DE4212285C2 - Metallflachdichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallflachdichtung zur Abdichtung zwischen ruhend aufeinanderliegenden Flächen, vorzugsweise zur Abdichtung einer metallischen Fläche gegen eine keramische mit den Merkmalen im Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.

Die Erfindung befaßt sich speziell mit der lösbaren Verbin­ dung von Teilen gleicher oder unterschiedlicher Wärmeausdeh­ nung zum Einsatz bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck. Bei bekannten Metalldichtungen, bestehend aus zwischen Flan­ schen einlegbaren, verschiedenartigen Dichtringen wird die Dichtheit im wesentlichen durch elastische und plastische Ver­ formung des Dichtelementes erreicht. Dazu sind hohe Anpreß­ kräfte erforderlich, die entsprechend aufwendige, massive Kon­ struktionen bedingen würden.

Derartige Verbindungen stellen außerdem große Anforderungen an die Obeflächenbeschaffenheit und Materialkombination. Bedingt durch die Art der Bearbeitung können Flansche und Dichtringe nur in kreisförmiger Geometrie hergestellt werden. Ist der Dichtring oder der Flansch im Bereich der linienförmigen Be­ rührung auch nur geringfügig beschädigt, kann keine Dichtheit mehr erreicht werden. Dies trifft insbesondere auf in Um­ fangsrichtung gerillte Metall- bzw. Kammprofildichtungen zu.

Aus der DE-OS 21 18 610 ist eine Metallflachdichtung bekannt, bei welcher die Stege unter Belastung durch Spannkräfte eine Verformung in Richtung der durch die Durchbrechungsöffnungen gebildeten Zwischenräume erfahren. Da die Stege massiv und knicksteif sind, liefert die Entgegenhaltung keine Anregung, ein Ausknicken der Stege zugunsten plastischer Stauchung in Anpreßrichtung zu vermeiden.

Weitere Flachdichtungen sind aus der US-PS 306 293 und der GB- PS 440 923 bekannt. Auch diese Dichtungen können schon auf Grund ihres Aufbaues und Querschnittes, der im Grunde aus ei­ ner durchgehenden Mittelplatte mit ein- oder beidseitig ange­ formten Stegen besteht, keine Anregung im obigen Sinne geben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die vorliegende Er­ findung zur Aufgabe, eine Dichtung der eingangs erwähnten Art für zwei ruhende Flächen anzugeben, bei welcher ein Ausknicken der Stege zwischen den freien Flächen der Hohlräume zugunsten deren plastischer Stauchung in Anpreßrichtung vermieden werden soll. Die Dichtung soll dabei Flächen mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung, vorzugsweise ein Keramikrohr mit einer metallischen Struktur, dicht miteinander verbinden. Dies unter hohen Einsatztemperaturen bis ca. 1000°C unter aggressiven Me­ dien wie z. B. Natrium, bei geforderten Dichtigkeitsraten von 10^-3 mbar 1^-1s^-1 und bei einer zu tolerierenden Oberflächen­ rauhigkeit von R = 20 µm.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches angegeben sind.

Die so ausgebildete Dichtung in Form einer zellenartigen Struktur, wie das Mikrowabenmaterial aus z. B. Nickel oder ei­ nem anderen metallischen Werkstoff, erfüllt die gestellten Forderungen in besonders guter Weise.

Es werden die bekannten Schwierigkeiten bei hochtemperaturbe­ ständigen Dichtungen der herkömmlichen Arten vermieden: Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Stege zwischen den freien Flächen der Hohlräume vor ihrem Ausknicken unter der Belastung plastisch verformt werden. Diese plastische Verfor­ mung des Dichtelementes, die letztendlich zum Ausgleich von Oberflächenrauhigkeiten und Formabweichungen führt, wird wegen der geringen Aufstandsfläche schon bei geringen Axialkräften ohne Ausknicken erreicht. Hierdurch werden auch druck­ empfindliche Bauteile dicht fügbar.

Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelwaben auf der Dichtfläche ist eine dichte Verbindung schon dann zu errei­ chen, wenn auf einer zusammenhängenden Linie wenigstens nur eine Wabe dichtet, d. h. kleine lokale Schäden haben keinen Einfluß auf die Dichtheit.

Die elastische Eigenschaft der Zellenstruktur erlaubt die dichte Verbindung auch von Bauteilen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung über einen weiten Temperaturbereich.

Durch die weitgehend freie Wahl des Materiales ist die Dich­ tung auch bei aggressiven abzudichtenden Medien einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist, daß die Dichtung aus plattenförmi­ gem Vormaterial herausgearbeitet wird und daher beliebige Form aufweisen kann.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Metallflachdich­ tung werden im folgenden und anhand der Figuren weiter erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufnahme mit 10facher Vergrößerung der Kopf­ seite einer Dichtung,

Fig. 2 eine Aufnahme mit 35facher Vergrößerung der Fuß­ seite einer solchen und

Fig. 3 die Querschnittsausbildung der Stege bei der aufge­ nommenen Dichtung,

Fig. 4 als Ausführungsbeispiel eine ringförmige Flachdich­ tung.

Bei der neuen Dichtung handelt es sich um eine Metallflach­ dichtung, die besondere Hohlräume aufweist. Die Hohlräume sind gegeneinander in der Ebene der Dichtung geschlossen, den abzu­ dichtenden Flächen gegenüber jedoch offen. Sie sind voneinan­ der durch Wände bzw. Stege abgetrennt und bilden mit diesen zusammen eine Struktur aus einer Vielzahl von Einzelzellen.

