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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsmuffe für ein Rohr, welche einen metallischen Hülsenteil
umfasst, welcher einen Raum festlegt, in dem eine Dichtung aus verformbarem
Material aufgenommen ist, wobei der Raum in axialer Richtung des
Hülsenteils
einen Endabschluss zum axialen Festlegen des Raumes umfasst, wobei
der Raum in axialer Richtung an dem von dem Endabschluss entfernt
liegenden Ende mit einer Stoffbüchse
oder Dichtungsdruckmitteln versehen ist. Derartige Dichtungsmuffen
sind allgemein bekannt. Im Allgemeinen wird ein Druckelement verwendet,
um eine Vorspannung in dem Dichtungs- oder Stoffbüchsenmaterial einzuführen, damit
eine Dichtung zwischen dem Rohr und der Hülse bereitsteht, um den Wechsel
in relativen Dimensionen zwischen den zu dichtenden Teilen auszugleichen.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
689 405 ist eine Verbindung von zwei Rohren bekannt. Entweder
ist eines der Rohe mit einem verbreiterten Endbereich versehen oder
eine Muffe steht bereit. In beiden Fällen wird zwischen einem Rohr
und dem verbreiterten Endbereich bzw. der Muffe ein Dichtungsmaterial eingeführt, auf
weiches Druck durch einen Ring aufgebracht wird. Dieser Ring wird
mit Druck beaufschlagt, dadurch dass er über Bereiche des verbreiterten
Bereichs bzw. der Muffe gebogen wird. Der Ring ist vollständig in
dem so gebildeten Raum umschlossen. Die Festigkeit des Endbereichs
bzw. der Muffe wird durch eine Schweißung erhöht, die bereit steht bevor
der Ring mit Spannung beaufschlagt wird.
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Eine
Dichtungsmuffe für
ein Rohr, welches eine Gewindeverbindung zwischen dem Ring und der
Hülse umfasst,
ist aus US-A-4,621,841 bekannt.
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Im
Allgemeinen zielt der Gegenstand der Erfindung darauf ab, eine Dichtung
bereitzustellen, welche in Verbindung mit einem Rohr und einem weiteren
Teil verwendet wird.
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Insbesondere
zielt der Gegenstand der Erfindung darauf ab, eine Dichtungsmuffe
bereitzustellen, welche in Verbindung mit einem keramischen Rohr verwendet
wird, welches bei erhöhter
Temperatur und Druck eingesetzt wird. Eine derartige Dichtungsmuffe
kann verwendet werden, um eine Einfassung oder eine Verbindung zwischen
einem keramischen Rohr und anderen Teilen herzustellen, um das mechanische
Instabilitätsproblem
aufgrund der Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizient
und der Sprödigkeit
von Keramiken zu überwinden.
Diese Dichtungsmuffe bewältigt
dieses Problem und bei einer dauerhaften Verbindung mit dem keramischen Rohr
verhält
sich die Kombination daraus als eine Komponente. Diese Komponente
kann dann mit anderen Teilen auf aus dem Stand der Technik bekannte
Weise verbunden werden. Beispielsweise können normale Metall-mit-Metallverbindungen
verwendet werden, wenn die Dichtungsmuffe und das andere Teil beide
aus rostfreiem Stahl gefertigt sind. Die Verbindung zwischen einem
keramischen Rohr und einem metallischen Teil ist immer kritisch.
