DE3935960C2 - Einrichtung zur abdichtenden Überbrückung eines Spaltes zwischen zwei in drei Raumrichtungen verschiebbaren Bauteilen - Google Patents

Description

Einrichtung zur abdichtenden Überbrückung eines Spaltes zwischen zwei in drei Raumrichtungen verschiebbaren Bauteilen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Abdichtung derartiger Spalte, beispielsweise zwischen einem Wärmetauscherblock und einem Wärmetauscheraußengehäuse ist problematisch, da zum einen der den Wärmetauscherblock durchströmende Gasstrom nicht durch Dichtspalte an diesem teilweise vorbeigeführt werden darf, und zum anderen thermisch bedingte Dehnungen und Lageveränderungen auftreten, die eine herkömmliche Abdichtung schwierig erscheinen lassen. Eine bekannte Art der Abdichtung besteht darin, Bürstendichtungen vorzusehen, die jedoch den Nachteil eines hohen Herstellungsaufwandes haben. Ferner sind sie einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt.

Die Einrichtung nach der eingangs genannten bekannten Art (GB-A 21 86 330) behandelt zwei vertikal mit Abstand angeordnete, unterschiedlichen thermischen Belastungen und Dehnungen ausgesetzte Bauteile; der Bauteilabstand soll abdichtend überbrückt werden durch ein einziges Plattenelement mit fortlaufenden Wellen, die sich in vertikaler Richtung erstrecken.

Das Plattenelement soll zwischen beiden Bauteilen in zwei verschiedenen Querebenen thermische Differenzdehnungen ausgleichen; es soll am oberen und unteren Ende U- oder gegebenenfalls W-förmige Dehnelemente aufweisen, die mit vertikalen Flanschen an quer abgewinkelten Tragelementen des einen bzw. anderen Bauteils aufsitzen; die Dehnelemente sollen die unterschiedlichen Bauteildehnungen in einer axialen bzw. vertikalen Ebene ausgleichen und sie sollen ferner drehgelenkartig die in Querrichtung auftretenden Dehnungsdifferenzen beider Bauteile ausgleichen. Im bekannten Fall ergibt sich eine form- und materialspezifische, verhältnismäßig starre Bauteilabdichtung, wobei ausgeprägte Differenzdehnungen unmittelbar ausgeprägte Deformationen der plattenartigen Dehnelemente umzusetzen wären.

Die GB-PS 15 45 509 behandelt die Verwendung einer Abdichtscheibe, die aus einer sogenannten "Form-Gedächtnis-Legierung", hier also aus einer Nickel-Titan-Legierung gefertigt ist, so daß sie in "Erinnerung" an den ihr ursprünglich aufgeprägten Formzustand deformiert und so in eine Zylinderbohrung leicht eingesetzt werden kann und bei Überschreitung eines Temperaturschwellwertes wieder geradwandig in die tatsächlich benötigte Form gebracht werden kann, in der sie fest und abdichtend in einer Umfangsnut der Zylinderbohrung sitzt.

Aus der US-PS 31 83 022 ist es für sich bekannt, einen Umfangsspalt zwischen zwei Rohrenden durch einen zwei- oder mehrlagigen Balg abzudichten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Einrichtung zur abdichtenden Überbrückung eines Spalts anzugeben, die konstruktiv verhältnismäßig einach aufgebaut ist und auch bei relativ großen Lageveränderungen der Bauteile eine zuverlässige Abdichtung verschleißarm sicherstellt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die balgartigen gleitverschiedlich angebrachten Dichtelemente erhebliche Relativbewegungen zwischen den beiden Bauteilen in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden können, ohne daß die Dichtwirkung wesentlich beeinträchtigt wird. Die Anordnung ist ferner einfach und preiswert herzustellen und bei Beschädigung unter geringem Aufwand reparierbar, da jedes Dichtelement einzeln auswechselbar ist. Gegenüber Bekanntem, z. B. Bürstendichtungen, sind größere Relativbewegungen zwischen den bewegten Bauteilen erzielbar.

Mit der Ausbildung der Dichtelemente ist ferner eine größtmögliche Elastizität in Richtung der Wellung erzielbar. In bevorzugter Weiterbildung können die parallel zu den Biegekanten verlaufenden Wandabschnitte geneigt zu einer Quermittelachse des Dichtelementes ausgerichtet sein. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine bevorzugte Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen bekannt ist. In diesem Fall wird die Dichtung derart ausgebildet sein, daß die Normalen zu den parallelen Wandbereichen in etwa zur Endposition nach der Relativbewegung hin ausgerichtet sind, und somit für diese Position eine hohe Elastizität der Dichtung erzielt wird.