Diese Struktur kann z. B. eine sogenannte Mikrozellenstruktur sein, die bezogen auf ihre räumliche Ausdehnung eine Vielzahl Waben oder Zellen besitzt. Die kleinsten inneren Abmessungen solcher Strukturen von äußeren Maßen im cm-Bereich liegen un­ gefähr im µm-Bereich. Bei der Metallflachdichtung sollte das Verhältnis der Größe der Zellen zu den äußeren Abmessungen der Dichtung 1 : 3 sein, damit bei einer eingespannten Dich­ tung in Dichtungsrichtung gesehen über die Dichtfläche hinweg immer mindestens drei oder mehrere geschlossene Zellen hinter­ einander liegen. Das Verhältnis der Stirnflächen der Stege zu den freien Flächen der Zellen oder Waben soll 40 : 60 und das Verhältnis ihrer Höhe zu ihrer Breite 4 : 1 sein. Die Knick­ last der Stege bzw. die Dicke der Dichtung in ihrer Längsrich­ tung, d. h. in Anpressrichtung soll größer sein, als die Kraft, die nötig ist, um die Stege im Bereich ihrer Stirnflächen pla­ stisch zu verformen.

Als Material für die Wabenstruktur wird Nickel oder ein ande­ rer metallischer Werkstoff verwendet, wobei die abzudichtenden Flächen aus härterem Material sind. Das Dichtmaterial wird durch die Dichtungskraft zwischen die abzudichtenden Flächen gepreßt, z. B. durch die Metall- auf die genannte Keramikflä­ che. Dabei wird das Material der Struktur plastisch und ela­ stisch verformt. Durch diese plastische Verformung werden For­ mungenauigkeiten und Oberflächenrauhigkeiten durch das ver­ formte Material ausgeglichen. Die unterschiedlichen Wärmeaus­ dehnungen der beteiligten Materialien beim Aufheizen auf die eingangs erwähnte hohe Betriebstemperatur wird durch die ela­ stische Eigenschaft des Dichtmateriales ausgeglichen. Durch die genannten Flächenverhältnisse sind die Anpresskräfte ver­ gleichsweise gering. Dabei ist das erwähnte Nickel in dem be­ stimmten Temperaturbereich des vorgesehenen Einsatzes bestän­ dig gegen Natrium.

Der wesentliche Gesichtspunkt der neuen Dichtung besteht darin, daß das Material in der Fläche beliebige Form besitzen kann und in allen Richtungen mindestens drei bis zu einer Vielzahl von Zellen aufweist. Dabei ist die Größe der Zellen so bemessen, daß immer mehrere Zellen auf der Dichtfläche hin­ tereinander in Richtung vom Hochdruck- zum Niederdruckraum ge­ schaltet, durch plastische und elastische Verformung senkrecht zum Druckgefälle die Dichtheit bewirken.

Die Fig. 1 und 2 zeigen nun vergrößerte Aufnahmen von Dichtungen, mit denen Versuche gemacht und die praktisch er­ probt wurden. Die Struktur besteht aus quadratischen Waben, gefertigt aus Weichnickel, mit einer Rastergröße von 0,8 × 0.8 mm und einer Stegbreite von 0,2 mm, d. h. einer freien Fläche von etwa 64% der Gesamtfläche. Der Querschnitt der Stege ist in der Fig. 3 dargestellt. Der bzw. die Stege 1 besitzen eine abgerundete Kopfseite 2 und eine glatte Fußseite 3. Seine Höhe beträgt 0,08 mm. In den Figuren erkennt man die Grenzlinie 4 zwischen dem verformten Material 5 und dem ursprünglichen Ma­ terial 6, nachdem die Dichtung ausgebaut wurde. Die Fig. 1 zeigt dabei die Kopfseite mit der Abrundung 10fach und die Fig. 2 die Fußseite 35fach vergrößert. Die Versuche mit der neuen Metallflachdichtung erbrachten bei einem Prüfdruck von 5 bar Leckraten in der Größenordnung von 5×10^-9 mb l/s zwischen Al₂O₃ Keramik und Edelstahl mit Rauhigkeiten von 5 und 20 µm und zeigten daß die Dichtung die aufgabegemäßen Anforderungen voll erfüllt.

In der Fig. 4 ist eine kreisrunde Ringdichtung 7 dargestellt, die quadratische Zellen oder Waben aufweist. Es versteht sich, daß diese auch eine andere Außenform, wie z. B. ein Sechseck, aufweisen können.

Bezugszeichenliste

1 Stegquerschnitt
2 Kopfseite
3 Fußseite
4 Grenzlinie
5 verformtes Material
6 ursprüngliches Material
7 Ringdichtung

Claims (1)

1. Metallflachdichtung zur Abdichtung zwischen ruhend aufein­ anderliegenden Flächen, vorzugsweise zur Abdichtung einer me­ tallischen Fläche gegen eine keramische, mit sich quer zur Dichtrichtung der Dichtung erstreckenden inneren Hohlräumen in Form einer sogenannten flachen, ebenen Mehrzellenstruk­ tur, die in allen Richtungen eine Vielzahl von, bezogen auf ihre Flächenausdehnung senkrecht gerichtete Zellen oder Waben aufweist, die durch die Struktur hindurchgehen, die nach der Ober- und Unterseite der Struktur hin offen sind und die durch die, die Wände der Struktur bildenden Stege voneinander ge­ trennt sind, wobei das Verhältnis der Stirnflächen der Stege zu den freien Flächen der Hohlräume 40 : 60 und das Verhältnis der Höhe der Stege zu ihrer Breite 4 : 1 ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Struktur eine Mikrozellenstruktur ist, die Stirn­ flächen der Stege mindestens an einer Seite nach außen hin ge­ rundet sind und daß die Knicklast der Stege in Anpreßrichtung größer ist als die Kraft, die nötig ist, um sie im Bereich ih­ rer Stirnflächen plastisch zu verformen.