DE2241273A1 - Biegsame dichtung aus metall - Google Patents

Description

0 0/ 1 0 7 'S • FATEiViTANWALT / Z H I L IQ

DR. HANS ULRSOH MAY

D 8 MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1 a TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN TELEFON CO81O Ο936 82

€P 437/1110

CG 437/111Oa

München, 22.August 1972

B 4194.3 PG Dr.l0»t

Commissariat ä I¹Energie Atomigue in Paris, Frankreich

Biegsame Dichtung aus Metall«

Die Erfindung betrifft eine biegsame Dichtung aus Metall,» welche bemerkenswerte Stauen- und elastische Remanenzeigenschaften aufweist und die Vorteile üblicher Dichtungen aus Metall mit denen von Dichtungen aus Elastomeren verbindet und insbesondere eine wirksame Montage dieser Dichtungen in den Nuten von Flanschen bei einer gegebenen Einspannung und Berührung von Metall mit Metall ermöglicht.

Bekannt sind Metalldichtungen mit einer aus einer Spiralfeder gebildeten Seele, die im Inneren eines die Feder mindestens teilweise umgebenden und aus einem harten und elastischen Material» z.B. aus Stahl des entsprechenden Typs, bestehenden Mantels

angeordnet sind. Es ist ebenfalls bekannt, bei einer Dichtung dieser Art die Außenfläche und gegebenenfalls die Innenfläche des Mantels mit einer oder mehreren Schichten eines weichen Materials auszustatten, wodurch sich die Dichtung, besonders infolge der AuSenschicht, leichter den Unebenheiten der abzudichtenden Flächen anpaßt. Vorteilhafterweise kann dabei, wie bekannt, die innen lie-

309810/0730

gende Spiralfeder plastisch oder elastisch vorverforrat sein, damit sie im Betrieb und bei den auf sie wirkenden EinspanndrUcken auf den Mantel einen praktisch gleichbleibenden Dichtungsdruck ausübt.

Diese bekannten Dichtungen genügen den Anforderungen bei bestimmten Anwendungsbedingungen, besonders bei verhältnismäßig geringen Durchmessern der Dichtungen und in Fällen, wo keine Übermäßige Dichtheit gefordert wird, z.B. bei der Herstellung von Zylinderkopfdichtungen von Verbrennungsmotoren. Das gilt jedoch nicht für andere Bereiche, wie Dichtungen für Vakuum oder Hochvakuum, Teilchenbeschleuniger, Kernreaktoren, Raumfahrzeuge, elektronische Geräte usw., wo außer den bei Metalldichtungen gegebenen Eigenschaften von Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Haltbarkeit über längere Zeiten eine sehr gute Dichtheit gewünscht wird, nämlich mit Leckflüssen von höchstens 10 lusec sowie gleichzeitig erheblichen Abmessungen der Dichtung in der Größenordnung von mehreren Metern Durchmesser und bei einer Montage mit Einspannung von Flansch zu Flansch, welche die Verformungsspannung dieser Dichtungen begrenzt, wobei außerdem die Dichtheit unter diesem Bedingungen für einen Dauerbetrieb von mehreren Jahren erhalten bleiben muß.

Durch die Erfindung wird nun eine Dichtung aus Meta-l-1 geschaffen, welche die gestellten Forderungen vollkommen erfüllt.

Eine biegsame Dichtung aus Metall, die eine Seele aus einer in sich geschlossenen Spiralfeder aus Metalldraht mit aneinander stoßenden Spiralen und hoher axialer Kompressionsspannung, welche im Ruhezustand die Form eines Torus hat und einen die Feder umgebenden Mantel aus hartem und elastischem Metall aufweist, der im Ruhezustand die Form einer Torusflache hat, die von einem nicht vollen Kreis erzeugt ist, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen unabhängigen Außenjnantel aus duktilem Metall, der den ersten Mantel umgibt und im Ruhezustand ebenfalls die Form einer von einem nicht

309810/0730

durchgehenden Kreis erzeugten Torusflache hat.

Vorteilhafterweise sind die Enden der Spiralfeder der Seele miteinander durch ein kurzes Verbindungsstück verbunden, das aus einer zweiten Feder besteht» deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem innendurchmesser der Feder der Seele ist, wobei das Verbindungsstück aus einem Metalldraht gleich dem Metalldraht der Feder der Seele hergestellt ist und in die beiden Enden der Feder der Seele einschraubbar ist, um diese miteinander zu verbinden. Statt dessen können die Enden der Spiralfeder der Seele auch durch Verschweißen ihrer Endspiralen verbunden werden.

