seite des höheren
Druckes p1 bestimmt wird, welcher größer ist
als Null.
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Der
Raum E1 kann dabei insbesondere durch eine Bemessung des Abstandes
NL zwischen den beiden Nutflanken 4b, 4c bestimmt
sein, bei der antizipativ die für
das erfindungsgemäße Verbindungssystem
zu erwartenden Betriebsbedingungen sowie der Wärmeausdehnungskoeffizient und
das Quellungsverhalten des Materials der Umfangsdichtung 3 im
jeweils vorgesehenen Fluid berücksichtigt werden.
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Die
Nutlänge
NL und die Länge
NLG (Abstand zwischen 4d und 4b) des Nutgrundes 4a können mit
Vorteil im Hinblick auf eine maximale axiale Hauptabmessung des
Querschnitts der Umfangsdichtung 3 im unverpressten Zustand,
wie bei einem O-Ring den Schnurdurchmesser, bzw. auf die entsprechende
charakteristische Hauptabmessung X im verpressten Zustand dimensioniert
sein. Die genannte Hauptabmessung X sollte bei Raumtemperatur nicht
kleiner, aber auch nicht wesentlich größer als die Länge NLG
des Nutgrundes 4a sein. Insbesondere sollte die axiale
Hauptabmessung X der auf dem zweiten Kupplungsteil 2 montierten,
aber noch nicht verpreßten
Umfangsdichtung 3 nicht so groß sein, dass die Umfangsdichtung 3 bei
Anlage an der zur Anlage bestimmten Nutflanke 4b über die
Schrägfläche 4d bzw. über eine
gegebenenfalls – wie
dargestellt – vorhandene
Stufe 4e in Richtung S auf die Nutflanke 4c auf
der Seite des höheren
Druckes p1 hinaus geschoben wird.
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Für den Expansionsraum
E in der ersten Ausführung
der Erfindung, also gemäß den vorstehenden
Ausführungen
den ersten Teilexpansionsraum E1, ist charakteristisch, dass dieser
im Betriebszustand mit dem Spalt 7 zwischen den Kupplungsteilen 1, 2 in
direkter Verbindung steht. Er ist derart ausgebildet, dass im Betriebszustand
der gegenüber
dem Vergleichsdruck p2 erhöhte Druck
p1 die Vorpresskraft FV der
Umfangsdichtung 3 erhöht.
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In
alternativer Ausbildung könnte
der erste Teilexpansionsraum E1 im Betriebszustand auch mit dem
Spalt 7 zwischen den Kupplungsteilen 1, 2 nicht in
direkter Verbindung stehen, indem er z. B. durch einen Hinterschnitt
in der Nut 4 gebildet ist.
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Bei
axialer Verpressung könnte
der Teilexpansionsraum E1 in analoger Weise ausgeführt sein, vorteilhafterweise
indem die zu verbindenden Kupplungsteile 1, 2 mit
verschwindend kleiner Spaltweite s dimensioniert sind.
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Auch
bei den in 3 bis 11 dargestellten
weiteren Ausführungen
der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Nut 4 ein Expansionsraum
E für die
Umfangsdichtung 3 ausgebildet ist, der die Umfangsdichtung 3 derart
aufnimmt, dass bei einer Volumenvergrößerung der Umfangsdichtung 3,
wie sie im Betriebszustand bei einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur
oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, oder
bei einer Deformation der Umfangsdichtung, wie sie unter dem Einfluss
der Vorpresskraft FV oder des erhöhten Drucks
p1 auftritt, ein Füllgrad der Nut 4,
der sich als Quotient aus der radialen Querschnittsfläche AR der verpressten Umfangsdichtung 3 und
der Querschnittsfläche
AN der Nut 4 ergibt, immer kleiner
ist als 100 Prozent.
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Charakteristisch
für die
unvollständige
Nutfüllung
ist dabei aber ein Raum E2, der im Weiteren auch als zweiter Teilexpansionsraum
E2 bezeichnet wird oder als Expansionsraum E2 zweiter Art bezeichnet
werden könnte
und der durch eine Vertiefung im Nutgrund 4a der Nut 4 gebildet
ist.