Für den Fall, daß gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Festpunktverbindung eines Dichtelementes als Schraubverbindung ausgebildet ist, ist ein einfaches Auswechseln von defekten Dichtelementen möglich.

In weiterer Ausgestaltung kann die Festpunktverbindung im Bereich eines der Enden eines Dichtelementes definiert und unbeeinflußt von Thermodehnungen festlegbar.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist für die gleitverschiebliche Punktverbindung eines Dichtelementes eine Langloch/ Stiftführung vorgesehen. Diese Anordnung ist vorteilhafterweise besonders einfach herstellbar, da ein Langloch bzw. eine Bohrung auf einfache Weise in das Blech einstanzbar ist.

Sofern das Halteelement (Ansprüche 11 und 12) z. B. als Schraube mit Bund ausgeführt ist, so kann die Schraube in eine Bauteilwand eingelassen werden und an dieser mit dem Bund aufsitzen. Der Bund hat eine Größe, die dem Durchmesser der Bohrung des einen Dichtelements und der Breite des Langloches des benachbarten anderen Dichtelements entspricht, um eine spielarme Fixierung des einen Dichtelementes und eine Beweglichkeit des anderen Dichtelements in einer Richtung zu erzielen.

Die Dichtelemente können vorzugweise zwischen 1 und 10 Biegekanten aufweisen, je nachdem, welche Dehnungsunterschiede, bezogen auf die Spaltbreite, ausgeglichen werden müssen. Vorzugsweise können etwa 4 bis 6 Biegekanten gewählt werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Dichtspalt L-förmig zwischen einem äußeren und einem inneren Bauteil ausgebildet ist und ein erstes Dichtelement vom Eckbereich aus die eine Spaltflanke abdichtet, und ein zweites Dichtelement, seitlich gegen das erste stoßend, die andere Spaltflanke abdichtet. Erst durch diese Anordnung wird vorteilhafterweise eine Abdichtung von Spalten möglich, die rechtwinklige Knicke aufweisen, ohne daß besonders ausgebildete Dichtelemente für die Eckbereiche vorgesehen werden müssen. Vorzugsweise kann dabei - in weiterer Ausgestaltung der Erfindung - das erste Dichtelement im Eckbereich am äußeren Bauteil, das zweite Dichtelement im Eckbereich des inneren Bauteiles befestigt sein. Hierdurch werden die verbleibenden Dichtspalte zwischen den Dichtelementen und den Bauteilen auch bei größeren Thermodehnungen minimiert.

Der Werkstoff für die Dichtelemente wird je nach Anwendungsbereich zu wählen sein; dabei kann es sich gemäß Anspruch 9 um eine hochwarmfeste Eisen oder Nickelbasislegierung handeln; derartige Werkstoffe können vorteilhafterweise bei einer Wärmetauscher-Dichtung eingesetzt werden. Es ist aber genauso möglich, nichtmetallische Werkstoffe, beispielsweise Keramiken oder Kunststoffe, zu verwenden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht einer winkelförmigen Dichtungsanordnung,

Fig. 2 eine Schrägansicht einer weiteren Dichtungsanordnung,

Fig. 3a einen schematischen Schnitt durch ein Dichtelement,

Fig. 3b einen schematischen Schnitt durch das Dichtelement nach Fig. 3a bei einer anderen Temperatur,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Spalt zwischen beabstandeten Bauteilen unter Zuordnung der Abdichteinrichtung,

Fig. 5 eine schematische Schrägansicht eines Wärmetauschers, unter teilweiser örtlicher Zuordnung der Abdichteinrichtung,

Fig. 6 eine schematische Schrägansicht einer balgartigen Dichtelementausführung,

Fig. 7 einen Schnitt sowie eine schematische Schrägansicht einer Dichtelementbefestigung, hier mit einer Schraube als Halteelement,

Fig. 8 einen Schnitt durch eine weitere Dichtelementbefestigung, hier mit Stift als Halteelement und

Fig. 9 einen Schnitt durch noch eine Dichtelementbefestigung, hier mit Niet als Halteelement.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Abdichtung 1a eines L-förmigen Spaltes zwischen einem äußeren Bauteil 2 und einem inneren Bauteil 3, das nur gestrichelt angedeutet ist, besteht aus einer Vielzahl sich teilweise überlappender, balgartiger Dichtelemente 4a, 4b. Die beiden Bauteile 2, 3 sind dabei in allen drei Raumrichtungen relativ zueinander bewegbar, so daß sich der L-förmige Spalt in seiner Form und seiner Spaltbreite verändert.

