DE60216260T2

DE60216260T2 - Offene, elastische metalldichtung mit versetzten, hervorstehenden teilen

Info

Publication number: DE60216260T2
Application number: DE60216260T
Authority: DE
Inventors: Philippe Caplain; Laurent Mirabel; Christian Rouaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Garlock France SAS
Current assignee: Technetics Group France SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: US20020153673A1; AU2002256756B2; FR2823824B1; US6631910B2; JP4129916B2; DE60216260D1; CA2445041A1; ZA200308170B; BR0209080A; JP2004527707A; CA2445041C; ATE346254T1; BR0209080B1; ES2275862T3; WO2002086359A1; FR2823824A1; EP1381800B1; EP1381800A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der statischen Dichtheit und insbesondere auf das der elastischen Metalldichtungen, die eine Dichtheit mit Einspannkräften gewährleisten müssen, die kleiner als diejenigen sind, die für die Effizienz einer Dichtung notwendig sind, deren Kern eine Feder ist.
Stand der Technik und Darstellung des Problems
Unter Berücksichtigung der Wahl ihrer Werkstoffe hinsichtlich Unempfindlichkeit gegenüber korrosiven Fluiden, Festigkeit gegenüber hohen und tiefen Temperaturen und hoher Lebensdauer werden die Metalldichtungen auf sehr unterschiedlichen Anwendungsgebieten benutzt, unter denen man – keinesfalls einschränkend – die chemische Industrie, die Erdölindustrie und die Nulearindustrie sowie die Bereiche KFZ und Raumfahrt nennen kann. Die Qualität der durch eine Dichtung erzielten Dichtheit hängt vor allem von dem spezifischen Druck ab, der sich zwischen den Kontaktflächen der Dichtung und den Flanschen der zu montierenden Bauteile entwickelt, zwischen denen die Dichtung eingesetzt wird. Im Laufe des ersten Zusammenspannens dieser Bauteile muss der spezifische Druck dieser Bauteile ausreichend groß sein, so dass sich die Dichtung an die Unebenheiten der Flansch anpassen kann. Es ist daher klar, dass der spezifische Einspanndruck relativ hoch sein muss und auf jeden Fall höher als der Druck, der im Innern des Volumens herrscht, das durch die Dichtung und die Spannflansche abgegrenzt wird.
Außerdem muss bei zahlreichen Anwendungen die Einspannkraft klein sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Zusammenbau schlecht zugänglich ist und die Handhabung der Spannwerkzeuge schwierig macht, wie zum Beispiel in der Nuklearindustrie und der Halbleiterindustrie, und wenn die zu montierenden Bauteile aus Werkstoffen mit hohen Kennwerten leichter gemacht werden müssen und keine hohen Kräfte aushalten, wie in der Luft- und Raumfahrt. Um ein solches Resultat zu realisieren, wurden metallische Ringdichtungen entwickelt, bei denen ein offenes, vorzugsweise mit einer dünnen Schicht aus einem duktilen Material überzogenes Rohr als elastisches Element dient. Jede Kontaktfläche besitzt in der Achse des zu den Einspannflanschen senkrechten Querschnitts einen hervorstehenden Teil bzw. Vorsprung. Dies ermöglicht, die Einspannkräfte bei diesem Dichtungstyp um einen Faktor 2 zu reduzieren. Man kann hier das Patent US-3 188 100 nennen. Das Prinzip und die Nachteile der Funktionsweise der in dem Patent US-3 188 100 beschriebenen Dichtung werden in der Folge mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert.
In der 1, die die in diesem amerikanischen Patent beschriebene Dichtung zeigt, sieht man, dass diese ringförmig ist, mit Rotationsquerschnitt. Jedoch weist dieser Querschnitt eine auf der Innenseite der Dichtung befindliche Öffnung 2 auf. Diese Dichtung wird durch zwei Teile gebildet: einen metallischen Kern 3 und, um diesen herum, eine weichere Außenschicht 4. Das Ganze ist an den Stellen, die beim Einsatz mit den abzudichtenden Teilen Kontakt haben, derart bearbeitet, dass auf jeder Seite der Dichtung aus einer planen Fläche 6 ein Teil bzw. ein Vorsprung 5 herausragt. Diese beiden Vorsprünge 5 sind also bestimmt für den Kontakt mit den beiden die Dichtung berührenden Oberflächen, die diese partiell zusammendrücken bzw. quetschen müssen.