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Hierbei
ist in bevorzugter Ausführung
vorgesehen, dass die Breite B der Vertiefung im Nutgrund 4a klein
gegenüber
einer maximalen axialen Hauptabmessung des Querschnitts der Umfangsdichtung 3 im
unverpressten Zustand, wie bei einem O-Ring gegenüber dem
Schnurdurchmesser, bzw. – wie
dargestellt – einer
maximalen axialen Hauptabmessung X des radialen Querschnitts AR der Umfangsdichtung 3 im verpressten
Zustand ist.
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Außerdem kann – wie der
Zeichnung zu entnehmen ist – dabei
vorgesehen sein, dass sich die Breite B der Vertiefung mit Zunahme
ihrer Tiefe T vom Nutgrund 4a der Nut 4 ausgehend
verjüngt.
Die Tiefe T sollte dabei vorzugsweise größer sein als die Breite B der
Vertiefung. Auf diese Weise kann sich die Umfangsdichtung 3 in
optimaler Weise in den Expansionsraum E bzw. E2 einformen.
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In
fertigungstechnisch und im Hinblick auf die zu erzielende Dichtungswirkung
günstiger
Weise kann dabei insbesondere – wie
ebenfalls dargestellt – eine
Seitenwand der Vertiefung durch eine der beiden Nutflanken 4b, 4c der
Nut 4, insbesondere durch die der Nutflanke 4b auf
der Seite des abzudichtenden Spaltes 7 gegenüberliegende
Nutflanke 4c, gebildet sein.
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Im
Gegensatz zur ersten Ausführung
ist bei der zweiten bis vierten Ausführung der Erfindung im Betriebszustand
die Umfangsdichtung 3 zwischen dem zweiten Teilexpansionsraum
E2 und dem Spalt 7 zwischen den Kupplungsteilen 1, 2 angeordnet,
d. h. der Spalt 7 und der zweite Teilexpansionsraum E2 stehen
nicht miteinander in Verbindung. Bei der dritten und vierten Ausführung, die
sich jeweils auf eine in ihrer axialen Richtung verpresste Umfangsdichtung 3 bezieht,
sind die zu verbindenden Kupplungsteile 1,2 mit
einer verschwindend kleinen Spaltweite relativ zueinander positioniert.
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Der
zweite Teilexpansionsraum E2 ist dabei derart ausgebildet, dass
im Betriebszustand der gegenüber
dem Vergleichsdruck p2 erhöhte Druck
p1 einen Teil der Umfangsdichtung 3 in
den zweiten Teilexpansionsraum E2 drängt, wie dies 5 und 8 veranschaulichen.
Das bedeutet, dass der Expansionsraum E2 hier sowohl im strengen
physikalischen Sinn die Funktion der Schaffung eines zusätzlichen
Raumes zur Aufnahme eines vergrößerten Volumenteils
der Umfangsdichtung 3 erfüllt, als auch die Funktion
der Bildung eines Ausweichraums zur Aufnahme eines deformierten
Volumenteils der Umfangsdichtung 3 übernimmt. Die vorzugsweise
asymmetrische Lage der Umfangsdichtung 3 in der Nut 4 wird
dabei ausschließlich
durch eine asym metrische Form der radialen Querschnittsfläche AR der verpressten Umfangsdichtung 3 hervorgerufen.
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Für die in 3 bis 5 gezeigte
zweite Ausführung
der Erfindung ist spezifisch, dass es sich wie bei der ersten Ausführung um
ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
handelt, bei dem das zweite Kupplungsteil 2 entlang einer
Steckachse X-X in eine Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteils 1 mit einem Schaft 5, auf
dessen Mantelfläche
die Nut 4 umfangsgemäß verläuft, einsteckbar
ist, wodurch senkrecht zur Steckachse eine radiale Verpressung der
Umfangsdichtung 3 erfolgt. Der Expansionsraum E, insbesondere
der zweite Teilexpansionsraum E2, ist wie in der ersten Ausführung derart ausgebildet,
dass eine Expansion der Umfangsdichtung 3, wie sie im Betriebszustand
bei einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, parallel
zur Wirkungsrichtung der Vorpresskraft FV erfolgt.
