DE3820928A1 - Thermisch leitende dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermisch leitende Dichtung insbesondere für den Zylinderkopf von Motoren. Sie betrifft besonders die Steigerung der thermischen Leitfähigkeit in Dichtungsmaterialien mit besonderer Betonung des Übergangs der Wärme von Überhitzungsstellen zur Verbesserung der Dichtungs-Lebensdauer.

Die Nachfrage nach asbestfreien Motordichtungen hat zu Versuchen ge­ führt, Materialien zu entwickeln, die temperaturbeständig und kosten­ günstig in der Herstellung sind. Asbestfreie Dichtungen enthalten Bindemittel und Füllstoffe, um die physikalische Festigkeit des Dichtungsmaterials zu erhöhen. Verschiedene Imprägniermittel wurden verwendet, um die Durchlässigkeit des Materials zu reduzieren und um die Dichtungseigenschaft unter hohen Temperaturbelastungen zu ver­ bessern. Solche Mittel neigen jedoch dazu, im Lauf der Zeit zu ver­ dunsten oder sich zu verflüchtigen, was zu Beschädigungen oder Zerstörung der Dichtungen und Verschlechterung der Dichtwirkung führt. Mit dem Verlust an Bindemittel und Füllstoffen oder anderen Mitteln verringern sich auch Festigkeit und Dichte der Dichtung, wodurch sich die Dichtwirkung verschlechtert, beinahe unmittelbar nach Beginn der Benutzung des Dichtungsmaterials.

Es wurden Versuch gemacht, Wärme von den Verbrennungsbereichen weg zu Bereichen zu transportieren, die benachbart zu den Kühlwasser­ kanälen liegen. Bei einem solchen Versuch zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit wurde eine Mehrzahl von wärmeleitenden Streifen auf die Außenflächen des Verbundmaterials aufgebracht. Dies war einigermaßen, aber noch nicht ausreichend wirksam hinsichtlich der Verhinderung lokaler Überhitzungsstellen. Darüber hinaus sind die Materialien der Bänder oder Folien, die auf diese Außenflächen aufgebracht wurden, unverträglich mit bestimmten Beschichtungsmaterialien, die als Antiklebmittel und/oder Antifreßmittel verwendet werden. Die Ver­ wendung solcher thermisch leitender Materialien hat ferner zu Problemen geführt im Hinblick auf Oberflächenbeschädigungen während der Installation, insbesondere wenn Graphitfolien verwendet wurden.

Die Erfindung betrifft hingegen eine mehrschichtige thermisch leitende Motordichtung mit einem metallischen Kern mit einem Paar asbestfreien Schichten auf jeder Seite des Kerns, ferner mit einem thermisch leitenden Material, das in direktem Kontakt mit dem Kern auf wenigstens einer seiner Seiten steht. Die asbestfreien Schichten haben eine beträchtlich verbesserte Lebensdauer wegen der darunterliegenden thermisch leitfähigen Schicht. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die leit­ fähige Schicht aus expandiertem Graphit und die beiden Schichten, d.h. die leitende Schicht und die darüberliegende Schicht sind mechanisch mit dem Kern verklemmt oder verklammert. Das Kern­ material ist Kohlenstoffstahl, insbesondere niedrig gekohlter Kohlenstoffstahl, während das Schichtmaterial aus einem Verbund­ material besteht, das Ton, Gummi und Aramid-Fasern enthält.

Eine beispielsweise Ausführungsform wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 im Schnitt eine Verbunddichtung nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt eine andere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Dichtung.

Die Zylinderkopfdichtung 10 nach Fig. 1 hat einen Verbundaufbau mit einem inneren metallischen Kern 12 mit gegenüberliegenden planaren oberen und unteren Flächen 14, 16. Eine thermisch leitfähige Folie oder Schicht 18 steht in direktem Kontakt mit der oberen Fläche 14, wie dargestellt.

Ein Paar kompressibler Dichtungs-Lagen 20 ist auf gegenüber­ liegenden Seiten des metallischen Kernes 12 in der dargestellten Weise angeordnet. Eine Mehrzahl von Lappen oder Klauen 24 wird durch Perforationen im Kern 12 während der Herstellung erzeugt, um die thermisch leitfähige Schicht 18 und ebenso die Lagen 20 mit den planaren Flächen 14 und 16 des Kernes 12 mechanisch zu verklammern. Vorzugsweise werden die Schichten miteinander ver­ bunden oder verklammert, indem sie durch eine Gruppe von Walzen hindurchgeführt und gewalzt werden, wie an sich bekannt. Eine solche mechanische Verankerung oder Verklammerung ist wirksamer und doch billiger als die Verwendung von Klebstoffen für die Ver­ bindung der einzelnen Schichten.