Die Erfindung wird erläutert anhand der folgenden Beschreibung mehrer, nur als Beispiele angegebener Ausführungsformen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein© erfindungsgemäße Metalldichtung, die zwischen zwei Spannflansche eingespannt ist; Fig. 2 die Stauchkurve dieser Dichtung in Abhängigkeit von der auf sie wirkenden Belastung;

Fig. 3 einen axialen Schnitt eines Teils der Dichtung im Bereich der Verbindung ihrer Enden;

Fig. 4 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Dichtung;

die Figuren 5 und 6 zwei weitere Ausführungsformen der Dichtung. In Fig. 2 sind die DurchmesserStauchungen der Dichtung in der Abszisse (E) und die auf die Dichtung wirkenden Belastungen in der Ordinate (C) aufgetragen. Der Kurventeil (A) entspricht der Belastung und der Kurventeil (B) der Entlastung. Der Punkt (D) bezeichnet die Dichtungsschwelle im ansteigenden Teil der Kurve und der Punkt (H) die Leckschwelle im absteigenden Kurventeil. Die gestrichelte Linie (G), die parallel zur Achse der Abszissen verläuft, entspricht der Höchstbelastung. Schließlich gibt der Punkt (F) den

309810/0730

von den Vervendungsbedingungen abhängigen Normalbetriebspunkt der Dichtung für eine gegebene Einspannung an.

In Pig· 1 ist die Metalldichtung in waagerechter Ltage in einer Nut Bvischen zwei Flanschen 1 und 2 gezeigt, wobei selbstverständlich jtde andere räumliche Lage ebenso möglich wäre. Die Figur zeigt die Dichtung im Querschnitt. Die Dichtung weist eine Mittelseele auf, die aus einer Spiralfeder 3 aus Metall, insbesondere Stahl, besteht. Diese Feder besitzt durch ihre Konstruktion eine sehr hohe axiale Kompressionsspannung, welche ihre Spiralen kräftig gegeneinander drückt, um zu verhindern, daß bei den im Betrieb auf die Feder wirkenden Querbelastungen die Spiralen seitlich umkippen und sich übereinanderlegen, was zu einem sofortigen Bruch der Abdichtung zwischen den Flanschen 1 und 2 führen würde. Die Feder 3 ist in sich geschlossen, indem ihre Enden 3a und 3b durch ein kurzes Verbindungsstück 3c untereinander verbunden sind, wie Fig. 3 im Längsschnitt zeigt. Das Verbindungsstück besteht aus einer zweiten Spiralfeder, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der Spiralfeder 3 entspricht und die aus einem Metalldraht von gleicher Art und gleichem Durchmesser wie .der der Feder 3 hergestellt ist. Die Feder 3c kann so in die Feder 3 eingeschraubt werden und deren Enden 3a und 3b aneinanderstoßend verbinden, sodaß die Feder 3 einen in sich geschlossenen King (Torus) bildet. Selbstverständlich können auch abgewandelte Ausführungsformen vorgesehen sein, um die Enden 3a und 3b der Feder 3 miteinander zu verbinden, beispielsweise durch eine Verschweißung der Bndspiralen·

Die so in sich geschlossene Spiralfeder 3 ist im Inneren eines (ersten) Mantels 4 angeordnet, der aus einem elastischen und nicht duktilem Metall, wie Weichstahl oder rostfreier Stahl besteht und vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine Wandstärke von etwa 0,3 oder 0,6 mm aufweist. Der Mantel 4 ist erfindungsgemäß sei-

309810/0730

nerseits im Inneren eines Außenmantels 5 angeordnet, der aus einem duktilen Metall, vie Aluminium, lupfer» nickel oder Titan msw«, besteht und eine Wandstärke von etwa 0,4 bis 0,5 mm aufweist»

Die Feder 3 und die Mäntel 4 und 5 haben im Ruheaustand lsi gesehen die Form einer Torusflache» wobei der jeden der beidea Mäntel 4 und 5 erzeugende Kreis so,unterbrochen ist, daß die Oberfläche dieser Mäntel nicht durchgehend geschlossen ist. Anders gesagt ist die Feder 3 zwar über ihre gesamte Länge von beiden Mänteln bedeckt, jedoch nicht -vollständig in diese eingeschlossen« was der Dichtung die im Folgenden dargelegten besonderen Eigenschaften verleiht.