Auf die jeweilige spezifische Vorteilhaftigkeit der verschiedenen
Ausführungen
in bestimmten Einsatzfällen
wurde dabei bereits vorstehend verwiesen.
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Bei
der in 6 bis 8 gezeigten Ausführung der
Erfindung handelt es sich im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungen
um ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem,
bei dem das zweite Kupplungsteil 2 in Richtung einer Montageachse
Y-Y auf eine Montageebene des ersten Kupplungsteils 1 mit
einer Stirnfläche 2a,
auf der die Nut 4 umfangsgemäß verläuft, aufpressbar ist, wodurch
in Richtung der Montageachse Y-Y eine axiale Verpressung der Umfangsdichtung 3 erfolgt.
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In Übereinstimmung
mit der ersten Ausführung
der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Expansionsraum E, insbesondere
hier der zweite Teilexpansionsraum E2, derart ausgebildet ist, dass eine
Expansion der Umfangsdichtung 3, wie sie im Betriebszustand
bei einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur (7 und 8) oder durch
Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, in Wirkungsrichtung
der Vorpresskraft FV erfolgt.
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Eine
derartige Ausbildung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems ist überall dort
in vorteilhafter Weise einsetzbar, wo in oder an Leitungen, Armaturen
oder Ag gregaten als Spalt 7 zwischen den beiden Kupplungsteilen 1, 2 ein
Radialspalt abzudichten ist.
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Bei
dem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach 9 bis 11 liegen
die gleichen konstruktiven Grundgegebenheiten vor wie bei dem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Allerdings – und
dies macht insbesondere 10 deutlich – gestattet
diese Ausführung
in besonders vorteilhafter Weise eine Vormontage einer Umfangsdichtung 3 an einem
in 9 separat dargestellten zweiten Kupplungteil 2.
Dies wird dadurch ermöglicht,
dass zumindest an einer der beiden Nutflanken 4b, 4c,
insbesondere – wie
dargestellt – an
der Nutflanke 4c auf der Seite, die dem abzudichtenden
Spalt 7 gegenüber
liegt, insbesondere durch eine Hinterschneidung, vorzugsweise im
oberen Bereich der Nut 4, ein Vorsprung 2b ausgebildet
ist, der die Umfangsdichtung 3 in einem Vormontagezustand
unverlierbar in der Nut 4 festhält.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen,
wie dies bereits durch die unterschiedlichen dargestellten konstruktiven
Ausführungsformen
der verschiedenen Expansionsräume bzw.
Bauteile und Verpressungsarten deutlich wird. So ist es beispielsweise
möglich,
Umfangsdichtungen
3 mit anderen als den dargestellten Querschnittsformen
einzusetzen, wie diese aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 20 2004 017 316
U1 bekannt sind.
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Insbesondere
ist es auch möglich,
dass sich der gesamte Expansionsraum E aus zwei oder mehr gleichartigen
oder ungleichartigen Teilexpansionsräumen E1, E2 zusammensetzt,
wie dies bereits erwähnt
wurde und anhand der 12 bis 14 deutlich
wird, die exemplarisch weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems
zeigen.
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Bei
diesen Ausführungsformen
handelt es sich – wie
bei den in 6 bis 11 gezeigten
Ausführungen
der Erfindung – jeweils
um ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem,
bei dem das zweite Kupplungsteil 2 in Richtung einer Montageachse
Y-Y auf eine Montageebene des ersten Kupplungsteils 1 mit
einer die Nut enthaltenden Stirnfläche 2a aufpressbar
ist, wodurch in Richtung der Montageachse Y-Y eine axiale Verpressung
der Umfangsdichtung 3 erfolgt.