Ein Vorspannen des Dichtungsmaterials ist für derartige Anwendungen aufgrund
beträchtlicher
Unterschiede des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen z.B. keramischem Material und rostfreiem Stahl wichtig,
welches im Allgemeinen für
die Hülse
und die Stoffbüchse
verwendet wird. Es ist wichtig, dass eine derartige Vorspannung
während
der Anwendung aufrechterhalten wird, bei denen thermische Zyklen
stattfinden. Weitere auftretende Probleme sind thermischer Qualitätsverlust
bei Hochtemperaturanwendung der Dichtung und chemischer Angriff
des Stoffbüchsenmaterials
durch das Medium, in welchem das Rohr verwendet wird. Normalerweise
werden elastomere O-Ringe verwendet, allerdings sind derartige Dichtungen
verhältnismäßig teuer
und angreifbar für
chemischen Angriff und/oder hoher Temperatur.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, eine Dichtungsmuffe bereitzustellen,
die effektiv in Kombination mit einem keramischen abzudichtenden
Rohr verwendet wird, günstig
herzustellen ist und den meisten Betriebsbedingungen widersteht,
die bei der Verwendung von keramischen Rohren angetroffen wird.
Erfindungsgemäß wird dies
erreicht durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß wird eine
dauerhafte Verbindung zwischen dem Druckring und der Hülse vorgesehen.
Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, wobei Gewindeverbindungen
verwendet werden und Vorspannen durch die Gewindeteile erreicht
wird. Eine dauerhafte Verbindung ist eine Verbindung, die nicht
auseinandergebaut werden kann, ohne die beteiligten Teile zu zerstören. Eine
derartige Dauerverbindung wird durch Schweißen erreicht. Diese Schweißung kann
eine Anzahl von Punkten umfassen aber es ist auch möglich, eine
kontinuierliche Schweißung
auszuführen.
Im letzteren Fall besteht eine komplette Dichtung zwischen dem Druckring
und der Hülse,
wodurch Eindringen von aggressiven Substanzen in den Stoffbüchsenbereich
der Muffe verhindert wird.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren, um eine Dichtungsmuffe
an einem Rohr anzubringen, wie dies in Anspruch 10 definiert ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Dichtungsmuffe mit einem Rohr kombiniert, in dem zuerst die Hülse um das
Rohr angeordnet wird. Dieses Rohr kann ein beliebiges Material,
wie ein keramisches Material umfassen. Gleichzeitig oder folgend
kann die Dichtung, welche beispielsweise Graphitmaterial umfaßt, in dem
Ringraum zwischen der Hülse
und dem keramischen Rohr angeordnet werden. Nachdem der Druckring
angeordnet ist, besteht direkt oder über weitere Druckmittel wie
Tellerfedern ein Eingriff mit der Dichtung. Eine Vorkompressionskraft über das Dichtungsmaterial
wird bereitgestellt, indem der Druckring (Stoffbüchse) und die Hülse zusammengebracht
werden. In der korrekten Position werden Druckring und Hülse miteinander
durch Schweißen verbunden.
Nach dem Schweißen
wird die Kompressionskraft entfernt und die vorbestimmte Kompressionskraft
der Dichtung steht bereit.
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Vorzugsweise
wird Graphit als Stoffbüchsenmaterial
verwendet. Dies ist verhältnismäßig kostengünstig, chemisch
inert und ein hochtemperaturbeständiges
Material. Vorzugsweise wird Graphit verwendet, welches unterschiedliche
Eigenschaften in unterschiedliche Richtungen aufweist.
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Wie
vorher erläutert,
ist es möglich
zusätzliche
Druckmittel wie Tellerfedern zu verwenden. Die Auswahl solcher Druckmittel
ist natürlich
abhängig von
der Temperatur, Druck und anderen Umgebungsbedingungen, welche während des
Einsatzes der erfindungsgemäßen Dichtungsmuffe
herrschen.
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Obwohl
die Erfindung unter Einbeziehen eines keramischen Rohres vorhergehend
erläutert worden
ist, sollte es offensichtlich sein, dass sie auch in Kombination
mit jeder anderen Art eines rohrförmigen Elements verwendet werden
kann.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind, wobei:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Endstückes im
Querschnitt zeigt;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Endstückes im
Querschnitt zeigt;
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3 ein
Verbindungsstück
im Querschnitt entsprechend der Erfindung zeigt und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Verbindungsstücks
für zwei
Rohre entsprechend der Erfindung im Querschnitt zeigt.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Endstück generell
mit 1 bezeichnet. Es ist gestaltet, um mit einem keramischen
Rohr (2) verbunden zu werden. Das Endstück (1) entsprechend
der Erfindung umfasst einen Hülsenteil
(3), der einen gebogenen Abschnitt (5) aufweist.
