DE2241273C2

DE2241273C2 - Biegsame Dichtung aus Metall

Info

Publication number: DE2241273C2
Application number: DE2241273A
Authority: DE
Inventors: Claude St. Etienne Abbes; Santos Bourg-St.-Andeol Bianchi; Roger Bollene Chevallereau; Maurice Lapalud Moreau; Jean St. Etienne Rogemont; Robert Pont-St. Esprit Roques; Christian Pierrelatte Rouaud; Henri Orange Royer
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-08-24
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1982-10-21
Also published as: BE787875A; JPS5146220B2; DE2241273A1; GB1356727A; IT969544B; ZA725627B; JPS4829952A; FR2151186A5; LU65934A1

Description

Die Erfindung betrifft eine biegsame Dichtung aus Metall nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, welche bemerkenswerte Stauch- 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 Schraubenfeder gebildeten Seele, die im Inneren eines die Feder mindestens teilweise umgebenden Mantels aus einem harten und elastischen Material, z. B. Stahl angeordnet ist Dabei kann die Schraubenfeder plastisch oder elastisch vorverformt sein, damit sie im Betrieb und bei den auf sie wirkenden Einspanndrücken auf den Mantel einen praktisch gleichbleibenden Dichtungsdruck ausübt

ίο Beispielsweise ist aus DE-GMS 19 74 988 eine Flachdichtung dieser Art bekannt, bei der die Außenfläche des Mantels mit einer dünnen Schicht eines weichen Werkstoffs, nämlich Zinn, versehen ist, die feinporig in einer Stärke von 5 bis 30 μπι um galvanisch auf den

is Grundwerkstoff abgeschieden ist Die Dichtung paßt sich dadurch besser den Unebenheiten der abzudichtenden Flächen an. An der Innenseite des Mantels ist eine dünne Kupferschicht aufplattiert in die sich die einzelnen Windungskämme der Feder eindrücken, wodurch ein Schrägstellen der Federwindung vermieden wird.

Bei dieser bekannten Dichtung erwies es sich als erforderlich, die weichere äußere Oberflächenschicht aus Zinn feinporig in einer Stärke von 5 bis 30 μπι galvanisch auf dem harten Grundmetall abzuscheiden, denn nur so ließ sie sich zusammen mit dem Grundmetall zu einem die Schraubenfeder kreisbogenförmig umgebenden Hüllkörper formen. Größere Schiehulicken des weichen Metalls lösten sich beim Formen von der Unterlage, während geringere Schichtdicken keinen genügenden Ausgleich von Unebenheiten der Dichtungsflächen bewirkten, so daß keine ausreichende Abdichtung erreicht wurde. Die bekannten Dichtungen genügen den Anforderungen bei verhältnismäßig geringen Durchmessern der Dichtungen und wenn keine übermäßige Dichtheit gefordert wird, z. B. bei Zylinderkopfdichtungen von Verbrennungsmotoren. Sie erweisen sich jedoch als nicht brauchbar für andere Bereiche, wie Dichtungen für Vakuum oder Hochvakuum, Teilchenbeschleuniger, Kernreaktoren, Raumfahrzeuge, elektronische Geräte, wo nicht nur die bei Metalldichtungen üblichen Eigenschaften von Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Haltbarkeit gefordert sind, sondern auch eine extrem gute Dichtheit über längere Zeiten bei erheblichen Abmessungen der Dichtung in der Größenordnung von mehreren Metern Durchmesser.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine biegsame Dichtung aus Metall zu schaffen, die auch bei erheblichen Abmessungen in der Größenordnung von mehreren Metern Durchmesser und bei einer Montage mit Einspannung von Flansch zu Flansch, welche die Verformungsspannung der Dichtung begrenzt, eine extrem gute Dichtheit mit Leckflüssen von höchstens ΙΟ⁵ Lusec-Helium für mehrjährigen Dauerbetrieb bei hoher Temperatur- und Korrosionsbeanspruchung gewährleistet.