Die balgartigen Dichtelemente 4a, 4b weisen jeweils zwei sich gegenüberliegende, parallel zu den Bauteilen 2, 3 und ihren Biegekanten 6 ausgerichtete Wandabschnitte 5a, 5b auf, zwischen denen 1-10 Biegekanten angeordnet sind. Die Wandabschnitte 5a, 5b sind über Halteelemente 15 (s. h. auch Fig. 7 bis 9) mit den Bauteilen 2, 3 verbunden, wobei Festpunktverbindungen 7 und eine Anzahl von gleitverschieblichen Punktverbindungen 8′ vorgesehen sind. Die Festpunktverbindung 7 ist vorzugsweise als Niet oder Schraube ausgebildet, die in eine Bohrung des einen Dichtelementes 4a eingesetzt ist. Die gleitverschieblichen Punktverbindungen 8′ sind als Stift/Langlochverbindungen ausgebildet, wobei vorzugsweise in das eine der Bauteile 2, 3 ein Stift eingelassen ist, an dem das eine Dichtelement 4a mit einem Langloch 8 gleitverschieblich angeordnet ist. Je zwei im Dichtspalt hintereinanderliegende Dichtelemente 4a, 4b, überlappen sich in einem Bereich 9, längs und quer ihrer Erstreckung, relativ zum Dichtspalt. Im Eckbereich des Winkels 10 des äußeren Bauteils 2 ist die Einrichtung zur Abdichtung 1a so ausgebildet, daß ein Dichtelement 4c in Anpassung an den Winkel 10 des äußeren Bauteiles 2 angebracht ist, wobei das Dichtelement 4b einendig gegen den Wandabschnitt 5b des einen Dichtelementes 4c stößt.

Die Festpunktverbindungen 7 liegen vorzugsweise im Bereich endseitiger Kanten des jeweiligen Dichtelementes 4a, um Thermodehnungen zwischen Kanen und Festpunktverbindung so minimal wie möglich zu halten, während andererseits die Thermodehnungen zwischen der Festpunktverbindung 7 und betreffenden endseitigen Kanten des anderen Dichtelementes 4b unproblematisch sind, da sich aufgrund der gleitverschieblichen Punktverbindung 8′ relativ zur Festpunktverbindung 7 am äußeren Bauteil 2 in Spaltrichtung verändern kann.

Vorzugsweise werden die Festpunktverbindung 7 eines Dichtelementes 4a und eine gleitverschiebliche Punktverbindung 8′ des benachbarten anderen Dichtelementes 4b derart übereinanderliegen, daß ein gemeinsames Halteelement 15, beispielsweise in Form eines Niets (Fig. 9), gleichzeitig als Führungselement für das Langloch 8 des anderen Dichtelementes 4a dient.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Dichtelement 4a, 4b eine Wellung aufweisen, die mit den Wandabschnitten 5a und 5b, quer zur Spalterstreckungsrichtung, geneigt ist. Diese Ausführung wird dann gewählt, wenn eine bevorzugte Relativbewegungsrichtung beider Bauteile 2, 3 in der mit den Pfeilen 11 angedeuteten Richtung vorliegt, wobei die Balgelemente 4a, 4b sich nach Beendigung der Bewegung wieder in ihrer elastisch günstigen Lage befinden, wie sie in Fig. 2 durch die Ruhestellung und bei Normaltemperaturen verkörpert ist.

Die Dichtelemente 4a, 4b sind dabei an Winkelleisten 13, 13a angebracht, die wiederum über Befestigungsvorrichtungen 14, 14a am äußeren bzw. inneren Bauteil 2, 3 befestigt sind. Analog ist das Dichtelement 4c über eine Winkelstelle 13b am äußeren Bauteil 2 befestigt.