Die Spiralfeder 3 muß hinsichtlich der Verhältnisses ihres Nennduichmessers zum Durchmesser des ihre Spiralen bildenden Drahtes mehreren wesentlichen Bedingungen entsprechen* Vor allem muß die. Feder auf die Mäntel 4 und 5 einen solchen Druck ausüben können, daß der Arbeitspunkt auf der Kurv© der Fig» 2 bei (F)₉ d_oh» oberhalb der Abdichtungsschwelle (D) auf dieser Kuiva liegt» die insbesondere einem Wert von 10"° Lusec für Helium entspricht0 Aiaierdem muß die Feder der Dichtung eine genügende elastische "Remanenz verleihen, welche die Ausdehnungsunterschiede der zusassmengebauten Teile, insbesondere der Flansche 1 und 2, ausgleichen kann, da die

■Kräften bestimmten

von den auf die Teile im Betrieb ausgeübtenI äußeren Momente bestrebt sind, sie auseinanderzudrücken und das Zusammenwirken der einander zugewandten Flächen der Flansche mit dem duktilen Außenmantel 5 der Dichtung zu beschränken. Schließlich muß die Feder die SSinspannkräfte der Flansche, die zum Erreichen des Betriebspunkts erforderlich sind, auf einen annehmbaren Wert begrenzen, d.h.

die Feder darf nicht zu steif sein und die Mäntel 4 und 5 dürfen nicht zu dick sein. Vorteilhafterweise soll das Verhältnis der Durchmesser der Feder 3 für einen üblichen Stahl zwischen 6 und

309810/0730

liegen, was einen Elastizitätsmodul mit ziemlich steiler Steigung erfordert» entsprechend etwa 30 bis 40 % bei einem Eindrücken von 1 mm in der Nähe des Betriebspunktes.

Der (erste) Innenmantel 4 aus einem elastischen und nicht duktilen Metall dient dazu, die durch das diametrale Stauchen der Spiralen der Eeder 3 ausgeübten Kräfte in Richtung der Pfeile der Fig. 1 gleichmäßig über den (zweiten) Außenmantel 5 aus duktilem Metall su verteilen. Außerdem ist der Innenmantel 4 so gewählt, daß er «wischen der Feder 3 und dem duktilen Mantel 5 eine Kraftübertragung in bestimmter Weise bewirkt und vor allem verhindert» daß die Spiralen der Feder sich in den Mantel 5 einbetten oder ihn reliefartig markieren, was zum Auftreten von radialen Streifen in diesem Mantel und an seiner mit den Flächen der Flansche 1 und 2 in Berührung kommenden Außenfläche führen würde, wodurch die gewünschte hohe Abdichtung unmöglich zu erreichen wäre. Die Verwendung zweier aufeinanderfolgender Mäntel 4 und 5 hat vor allem hierfür ihre Bedeutung, und es liegt darin ein erheblicher Unterschied zu den bekannten Dichtungen, die nur einen Mantel vorsehen, auf den gegebenenfalls außen eine Schicht eines weichen Materials aufgebracht ist. Diese bekannten Dichtungen gestatten nicht, die für die Dichtung vorgesehenen Abdichtungswerte bei Einspannkräften zu erreichen, die notwendigerweise durch die Montage zwischen aneinanderstoßenden Flanschen, die zwischen sich einen Sitz mit bestimmten Abmessungen freilassen und eine bestimmte und unveränderliche Stauchung der Dichtung bewirken, begrenzt ist.

Der zweite (äußere) Mantel 5 kann sich also, da er aus einem duktilen Metall besteht, den Oberflächen 6 und 7 der Flansche 1 und 2, ,gegen
/welche die Dichtung drückt, vollkommen anpassen, selbst wenn diese Flächen einen im aikrogeometrischen Maßstab mittelmäßigen Oberflächenzustand zeigen, da die Dicke dieses Außenmantels so ge-

309810/0730

wählt ist, daß er sich genügend plastisch verformen kann, um die Fehler derjabzudichtenden Flächen au absorbieren und zu verdecken«