Diese Aufgabe kann nicht gelöst werden durch die Anordnung eines dickeren Außenmantels aus duktilem Metall, oder von mehreren solchen Außenmänteln, auf dem ersten Mantel aus hartem Grundmetall der aus DE-GMS 19 74 988 bekannten Dichtung, selbst wenn es gelänge, die dort angegebenen Formungsschwierigkeiten bei der Herstellung einer solchen Dichtung zu vermeiden. Eine dickere Schicht eines duktilen Metalls würde nämlich bei den erforderlichen hohen Dichtungsdrücken und besonders bei höheren Temperaturen

unvermeidbar kriechen und dadurch die Dichtungswirkung besonders über längere Zeiträume beeinträchtigen.

Die oben gestellte Aufgabe wird nun gelöst durch eine biegsame Dichtung aus Metall mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. ■'·'

Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erst durch die erfindungsgemäße Kombination von Merkmalen, nämlich Unabhängigkeit des Außenmantels aus duktilem Metall vom darunterliegenden ersten Mantel aus hartem Grundmetall, und Ausbildung des Außenmantels in einer Wandstärke von 0,4 bis 0,5 mm wird einerseits ein Kriechen des duktilen Metalls und andererseits eine Porosität des Außenmantels und damit der gesamten Dichtung vermieden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Metalldichtung, die zwischen zwei Spannflansche eingespannt ist;

F i g. 2 die Stauchkurve dieser Dichtung in Abhängigkeit von der auf sie wirkenden Belastung;

F i g. 3 einen axialen Schnitt eines Teils der Dichtung im Bereich der Verbindung ihrer Enden;

Fig.4 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Dichtung;

Fig.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 ^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 (C), die parallel zur Achse der Abszissen verläuft, entspricht der Höchstbelastung. Schließlich gibt der Punkt (F) den von den Verwendungsbedingungen abhängigen Normalbetriebspunkt der Dichtung für eine gegebene Einspannung an.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt der Metalldichtung in waagrechter Lage in einer Nut zwischen zwei Flanschen 1 und 2, wobei selbstverständlich jede andere räumliche Lage ebenso möglich ist.

Die Dichtung weist eine Mittelseele auf, die aus einer Schraubenfeder 3 aus Metall, insbesondere Stahl, besteht. Diese Feder besitzt durch ihre Konstruktion eine sehr hohe axiale Kompressionsspannung, welche ihre Wendeln kräftig gegeneinander drückt, um zu verhindern, daß bei den im Betrieb auf die Feder wirkenden Querbelastungen die Wendeln 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 Schraubenfeder, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser der Schraubenfeder 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, so daß die Feder 3 einen in sich

geschlossenen Ring (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 Endwendeln.

Die so in sich geschlossene Schraubenfeder 3 ist im Inneren eines ersten Mantels 4 des Innenmantels angeordnet, der aus einem elastischen und nicht duktilem Metall, wie Weichstahl oder rostfreier Stahl

ίο besteht und vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine Wandstärke zwischen 0,3 bis 0,6 mm aufweist Der Mantel 4 ist seinerseits im Inneren eines Außenmantels 5 angeordnet, der aus einem duktilen Metall, wie Aluminium, Kupfer, Nickel oder Titan usw, besteht und eine Wandstärke von 0,4 bis 0,5 mm aufweist