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Die 12 bis 14 zeigen
dabei jeweils erfindungsgemäße Verbindungssysteme
mit zwei Teilexpansionsräumen
E2. Durch eine Aufteilung des gesamten Expansionsraumes E in gleichartige
Teilexpansionsräume
E2 – oder
auch ungleichartige Teilexpansionsräume E1, E2 – ist es möglich, unter Berücksichtigung
der Vorspannkraft FV und des Systemdrucks
p1 die Eigenspannungsverteilung in der Umfangsdichtung 3 im
Betriebszustand zu optimieren, wobei insbesondere ein gleichmäßiger Belastungszustand
im Material der Umfangsdichtung 3 eingestellt werden kann.
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Die
Teilexpansionsräume
E2 sind dabei derart ausgebildet, dass eine Expansion der Umfangsdichtung 3,
wie sie im Betriebszustand bei einer gegenüber der Raumtemperatur erhöhten Temperatur oder
durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, in Wirkungsrichtung
der Vorpresskraft FV erfolgt.
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So
zeigt 12 eine Ausführung mit zwei Teilexpansionsräumen E2,
die etwa gleiche Tiefen T1, T2, jedoch unterschiedliche Breiten
B1, B2 aufweisen. Ein Teilexpansionsraum E2, der als Vertiefung
im Nutgrund 4a ausgebildet ist, weist dabei eine Seitenwand
auf, die durch die Nutflanke 4c auf der Seite des Wirksamwerdens
des Systemdrucks p1, also auf der Seite,
die dem abzudichtenden Spalt 7 gegenüberliegt, gebildet ist. Dieser
Teilexpansionsraum E2 weist die größere Breite B1 auf, die nahezu genauso
groß ist
wie seine Tiefe T1. Der zweite Teilexpansionsraum E2, der ebenfalls
als Vertiefung im Nutgrund 4a ausgebildet ist, befindet
sich etwa in der Mitte des Nutgrundes 4a und weist die
vergleichsweise kleinere Breite B2 auf.
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13 zeigt
eine Ausführung
mit zwei Teilexpansionsräumen
E2, die etwa gleiche Tiefen T1, T2 und gleiche Breiten B1, B2 aufweisen.
Ein Teilexpansionsraum E2, der als Vertiefung im Nutgrund 4a ausgebildet
ist, weist dabei eine Seitenwand auf, die durch die Nutflanke 4c auf
der Seite des Wirksamwerdens des Systemdrucks p1,
also auf der Seite, die dem abzudichtenden Spalt 7 gegenüberliegt,
gebildet ist. Der andere Teilexpansionsraum E2, der ebenfalls als
Vertiefung im Nutgrund 4a ausgebildet ist, weist dabei
vorteilhafterweise eine Seitenwand auf, die durch die Nutflanke 4b auf
der Seite des abzudichtenden Spaltes 7 gebildet ist.
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Die
Ausführung
in 14 besitzt wiederum zwei, jeweils als Vertiefung
im Nutgrund 4a ausgebildete Teilexpansionsräumen E2,
die sich sowohl in ihren Tiefen T1, als auch in ihren Breiten B1,
B2 unterscheiden. Die Lage der Teilexpansionsräume E2 entspricht dabei derjenigen
der Ausführung
gemäß 12.
Der Teilexpansionsraum E2, der die Seitenwand aufweist, die durch
die Nutflanke 4c auf der Seite des Wirksamwerdens des Systemdrucks
p1 gebildet ist, besitzt sowohl eine größere Tiefe
T1, als auch eine größere Breite
B1 als es die jeweiligen Größen T2,
B2 des anderen Teilexpansionsraumes E2 sind.
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Zwei
oder mehr Teilexpansionsräume
E1, E2 können
auch in erfindungsgemäßen Systemen
mit radialer Verpressung, wie gemäß den Ausführungsbeispielen nach 1 bis 5 eingesetzt
werden, wobei die Teilexpansionsräume E2 vorteilhafterweise – sofern
erforderlich – auch
im Sinne von Mitteln zur mechanischen Hemmung einer axialen Bewegung der
Umfangsdichtung 3 wirksam werden können.