Ein Dichtungsdruckring oder Stoffbüchse (7) ist mit dem
Hülsenteil
(3) durch Schweißnaht
(8) verbunden. Ein Raum oder eine Stoffbüchse (4)
ist zwischen Hülsenteil
(3), gebogenem Abschnitt (5) und dem freien Ende
des Dichtungsdruckringes (7) und dem Rohr definiert. In
diesem Raum ist eine Dichtung eingeführt. Dichtung ist zwischen
dieser Dichtung (6) und keramischem Rohr (2) und
Stoffbüchse
(7) und Hülse
(3) erreicht.
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Erfindungsgemäß wird eine
Dichtung mit Druck durch den Dichtungsdruckring (7) beaufschlagt,
der mit dem Hülsenteil
(3) verschweißt
ist. Aufgrund der Verwendung einer Schweißnaht (8) wird das
Dichtungsmaterial weitgehend gegen Umgebungseinflüsse abgedichtet.
Das erfindungsgemäße Endstück ist so
ausgeführt,
dass es bei relativ hoher Temperatur und hohem Druck eingesetzt
werden kann. Beispielsweise haben Versuche gezeigt, dass eine Betriebstemperatur
oberhalb 200°C
zu keinerlei Dichtungsproblemen führt.
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Das
Hülsenteil
und der Dichtungsdruckring kann aus jedem Material gefertigt sein,
welches durch Schweißen
verbunden werden kann, vorzugsweise Stahl und besonders bevorzugt
rostfreier Stahl.
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Allgemein
werden sowohl das Material des Hülsenteils
und des Dichtungsdruckringes als auch das Dichtungsmaterial so gewählt, dass
sich der Ausdehnungskoeffizient an den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des keramischen Rohrmaterials annähert.
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Erfindungsgemäß wird die
Dichtung realisiert in dem zuerst die einzelnen Teile mit dem abzudichtenden
keramischen Rohr zusammengefügt
werden, wobei die Dichtung mit Druck beaufschlagt wird und erst
danach die Schweißnaht
(8) gebildet wird.
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Für das Stoffbüchsenmaterial
wird vorzugsweise Graphit verwendet, welches ein relativ großes Elastizitätsmodul
aufweist. Vorzugsweise wird Graphit eingesetzt, welches unidirektionale
Eigenschaften hat, d.h. einen relativ großen Ausdehnungskoeffizienten
in radialer Richtung und einen relativ kleineren Ausdehnungskoeffizienten
in axialer Richtung aufweist. Bevor die Verbindung zwischen dem
Dichtungsdruckring (7) und dem Hülsenteil (3) realisiert wird,
wird Kompression zwischen den beiden Teilen in einer Richtung gegeneinander
eingeleitet. Es ist möglich,
sofort nachdem die Kompression wirksam geworden ist, die Schweißung vorzunehmen
aber es ist auch möglich,
eine Zeitverzögerung
vorzusehen, so dass die Dichtung sich setzt. Im Allgemeinen ist die
Hitzezufuhr während
des Schweißens
unerwünscht
und somit kann Plasma- oder Laserschweißen eingesetzt werden. Wenn
die Dichtung bei erhöhten
Temperaturen verwendet wird und/oder ein nennenswerter Unterschied
im Wärmeausdehnungskoeffizient
zwischen dem Endstück
und insbesondere der Dichtung und dem keramischen Rohr besteht, kann
es bevorzugt sein, zusätzlich
Mittel vorzusehen, um sicherzustellen, dass Druck sowohl bei niedrigerer
als auch bei erhöhter
Temperatur aufrecht erhalten wird. Hiermit wird die Ausführungsform
gemäß 2 vorgeschlagen.