Die Feder 3 und die Mantel 4 und 5 haben im Ruhezustand im Ganzen gesehen die Form einer Torusfläche, wobei der jeden der beiden Mäntel 4 und 5 erzeugende Kreis unvollständig ist so 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 Schraubenfeder 3 muß hinsichtlich der Verhältnisse ihres Nenndurchmessers zum Durchmesser des ihre Wendeln 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 Kurve der F i g. 2 bei (F) d. h. oberhalb der Abdichtungsschwelle (D) auf dieser Kurve liegt, die insbesondere einem Wert von 10~⁵ Lusec für Helium entspricht. Außerdem muß die Feder der Dichtung eine genügende elastische Remanenz verleihen, welche die Ausdehnungsunterschiede der zusammengebauten Teile, insbesondere der Flansche 1 und 2, ausgleichen kann, da die von den auf die Teile im Betrieb ausgeübten Kräften bestimmten äußeren Momente bestrebt sind, sie auseinanderzudrükken und das Zusammenwirken der einander zugewandten Flächen der Flansche mit dem duktilen Außenmantel 5 der Dichtung zu beschränken. Schließlich muß die Feder die Einspannkräfte der Flansche, die zum Erreichen des Betriebspunkts (F) erforderlich sind, auf einen annehmbaren Wert begrenzen, d. h. die Feder darf nicht zu steif sein, und die Mantel 4 und 5 dürfen nicht zu dick sein. Auch soll das Verhältnis der Durchmesser der Feder 3 für einen üblichen Stahl zwischen 6 und 11 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 Mantel (Innenmantel) 4 aus einem elastischen und nicht duktilen Metall dient dazu, die durch das diametrale Stauchen der Wendeln der Feder 3 ausgeübten Kräfte in Richtung der Pfeile der F i g. 1 gleichmäßig über den Außenmantel 5 aus duktilem Metall zu verteilen. Außerdem ist der Innenmantel 4 so gewählt, daß er zwischen der Feder 3 und dem duktilen Außenmantel 5 eine Kraftübertragung in bestimmter Weise bewirkt und vor allem verhindert, daß die Wendeln der Feder sich in den Außenmantel 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 Mantel 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 Außenmantel 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 mikrogeometrischen Maßstab mittelmäßigen Oberflächenzustand zeigen, da die Dicke dieses Außenmantels so gewählt ist, daß er sich genügend plastisch verformen kann, um die Fehler der abzudichtenden Flächen zu absorbieren und zu verdecken.

Infolge der erwähnten Ausbildung besitzt diese Metalldichtung Eigenschaften der Stauchung und elastischen Verformbarkeit, welche sich im Hinblick auf ihr Verhalten denen von Dichtungen 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 ihres Außenmantels 5 mit den Seitenflächen der zwischen den Flanschen 1 und 2 ausgebildeten Nut oder mit anderen (nicht gezeigten) Anschlagelementen, die zwischen diesen Flanschen senkrecht zur Richtung der Einspannkräfte (Pfeile in F i g. 1) angebracht sein können, erreicht werden. Außerdem ermöglicht die zunehmende, jedoch begrenzte Abflachung der Stauchungskurve der Dichtung (F i g. 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 steilen Abschnitt der Kurve liegt, was einer genügend starken Feder entspricht, daß die Übertragung der Kräfte auf die die Feder umgebenden Mäntel mit den gewünschten Dichtungseigenschaften zu vereinbaren ist. Schließlich gestattet die elastische Rückstellung der Dichtung, die durch den Kurventeil (B) in Fig. 2 dargestellt ist (der nicht 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 bleibenden Verformung zu unterscheiden.

Wenn nach dem Einspannen und anschließenden Entspannen die Dichtung in der in Fig.2 gezeigten Weise vom Punkt (D) bis zum Punkt (//J gelangt ist und sie nun erneut eingespannt wird, ergibt sich eine neue Abdichtungsschwelle (Dt) deren Ordinate zwischen der von (D) und der von (H) liegt Die Schwellen (D) und () zeigen so eine Hysteresis-Erscheinung 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 diese Dichtung aus Metall

ίο außer den oben erwähnten besonderen Vorteilen alle Vorteile der üblichen Dichtungen dieser Art aufweist, 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 Schraubenfeder umgebenden Mäntel gegebenenfalls nach Verwendung der Dichtung den elastischen Mantel und die Feder wieder zu verwenden und nur den duktilen Außenmantel zu ersetzen.