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Zur
geometrischen Veranschaulichung der Kräfteverhältnisse in einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem
bei axialer und radialer Verpressung der Umfangsdichtung 3 ist
in 15 eine perspektivische Darstellung einer als
O-Ringdichtung ausgebildeten Umfangsdichtung wiedergegeben. Nur
in dieser zeichnerischen Darstellung sind dabei die radialen Vorpresskräfte mit
dem Bezugszeichen FVR und die axialen Vorpresskräfte mit
dem Bezugszeichen FVA bezeichnet. Für die in
den Beispielen beschriebene radiale Verpressung gilt die Achsbezeichnung
X-X, für
die axiale Verpressung die Achsbezeichnung Y-Y.
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Es
ist außerdem
auch möglich,
dass der Expansionsraum E bzw. ein oder mehrere Teilexpansionsräume E1,
E2 desselben, im ersten Bauteil 1, also dem Bauteil liegen,
das keine Nut 4 aufweist. In diesem Fall kann die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verbindungssystem für Leitungen,
Armaturen oder Aggregate gelöst
werden, bei dem im ersten Kupplungsteil 1 und/oder im zweiten
Kupplungsteil 2, ein Expansionsraum E für die Umfangsdichtung 3 ausgebildet
ist, der die Umfangsdichtung 3 derart aufnimmt, dass bei einer
Volumenvergrößerung der
Umfangsdichtung 3, wie sie im Betriebszustand bei einer
gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten
Temperatur oder durch Quellung unter dem Einfluss des Fluids auftritt, und/oder
bei einer Deformation der Umfangsdichtung, wie sie unter dem Einfluss
der Vorpresskraft FV oder des erhöhten Drucks
p1 auftritt, ein Füllgrad, der sich als Quotient
aus einer radialen Querschnittsfläche AR der
verpressten Umfangsdichtung 3 und der Summe aus den Querschnittsflächen AN der Nut 4, des Expansionsraums
E und gegebenenfalls des abzudichtenden Spalts 7, ergibt,
kleiner ist als 100 Prozent.
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Die
Erfindung ist bislang noch nicht auf die in den Ansprüchen 1 und
22 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede
beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt
offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass
grundsätzlich
praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen
bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes
Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich
als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
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- 1
- erstes
Kupplungsteil
- 2
- zweites
Kupplungsteil
- 2a
- Stirnfläche von 2
- 2b
- Vorsprung
von 2
- 3
- Umfangsdichtung
- 4
- Nut
für 3
- 4a
- Nutgrund
von 4
- 4b
- Nutflanke
von 4 bei 7
- 4c
- Nutflanke
von 4
- 4d
- Schrägfläche von 4
- 5
- Schaft
von 2
- 6
- Aufnahmeöffnung von 1
- 7
- Spalt
zwischen 1 und 2
- AN
- Querschnitt
von 4 (einschließlich
E)
- AR
- radialer
Querschnitt von 3, deformiert,
- B,
B1, B2
- Breite
von E2
- BL
- Bogenlänge von 3
- E
- Expansionsraum
- E1
- erster
Teilexpansionsraum
- E2
- zweiter
Teilexpansionsraum
- FV
- Vorpreßkraft von 3
- FVA
- Vorpreßkraft von 3,
axial (nur in 15)
- FVR
- Vorpreßkraft von 3,
radial (nur in 15)
- FA
- Anlagefläche von 3 an 4b
- KL
- Kontaktlänge von 3 mit 1 oder 2
- NL
- Nutlänge von 4 (in
Richtung X-X)
- NLG
- Länge von 4a,
Abstand zwischen 4d und 4b
- p1
- hoher
Fluiddruck
- p2
- niedriger
Fluiddruck
- s
- Spaltweite
von 7
- T,
T1, T2
- Tiefe
von E2
- X
- charakteristische
axiale Hauptabmessung von 3
- X-X
- Längsachse
von 1, 2, radiale Verpressung
- Y-Y
- Längsachse
von 2, axiale Verpressung