Die Wahl, der Dichtung generell die Struktur eines offenen Rohrs zu verleihen, ermöglicht nicht, gleichzeitig eine geringe Steifigkeit und eine hohe Dichtheit zu erzielen, trotz der Vorsprünge 5. Die Struktur des offenen Rohres führt zu einer asymmetrischen Verformung des Querschnitts der Dichtung während ihrer Quetschung und folglich zu einer Verschlechterung der Dichtheit, verursacht durch eine Verschiebung der Vorsprünge 5, wie dies die 2 zeigt.
In dieser Letzteren bezeichnen die Punkte C1 und C2 die beiden Stellen, die ein Vorsprung vor und nach der Quetschung einnimmt. Dabei wurde die Dichtung 1 in Kontakt mit zwei Oberflächen dargestellt, die zwei Räume abgrenzen, die abgedichtet werden müssen und die sich bei der Quetschung einander nähern. Es findet eine Verschiebung Δa der Stelle des Kontaktpunkts von C1 nach C2 statt. Man kann sogar feststellen, dass bei der Quetschung der Dichtung 1 die Enden 7 der offenen Struktur, die die Dichtung 1 bildet, sich einander etwas nähern und dabei nach außen verschieben. Mit anderen Worten: die Anfangsposition der in der 1 mit 5 bezeichneten Vorsprünge befindet sich in der Mitte der geometrischen Struktur der Dichtung 1, also in dem Punkt C1 der 2, während der Punkt C2, der die Position der Vorsprünge nach der Quetschung der Dichtung 1 darstellt, sich nicht mehr in der Mitte der Struktur befindet, sondern verschoben ist. Diese Verschiebung der Achse des Querschnitts der Dichtung ist nachteilig für die Herstellung der gewünschten Dichtheit. Eine derartigen Dichtung erreicht ihre maximale Dichtheit schon im Laufe der Quetschens und nicht an ihrem Ende, wie von den Benutzern erwünscht. Es kann sogar während der Quetschung zu einer Verschlechterung der Dichtheit kommen.
Die französischen Patente FR-2 557 662 und FR-2 636 115 beschreiben jedes einen ringförmigen Metalldichtungstyp, bei dem der Kern durch eine Spiralfeder gebildet wird und der auf der Außenhülle zwei maschinell bearbeitete Vorsprünge besitzt. Die Wahl einer Spiralfeder als zentralem Kern der Dichtung ermöglicht keine Einspannkraft über einen bestimmten Schwellenwert hinaus, denn es besteht die Gefahr, dass Windungen der Feder umkippen und das Abdichtungsverhalten der Feder sich auf zufällige Weise verändert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie einen anderen Typ einer elastischen Metalldichtung mit hervorstehenden Teilen bzw. Vorsprüngen vorschlägt.
Resümee der Erfindung
Der Hauptgegenstand der Erfindung ist eine offene elastische Metalldichtung mit einem elastischen Metallkern und einer metallischen Außenhülle, in die der Metallkern eingefügt ist, wobei die Dichtung, wenn sie sich im Ruhezustand befindet, einen offenen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der eine Mittelachse definiert, das heißt eine Gerade, die durch den geometrischen Mittelpunkt des Querschnitts der sich im Ruhezustand befindlichen Dichtung verläuft, wobei die Öffnung sich zwischen zwei Freiheitsflächen befindet, die sich gegenüberstehen und von denen jede einen hervorstehenden Teil bzw. Vorsprung aufweist, dessen Spitze dazu bestimmt ist, unter der Wirkung einer bestimmten Einspannkraft einen dichten Kontakt mit einem Gegenstand herzustellen.
Nach der Erfindung sind die hervorstehenden Teile bzw. Vorsprünge im Ruhezustand in Bezug auf die Mittelachse leicht versetzt, entgegengesetzt zu der Öffnung, so dass sie sich unter der Wirkung der Einspannkraft dieser Mittelachse nähern.
Vorzugsweise sind die hervorstehenden Teile bzw. Vorsprünge symmetrisch in Bezug auf die Mittelebene der Dichtung.
Bei der bevorzugten Realisierungsart der erfindungsgemäßen Dichtung ist jede der beiden Freiheitsflächen senkrecht zu einer Symmetrieachse des mit ihr verbundenen hervorstehenden Teils bzw. Vorsprungs, dessen Symmetrieachse durch den Mittelpunkt des Kreises verläuft, der durch den Querschnitt der Dichtung definiert wird.
In diesem Fall, wenn sich die Dichtung im Ruhezustand befindet, besitzt jede Freiheitsfläche in ihrer Mitte einen Vorsprung, dessen Symmetrieachse um einen zwischen 1 und 12° enthaltenen Winkel α geneigt ist, wobei dieser festgelegte Neigungswinkel α die Tendenz hat, unter der Wirkung der Einspannkraft zu schwinden.