Diese Dichtung aus Metall läßt sich im übrigen gut aus Federn und Blechen üblicher technischer Qualität herstellen.

Zur Herstellung der beiden Mantel 4 und 5 kann man beispielsweise ein einfaches, durch Verschweißen in sich geschlossenes Band benutzen und durch Drücken oder auf jede andere wirtschaftlich zweckmäßige Weise in seine Form bringen. Eine solche Herstellungsweise ermöglicht besonders die Herstellung von Dichtungen aller Abmessungen, sowohl hinsichtlich des Durchmessers des erzeugenden Kreises (von 1,5 bis 20 mm oder darüber) wie des Dichtungsdurchmessers (bis zu 5 m oder darüber).

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

Fig.4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, wobei die Dichtung iO nicht mehr im Ganzen eine Kreisform, sondern einen komplizierteren Umriß aufweist, der von geraden Abschnitten 11 und diesen verbindenden gebogenen Abschnitten 12 gebildet wird. Bei dieser Abwandlung sind im übrigen alle Eigenschaften der Dichtung die gleichen wie bei der Ausführung von der Fig. 1.

Die Fig.5 und 6 schließlich zeigen zwei weitere Abwandlungen der Dichtung und ihrer Montage. Bei der ersten Montageart (F i g. 5) wird die Dichtung 13, weiche gleich der Dichtung der F i g, 1 ist, durch die Konuswirkung eines eingesetzten Werkstücks 14, welches zwei durch einen Konusteil 17 miteinander verbundene koaxiale Teile 15 und 16 aufweist und in Richtung seiner Achse in die Dichtung eingedrückt wird, radial gegen den Teil 18 des Halteflansches 19 gedrückt und eingespannt Diese Montage garantiert die Dichtheit selbst im Fall einer Relatiwerschiebung des Abschnitts 15 des Werkstücks 14 bezüglich der Dichtung.

Bei der zweiten Abwandlung (F i g. 6) überdecken sich

die Ränder der Mantel 23 und 24 der zwischen zwei Einspannstücken 21 und 22 eingeschlossenen Dichtung 20, wodurch die Feder 25 vor der Außenumgebung geschützt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Biegsame Dichtung aus Metall, die eine Seele aus einer in sich geschlossenen Schraubenfeder aus Metalldraht mit aneinanderstoßenden Wendeln und hoher axialer Kompressionsspannung, die im Ruhezustand eine Torusform hat, einen die Feder umgebenden ersten Mantel aus hartem und elastischem Metall und einen diesen umgebenden Außenmantel aus duktilem Metall aufweist, wobei jeder der Mäntel die Form einer von einem nicht vollständigen Kreis erzeugten Torusfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) unabhängig vom ersten Mantel (4) ist und eine Wandstärke von 0,4 bis 0,5 mm hat.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (3a, 3b) der Schraubenfeder der Seele miteinander durch ein kurzes Verbindungsstück (3c) verbunden sind, das aus einer zweiten Schraubenfeder besteht, deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Feder der Seele ist und 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. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (3a, 3b) der Schraubenfeder durch eine die Endwendeln der Feder verbindende Schweißnaht verbunden sind.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Umriß ein geschlossener Kreis ist.

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. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) aus duktilem Metall wie Aluminium, Kupfer, Nickel oder Titan besteht.

7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des ersten Mantels (4) zwischen 0,3 und 0,6 mm und das Verhältnis des Nenndurchmessers der Schraubenfeder zum Durchmesser ihres Metalldrahts zwischen 6 und 11 liegt.

8. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) und der erste Mantel (4) senkrecht zur Achse der Schraubenfeder ein offenes C-Profil aufweisen.

9. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (5) und der erste Mantel (4) senkrecht zur Achse der Schraubenfeder ein Kreisprofil mit sich überdeckenden Enden aufweisen.