Infolge der erwähnten Ausbildung besitzt die erfindungsgemäße Metalldichtung Eigenschaften der Stauchung und elastischen Verformbarkeit i welche sich im Hinblick auf ihr Verhalten denen von Dichtung gen aus elastomeren Werkstoffen nähern Vor allem kann durch die Lage des Arbeitspunktes (F) auf einem ansteigenden Stück der Kurve (und nicht in einem Bereich mit gleichbleibenden Eigenschaften, wie bei den bisherigen Dichtungen) ein richtiges Arbeiten der Dichtung bei einer Quereinspannung zwischen zwei ebenen Flächen ohne jede Berührung der Dichtung und besonders i|?res Außenmantels 5 mit den Seitenflächen der zwischen den Planschen 1 und 2 ausgebildeten Nut oder mit anderen (nicht gezeigten) Anschlagelementen, die zwischen diesen Flanschen senkrecht zur Richti.mg der Einspannkräfte (Pfeile in Fig. 1) angebracht sein können₉ erreicht werden. Außerdem ermöglicht die zunehmende, jedoch begrenzte Abflachung der Stauchungskurve der Dichtung (Fig. 2) im Betriebsbereich die Erhöhung der Toleranzen hinsichtlich der ausgeübten Kräfte, was für eine Montage zwischen Flanschen günstig ist, wobei jedoch zu beachten ist, daß das oben erwähnte Verhältnis zwischen den Durchmessern«der Feder erfordert, daß der Arbeitspunkt (F) in einem verhältnismäßig

genügend steilen Abschnitt der Kurve liegt, ^as einer/starken Fectar ent-. spricht, daß die übertragung der Kräfte auf die diß Feder umgebenden Mäntel mit den gewünschten Dichtungseigenschaften zu vereinbaren ist. Schließlich gestattet die elastische= Stickstellung der Dichtung, die durch den Kurventeil (B) in Fig. 2 dargestellt ist (der rächt mit dem Kurventeil (A) zusammenfällt), unter guten Bedingungen die Abweichungen der Einspannung der Flansche 1 und 2, beispielsweise unter der Wirkung von Druck- oder Temperaturveränderungen, zu kompensieren und die elastische Rückstellung von der

309810/0730

bleibenden Verformung zu unterscheiden.

Wenn nach dem Einspannen und anschließenden Entspannen die Dichtung in der in Fig. 2 gezeigten Weise vom Punkt (D) bis mm Punkt (H) gelangt ist und sie nun erneut eingespannt wird, ergibt sich eine neue Abdichtungsschwelle (D-) deren Ordinate zwischen der von (D) und der von (H) liegt. Die Schwellen (D) und (D₁) zeigen so eine Hysteresis-Erseheinvng in der Dichtung, die auf eine bleibende Verformung zurückzuführen ist, da die Schwelle (D) den Wert des Grenzflächendrucks kumuliert, der zur Herstellung der Abdichtung bei plastischer Anfangsverformung des duktilen Außenmantels 5 erforderlich ist, die die Anpassung dieses Mantels an den Zustand der Oberflächen der einander gegenüberliegenden Flansche gewährleistet.

Es zeigt sich somit, daß die erfindungsgemäße Dichtung aus Metall außer den oben erwähnten besonderen Vorteilen alle Vorteile der üblichen Dichtungen dieser Art aufweistί insbesondere zeigt sie Temperaturbeständigkeit, selbst im Fall rascher und starker Temperaturwechsel, Korrosionsbeständigkeit, Steifheit selbst bei großen Durchmessern, einfache Montage, und schließlich die Möglichkeit, infolge der Unabhängigkeit der beiden die Mittelfeder umgebenden Mäntel gegebenenfalls nach Verwendung der Dichtung den elastischen Mantel und die Feder wieder zu verwenden und nur den duktilen Außenmantel zu ersetzen.

Die erfindungsgemäße Dichtung aus Metall eig-net sich im übrigen gut zur Herstellung aus Federn und Blechen üblicher technischer Qualität. Zur Herstellung der beiden Mäntel A und 5 kann man beispielsweise ein einfaches, durch Verschweißen in sich geschlossenes Band benutzen und durch Drücken oder auf jede andere wirtschai t.lieh zweckmäßige Weifη in seine Form bringen. Eine solche Herst« llungsweise ermöglicht besonders die Herstellung von Dichtungen aller Abmessungen, sowoM hinsichtlich des Durchmessers des erzeugenden Krei-

309810/0730

ses (von 1,5 bis 20 mm oder darüber) vie des Dichtungsdurchmessers (bis zu 5 m oder darüber).

Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, kann die Dichtung hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt verden, und es kann für den Außenmantel 5 ein duktiles Metall mit nicht zu großer Kriechneigung und für die Feder jedes andere für die besonderen Vervendungsbedingungen geeignetes Material bemitzt verden.

Fig. 4 zeigt eine abgevandelte Ausführungsform, vobei die Dichtung 10 nicht mehr im Ganzen eine Kreisform sondern einen komplizierteren Umriß aufweist, der von geraden Abschnitten 11 und diesen verbindenden gebogenen Abschnitten 12 gebildet vird. Bei dieser Abvandlung sind im übrigen alle Eigenschaften der Dichtung die gleichen vie "bei der Ausführung von der Fig. 1.

Die Figuren 5 und 6 schließlich zeigen zwei veitare Abwandlungen der Montage der Dichtung, Bei der ersten Montageart (Fig.5) vird die Dichtung 13, velche gleich der Dichtung der Fig. 1 ist, durch die Konuswirkung eines eingesetzten Werkstücks 14, welches zwei durch einen Konusteil 17 miteinander verbundene koaxiale Teile 15 und 16 aufveist und in Richtung seiner Achse in die Dichtung eingedrückt vird, radial gegen den Teil 18 des Halteflansches 19 gedrückt und eingespannt. Diese Montage garantiert die Dichtheit selbst im Fall einer Relativverschiebung des Abschnitts 15 des Werkstücks 14 bezüglich der Dichtung. Bei der zveiten Abwandlung (Fig. 6) verden die Mäntel 23 und 24 der zvischen zvei Einspannstücken 21 und 22 eingeschlossenen Dichtung 20 teilweise über sich selbst geschlossen, wodurch die Feder 25 vor der Außenumgebung geschützt vird.

309810/0730

Claims (9)

1. /ΐ.) Biegsame Dichtung aus Metall, die eine Seele aas einer in sich geschlossenen Spiralfeder aus Metalldraht mit aneinanderstoßenden Spiralen und hoher axialer Korapressionsspanniing, die im Ruhezustand eine Torusform hat, und einen die Feder ungebenden Mantel aus harte» und elastischem Metall aufweist, der die Form einer Torusflache hat, die von einem nicht vollständigen Kre-.s erzeugt ist, gekennzeichnet durch einen unabhängigen AußeniEantel (5) aus duktilem Metall, der den ersten Mantel (4) umgibt u?-c* ebenfalls iia Ruhezustand die Fora einer Torusf lache hat, die ve ä c-inem nicht vollen Kreis erzeugt ist·
2. 2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (3a, 3b) der Spiralfeder der Seele raitainander durch ein kurzes Verbindungsstück (3c) verbunden sind, das aus einer zweiten Feder besteht, deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Feder der Seele ist ii~id das aus einem Metalldraht gleich dem Draht der Feder der Seele geformt ist und in das eine und andere Ende der Feder der Seele einschraubbar ist.
3. 3* Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (3a, 3b) der Spiralfeder durch eine die Endspiralen der Feder verbindende Schweißnaht verbunden sind.
4. 4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet· daß ihr Umriß ein geschlossener Kreis ist.
5. 5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Umriß aus geraden Abschnitten, die untereinander durch gebogene Abschnitte verbunden sind, besteht.
6. 6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) aus duktilem Metall aus Aluminium, Kupfer, Nickel oder Titan besteht.

   309810/0730
7. 7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Auöenmantels (5) zwischen 0,4 und 0,5 mm, di<° Wandstärke .das ersten Mantels (4) zwischen 0,3 und 0,6 mm und das Verhältnis des Neruiäu*rchmessers der 'Feder zum Durchmesser ihres Metallärafets avischen 6 und 11 liegt.
8. 8. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, c¹ aß der Außenmantel (5) im Schnitt durch eine die Achse des von der zentralen Feder gebildeten Torus enthaltenden Ebene ein offenes C-Profil aufweist*
9. 9. Dichtung nasch einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der AoBeiaraantel (5) im Schnitt durch eine die Achse des von der zentralem Feder gebildeten Torus enthaltenden Ebene ein in sich.geschlossenes Profil mit sich teilweise überdeckenden Enden aufweist.

   309810/0730