In Fig. 3a und 3b ist die Ausführung gemäß Fig. 2 im schematischen Schnitt dargestellt, wobei die beiden Bauteile 2, 3 in Fig. 3a (Normal- oder Ruhelage) über eine elastisch und schräg verformte U-Lage der Dichtelemente 4a zueinander sich parallel gegenüberliegend ausgerichtet sind. In der Fig. 3b ist das Bauteil 2 gegenüber dem Bauteil 3 um eine Wegstrecke verschoben, was beispielsweise durch heißgasinduzierte Wärmedehnungen hervorgerufen werden kann, die beispielsweise bei der Verformung eines großen Wärmetauschers auftreten kann. In der Lage nach Fig. 3a ist das balgartige Dichtelement 4a wieder im entspannten Zustand, und weist seine größte Elastizität auf. Dadurch läßt sich eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer unter kritischen Temperaturbelastungen erreichen, denn die zulässigen Biegespannungen sind bei niedrigen Temperatur größer.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann insbesondere auch bei extrem niedrigen Temperaturen bei Kühlvorrichtungen eingesetzt werden.

In Fig. 4 ist ein U-förmiger Dichtspalt zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 dargestellt, der durch eine Vielzahl von Dichtelementen 4a, 4b wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, abgedichtet ist. Durch gestrichelte Linien 12 ist der Bereich zweier benachbarter Dichtelemente 4a, 4b gekennzeichnet, die sich überlappen. Die Festpunktverbindungen 7 sind als X dargestellt, wobei jedes Dichtelement 4a, 4b an einer Stelle mit einem der Bauteile 2, 3 fixierend verbunden ist. Die gleitverschieblichen Punktverbindungen 8′ sind T-förmig dargestellt.

Die einen Festpunktverbindungen 7 der im Winkel liegenden Dichtelemente 4c liegen dicht am Eckbereich des äußeren Bauteiles 2, damit die verbleibenden Spalte zwischen den Stoßkanten der Dichtelemente 4c und dem äußeren Bauteil 2 unabhängig von der Temperaturdehnung möglichst gering gehalten werden können.

Eine weitere Festpunktverbindung 7 des Dichtelementes 4a ist im Bereich des Knickes des inneren Bauteiles 3 angeordnet, um den Spalt zwischen den beiden Dichtelementen 4a, 4c unabhängig von Temperaturdifferenzen so gering wie möglich zu halten. Am vom Knickbereich abgewandten Ende ist die Festpunktverbindung 7 des Dichtelementes 4a gleichzeitig Gleitbefestigung des in Spaltlängsrichtung benachbarten Dichtelementes 4b, während einer gleitverschiebliche Punktverbindung 8′ gleichzeitig sowohl eine bewegliche Führung des Dichtelementes 4a, als auch des benachbarten Dichtelementes 4b gewährleistet.

In Fig. 5 ist eine Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung bei einem Kreuz/Gegenstromwärmeaustauscher dargestellt, der im wesentlichen aus zwei parallelen Sammelrohren 20a, b besteht, die über zwei strömungsmäßig parallel angeordnete, U-förmige Profilrohrmatrizen 21a, b miteinander verbunden sind. Zu erwärmendes Gas strömt dabei in das Sammelrohr 20a ein, wird auf die beiden Profilrohrmatrizen 21a, b aufgeteilt und strömt anschließend über das untere Sammelrohr 20b aufgeheizt ab. Zur Erwärmung wird ein Heißgasstrom in der mit 22 bezeichneten Richtung im Kreuz/Gegenstrom durch die Profilrohrmatrizen 21a, b geführt. Dieser Heißgasstrom wird durch ein rechteckiges Außengehäuse 23 geführt. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abdichtung ist im Spalt zwischen Profilrohrmatrizen 21a, b und dem Außengehäuse 23 angeordnet und verhindert so eine örtliche Umgehung der Profilrohrmatrizen 21a, b durch den Heißgasstrom.