Bei einer großen Anzahl der Realisierungen der erfindungsgemäßen Dichtung ist die Dichtung im Wesentlichen ringförmig. In diesem Fall kann die Öffnung auf der Seite der Symmetrieachse der Dichtung oder auf der entgegengesetzten Seite positioniert sein.
Die Dichtung kann auch unterschiedliche Formen haben. Sie kann zum Beispiel elliptisch, dreieckig oder rechteckig sein.
Die vorstehenden Teile bzw. Vorsprünge können mehrere Formen aufweisen, sie können zum Beispiel generell dreieckig, generell trapezförmig, generell elliptisch oder generell rechteckig sein.
Vorzugsweise ist die Höhe der Vorsprünge von annähernd dreieckigem Querschnitt zwischen 0,05 und 0,50 mm enthalten.
Liste der Figuren
Die Erfindung und ihre verschiedenen Merkmale werden besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht, die jeweils darstellen:
die 1 eine Metalldichtung nach dem Stand der Technik;
die 2 das Verhalten der Metalldichtung nach dem Stand der Technik im Betrieb;
die 3 das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Metalldichtung;
die 4 die erfindungsgemäße Metalldichtung;
die 5 und 6 zwei Betriebskennlinien der erfindungsgemäßen Metalldichtung;
die 7 bis 10 verschiedene mögliche Formen der Dichtung; und
die 11 bis 14 verschiedene mögliche Formen der hervorstehenden Teile bzw. Vorsprünge;
Detaillierte Beschreibung einer Realisierungsart der Erfindung
Wie dargestellt in der 3, beruht die Funktionsweise der Dichtung nach der Erfindung auf einem Prinzip, das dem der Dichtung nach dem Stand der Technik aus dem erwähnten amerikanischen Dokument ähnlich ist, jedoch eine in der Folge beschriebene ausschlaggebende Nuance bzw. Differenzierung aufweist.
Die Dichtung 10 besitzt eine offene zylindrische Struktur mit einer Öffnung 12. Sie besitzt auf jeder Freiheitsfläche 16 einen hervorstehenden Teil bzw. Vorsprung 15, der mit den abzudichtenden Gegenständen einen gegenseitigen Kontakt realisieren soll. Nun befinden sich diese Vorsprünge 15 jeweils an einer mit D1 und einer mit D2 bezeichneten Stelle auf einer Achse A1, die vor der Quetschung leicht versetzt ist in Bezug auf eine Mittelachse A2 der Dichtung 10, die durch den geometrischen Mittelpunkt des Querschnitts der Dichtung 10 verläuft. Mit anderen Worten besteht vor der Quetschung ein kleiner Abstand Δa zwischen der durch die beiden Punkte D1 und D2 verlaufenden Achse A1 und der Mittelachse A2 der Dichtung.
Man sieht in dieser Figur, die die Positionen vor und nach der Quetschung darstellt, dass die Dichtung 10 in Bezug auf die Mittelachse A2 der Dichtung einen kleinen Ausschlag nach außen aufweist, schematisiert durch die Positionsveränderung der Enden 17 der Dichtung 10 in der Öffnung 12. Dies heißt mit anderen Worten, dass sich am Ende der Quetschung die Symmetrieachse jedes Vorsprungs an der Stelle D'1 bzw. D'2 befinden muss, mit einem dichten Kontakt gegenüber Teilen 8, auf oder nahe der Mittelachse A2 der Dichtung 10. Es empfiehlt sich also, die versetzte Position der Mittelachse, im Ruhezustand, der Vorsprünge, wie symbolisiert durch die Stellen D1 und D2, vorzusehen. Unabhängig von der Position der Öffnung 12 befinden sich die Vorsprünge 15 auf der zu dieser Öffnung entgegengesetzten Seite.
Die 4 zeigt eine bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Dichtung im Detail. Sie umfasst einen metallischen Kern 13, der meist aus einem Werkstoff realisiert wird, der einen hohen Elastizitätsgrenzwert hat, zum Beispiel aus nichtrostendem Federstahl, Kupferberrylium, den Nickel- oder Titanlegierungen. Um diesen Metallkern 13 herum befindet sich die Außenhülle 14 aus einem sehr duktilen Material wie etwa Aluminium, Silber, Gold oder Kupfer oder einem anderen Material von entsprechender Duktilität, oder weniger duktil, wie etwa Nickel oder nichtrostender Stahl.