Das Endstück
wird allgemein mit (11) gekennzeichnet und umfasst ein
Hülsenteil (13),
ein gebogenes Teil (15), eine Dichtung (16) und einen
Dichtungsdruckring (17), der mit dem Hülsenteil (13) durch
Schweißung
verbunden ist. Die erzielte Schweißnaht ist vorzugsweise eine
kontinuierliche Schweißnaht,
die gegen die Umgebung abdichtet.
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Die
Dichtung ist nicht in direktem Kontakt mit dem Dichtungsdruckring
(17). Sowohl ein Druckverteilungsring als auch ein oder
zwei Tellerfedern (20) sind zwischen der Dichtung und dem
Dichtungsdruckring (17) angeordnet. Durch den Einsatz einer Tellerfeder
können
Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizient
zwischen dem keramischen Rohr (12) und dem Endstück (11)
ausgeglichen werden, um einen konstanten Druck bei unterschiedlichen Bedingungen
während
der Lebensdauer des entsprechenden Teiles sicherzustellen.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung
als Verbindungsstück realisiert
ist. Dies wird mit (21) verdeutlicht. Die Struktur dieses
Verbindungsstücks
ist grundsätzlich
die gleiche wie in 2 dargestellt. Jedoch ist der
Dichtungsdruckring (27) an seinem Ende nicht geschlossen,
sondern sowohl eine Öffnung
als auch ein Flansch (29) ist für eine Verbindung mit einem
weiteren Teil vorgesehen. Die Schweißnaht zwischen Dichtungsdruckring
(27) und Hülsenteil
(23) ist mit (28) bezeichnet.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Verbindungsstückes.
Diese Ausführungsform entspricht
weitgehend den zwei Endstücken
aus 3 und dieses Verbindungsstück wird allgemein mit (31)
bezeichnet. Der Dichtungsdruckring oder die Stoffbüchse (37)
ist ein offenes Rohr, welches beides für keramische Rohre geeignet
ist. Wie dies in der Figur dargestellt ist, wird zuerst die Verbindung
zwischen Druckring und Rohr (37) hergestellt, wobei beide
abzudichtenden Rohre einbezogen sind. Erst danach werden die beiden
Halbrohre (37) verbunden. Selbstverständlich ist es möglich, von
einem einzigen Rohr (37) auszugehen und die Druckringe
nachträglich
nach dem Einführen
der Rohre zu verbinden.
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Wenn
die Kombination von rostfreiem Stahl und einem Dichtungsmaterial
aus Graphit verwendet wird, kann eine derartige Graphitdichtung
in dem Raum durch eine Kraft, welche beispielsweise mindestens zweimal
dem Druck (Differenz) unter Betriebsbedingungen des keramischen
Rohrs beträgt, komprimiert
werden. Ein derartiger Druck kann mindestens 10 MPa betragen. Es
ist offensichtlich, dass der Abstand zwischen dem freien Ende des
gebogenen Teils und dem Außenumfang
des keramischen Rohres so klein wie möglich sein soll.
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Es
ist möglich,
reines Material ohne Binde- oder Füllstoffe zu verwenden, so dass
es kein Verlust des Volumens bei hohen Temperaturen gibt. Wie vorher
erwähnt,
wird vorzugsweise ein Dichtungsmaterial verwendet, welches in unterschiedlichen
Richtungen einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist. Beispielsweise ist es möglich ein Graphitmaterial zu
erhalten, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 1 × 10–6/K
in der Richtung parallel zu der Achse des keramischen Rohres hat,
während
der Wärmeausdehnungskoeffizient
30 × 10–6/K
in der dazu senkrechten Richtung beträgt.
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Aus
der vorherigen Beschreibung kann ein Fachmann sofort weitere Ausführungsbeispiele
mit Komponenten ausführen,
welche allgemein im Stand der Technik vorhanden sind.
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Solche
weiteren Ausführungsformen
liegen innerhalb des Umfangs der beinhaltenden Ansprüche.