Durch das außenseitig anströmende Heißgas dehnen sich zum einen die Profilrohrmatrizen 21a, b in ihrer Axialrichtung, wodurch der Spalt zum Außengehäuse 23 hin verkleinert wird. Gleichzeitig erwärmen sich die in Anströmrichtung 22 liegenden, hier unteren Profilrohrabschnitte der Rohrmatrix aufgrund der höheren Temperatur stärker als die oberen, so daß sich die Krümmungsbereiche der Profilrohrmatrize 21a, b gleichzeitig ebenfalls in der Richtung 22 verschieben. Aufgrund dieser thermoinduzierten Verschiebung eignen sich insbesondere die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Dichtelemente 4a, 4b, 4c für die Abdichtung dieses Spaltes.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines balgartigen Dichtelementes 4a dargestellt, das aus zwei Lagen 16a, 16b aufgebaut ist. Dadurch ist bei höherer Steifigkeit eines Dichtelemente ein größerer Federweg erzielbar. Diese Anordnung eignet sich insbesondere dann, wenn die Spaltbreite (vgl. Fig. 4) relativ klein ist und verhältnismäßig hohe Drücke zu beherrschen sind. Jede der Lagen 16a, 16b besteht vorzugsweise aus 0,2 mm starken Blechen.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform eines Halteelementes 15 gezeigt, das einerseits zur Fixierung eines Dichtelementes 4a und zur gleitverschieblichen Halterung des benachbarten Dichtelementes 4b dient. Die gezeigte Ausführungsform des Halteelementes 15 umfaßt eine Schraube mit einem Bund 17, dessen Außendurchmesser mit dem Durchmesser der Bohrung 24 und der Breite des Langloches 25 übereinstimmt. Die Schraube ist dabei mittels eines Gewindes 26 im einen Bauteil 2 fixiert. Gleichzeitig behalten aber beide Dichtelemente 4a, 4b eine eingeschränkte Beweglichkeit zum Ausgleich von Druckbelastungen und Thermodehnungen.

Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform für das Halteelement 15 in Form eines in das eine Bauteil 2 eingeschweißten Stiftes 27. Dieser weist ebenfalls einen Bund 17 analog der Ausführungsform aus Fig. 7 auf.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Halteelement 15 als Niet 18 ausgebildet ist, wodurch die beiden Dichtelemente 4a, 4b fliegend miteinander verbunden sind. D. h., daß keine ortsfeste Verbindung mit einem der Bauteile an dieser Stelle vorgesehen ist.

Claims (12)

1. Einrichtung zur abdichtenden Überbrückung eines Spaltes zwischen zwei in drei Raumrichtungen zueinander um begrenzte Wegstrecken verschiebbaren Bauteilen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt von mindestens zwei balgartigen, mit ihren Biegekanten (6) und parallel dazu verlaufenden Wandabschnitten (5a, 5b) sich in Spaltlängsrichtung erstreckenden Dichtelementen (4a, 4b) überbrückt ist, die sich mit ihren in Spaltquerrichtung verlaufenden Enden in Spaltlängsrichtung relativ zueinander beweglich überlappen und die punktweise (7) mit einem der Bauteile (2, 3) fest, im übrigen mit beiden Bauteilen (2, 3) in Spaltlängsrichtung gleitverschieblich geführt verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandabschnitte (5a, 5b) geneigt zu einer Quermittelachse des Dichtelements (4a) ausgerichtet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festpunktverbindung (7) als Schraub-, Punktschweiß-, oder Nietverbindung ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festpunktverbindung (7) im Bereich eines der Enden eines Dichtelementes (4a, 4b, 4c) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleitverschiebliche Punktverbindung (8′) eines Dichtelementes (4b) eine Langloch/Stiftführung ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß der Dichtspalt L-förmig zwischen einem äußeren und einem inneren Bauteil (2, 3) ausgebildet ist, und ein erstes Dichtelement (4c) vom Eckbereich aus die eine Spaltflanke abdichtet, und ein zweites Dichtelement (4a bzw. 4b), seitlich gegen das erste stoßend, die andere Spaltflanke abdichtet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtelement (4c) im Eckbereich am äußeren Bauteil (2), das zweite Dichtelement (4a) im Eckbereich des inneren Bauteils (3) befestigt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile Bestandteil eines Wärmetauscherblockes (19) sind, wobei die Dichtelemente (4a, 4b, 4c) Spalte zwischen Rohrmatrizen (21a, 21b) und einem Außengehäuse (23) überbrücken.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Dichtelemente eine hochwarmfeste Fe- oder Ni-Basislegierung ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (4a) mehrlagig, insbesondere zweilagig ausgebildet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festpunktverbindung (7) eines Dichtelements (4a) und das Langloch (8) eines benachbarten Dichtelements (4b) von einem gemeinsamen Halteelement (15) gehalten sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (15) als Niet, Stift oder Schraube mit Bund ausgebildet ist.