Die Querschnitte in den Fig. 1 und 2 zeigen nur Teilansichten der Dichtung und sie umfassen einen zum Verbrennungsraum gerichteten Flansch 26, 26′, der vorzugsweise aus Stahl besteht. Der Stahl­ flansch 26, 26′ nimmt einen großen Teil der Wärme auf, da er an den Bereich der Verbrennungskammer angrenzt. Insoweit als dieser Flansch eine Überhitzungsstelle darstellt, wird durch die thermisch leitende Schicht 18 Wärme weg von dem Flansch 26, 26 in Richtung zu einem kühleren Bereich geführt, z.B. einem nicht-dargestellten Kühlkanal durch die Dichtung.

In Fig. 1 besteht die thermisch leitfähige Schicht vorzugsweise aus einem expandierten Graphitmaterial. Der metallische Kern besteht zweckmäßigerweise entweder aus rostfreiem Stahl oder einem niedrig gekohlten Kohlenstoffstahl, der vorzugsweise mit Zinn plattiert ist. Der Kern hat in der bevorzugten Ausführungsform eine Dicke im Be­ reich von 0,15 bis 0,3 mm während die thermisch leitfähige Schicht 18 vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,175 bis 0,25 mm hat. Die Lagen 20, die aus einem Verbundmaterial bestehen, das Ton, Gummi und Aramid-Fasern enthält (aus der Klasse der Polyamid-Fasern), werden paarweise verwendet, wobei jede Lage eine bevorzugte Dicke von etwa 0,5 bis 0,625 mm hat.

Obwohl expandierbarer Graphit eine thermische Leitfähigkeit hat, die in verschiedenen Ausführungsformen wenigstens dreimal so groß ist wie diejenige von niedrigem Kohlenstoffstahl, können auch andere Materialien für die thermisch leitende Schicht 18 verwendet werden, z.B. Aluminium oder Kupfer. Bei den angegebenen Dicken-Bereichen hat sich bei einem Automobil-Verbrennungsmotor die Verwendung einer Schicht 18 aus einer Graphit-Folie als äußerst wirksam gezeigt bei der Eliminierung von Überhitzungsstellen in den der Verbrennungskammer zugewandten Bereichen der Dichtung 10. Die angegebenen Dicken können jedoch mit dem An­ wendungsfall variiert werden. Die Wärmeübertragung oder der Wärme­ transport hat sich als sehr wirksam erwiesen, obwohl die thermisch leitende Schicht unter den Schichten 20 liegt. Die mehrschichtige thermisch leitende Motordichtung 10 nach der Erfindung kann auch in Verbindung mit Deckschichten aus Silicon und/oder Teflon verwendet werden, wobei in diesen Anwendungsfällen die innere Graphitschicht nicht in Kontakt mit den Oberflächenschichten der Dichtung tritt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden zwei thermisch leitende Schichten 18′ verwendet, von denen eine mit der oberen planaren Fläche 14′ des Kernes 12′ und die andere mit der unteren planaren Fläche 16′ des Kernes 12′ verbunden ist. Im übrigen ist die Ver­ bunddichtung 10′ nach Fig. 2 identisch mit derjenigen nach Fig. 1.

Die Verwendung und Anordnung der thermisch leitenden Schichten steigert die Anpassungsfähigkeit der Dichtung an rauhe oder grobe Oberflächen ohne Benachteiligung oder Beschädigung der leitenden Schichten 18, 18′. Auch werden die Toleranzen bezüglich des Flansches 26, 26′ weniger kritisch, da die leitenden Schichten unter den Deckschichten 20 liegen.

Claims (10)

1. Thermisch leitfähige Verbund-Dichtung, gekennzeichnet durch einen metallischen Kern mit gegenüberliegenden ebenen Flächen, einer ersten Schicht aus einem Material, die direkt an einer dieser Flächen anliegt, daß diese erste Schicht eine thermische Leit­ fähigkeit hat, die größer ist als diejenige des metallischen Kerns, ferner durch eine zweite Schicht aus einem kompressiblen Dichtungsmaterial, die direkt neben der ersten Schicht ange­ ordnet ist, und daß die erste und die zweite Schicht mechanisch mit dem Kern verklammert sind.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht ein expandiertes Graphit-Material enthält.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kern perforiert ist und eine Mehrzahl von Klauen in beiden ebenen Flächen ausgebildet sind.

4. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Schicht aus einem asbestfreien Verbund­ material besteht.

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem Verbundmaterial aus Ton, Gummi und Aradmid-Fasern besteht.

6. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus einer Aluminiumfolie besteht.

7. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus einer Kupferfolie besteht.

8. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der metallische Kern aus einem niedrig gekohlten Kohlenstoffstahl besteht mit einer Dicke im Bereich von 0,15-0,3 mm.

9. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 0,175-0,25 mm aufweist.

10. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei zweite Schichten aufweist, von denen je eine auf jeder Seite des Kerns angeordnet ist, und daß jede der beiden zweiten Schichten eine Dicke im Bereich von 0,5-0,625 mm aufweist.