Zwei entgegengesetzte plane Freiheitsflächen 16 sind vorgesehen, die jedoch nicht parallel sondern auf dieselbe Seite geneigt sind, mit demselben Neigungswinkel α. In einer Mittelzone und vorzugsweise in der Mitte jeder Freiheitfläche 16 ist ein vorstehender Teil bzw. ein Vorsprung 15 mit einem annähernd dreieckigen Querschnitt vorgesehen. Die Symmetrieachse A5 jedes Vorsprungs 15 ist in Bezug auf die Mittelachse A2 um denselben Neigungswinkel α geneigt und durchläuft den geometrischen Mittelpunkt der Dichtung 10.
Aufgrund dieser Neigung der Freiheitsflächen 16 kann jede von diesen mit einem Ende 19 Kontakt mit einem der Teile 8 haben, mit dem zusammen die Dichtheit hergestellt werden soll. Indem man also eine Höhe h der Vorsprünge 15, einen Neigungswinkel α der Freiheitsflächen 16 und eine entsprechende Länge dieser Freiheitsflächen 16 wählt, ist es möglich, wenn die Dichtung vor ihrer Quetschung angeordnet wird, einen doppelten Kontakt zwischen ihr und den Teilen 8 herzustellen. Tatsächlich kann man vorsehen, dass jedes dieser Teile 8, deren Oberflächen parallel sind, zu Beginn der Quetschung zugleich Kontakt mit den Spitzen eines Vorsprungs 15 und einem Ende 19 der entsprechenden Freiheitsfläche 16 hat, wobei dieser doppelte Kontakt für die anschließende Quetschung bis zu deren Ende keine nachteiligen Folgen hat.
Der Neigungswinkel α muss klein sein und kann zwischen 1° und 15° variieren. Die Wahl seines genauen Werts wird diktiert durch die doppelte Anforderung, am Ende der Quetschung ein optimales Dichtheitsniveau zu erzielen und dieses Niveau mit einem kleinstmöglichen Kraftschwellenwert in der Unterdruckphase aufrecht zu erhalten.
Bei einer Aluminiumhülle mit einer Dicke von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von 4,2 mm kann man einen Neigungswinkel α in der Größenordnung von 8° vorsehen, was einem Abstand der Achse A1 und A2 in der 3 von ungefähr 0,30 mm und einer Höhe h von ungefähr 0,1 mm entspricht.
Die 5 zeigt eine Kennlinie der längenbezogenen bzw. linearen Spannkraft F als Funktion der Quetschung bzw. des Quetschungswegs E, anwendbar auf die Dichtungen nach dem Stand der Technik wie auf die Dichtungen nach der Erfindung.
Die 6 stellt die Entwicklung des Leckwerts Q im Laufe des Quetschzyklus als Funktion der Quetschkraft dar. In dieser 6 werden die Leistungen der erfindungsgemäßen Dichtung (durchgezogene Kurve I) verglichen mit den Leistungen einer Dichtung nach dem Stand der Technik (gestrichelte Kurve (a)) ohne Versatz der Vorsprünge.
Man sieht, dass die Dichtung nach dem Stand der Technik zu Beginn der Quetschung schneller eine bessere Dichtheit herstellt. Jedoch verschlechtert sich diese Dichtheit anschließend, insbesondere nach einem Quetschungsweg von 0,7 mm bei einem betrachteten Beispiel. Zudem weist die erfindungsgemäße Dichtung, bei der der Neigungswinkel α 8° beträgt, in der Kompressionsphase eine konstante Verbesserung der Dichtheit auf, und am Ende der Quetschung für denselben Quetschungswegwert von 0,7 mm eine sehr gute Dichtheit. Diese sehr gute Dichtheit variiert bei der Dekompression bis zu einem längenbezogenen bzw. linearen Schwellenwert von 4 bis 5 Newton pro Millimeter des mittleren Umfangs der Dichtung sehr wenig.
Bei einer großen Anzahl von Realisierungen der erfindungsgemäßen Dichtung ist diese von generell kreisrunder Form.
Bei anderen Realisierungen der erfindungsgemäßen Dichtung kann diese elliptisch (7), rechteckig, im Wesentlichen rechteckig mit runden Ecken (8), dreieckig, gestreckt (9) sein oder eine der anderen Formen 7 aufweisen, die aus einer Kombination und/oder Modifikation dieser Formen (10) resultiert.
In dem dargestellten Fall ist die Höhe der Vorspringe mit annähernd dreieckigem Querschnitt zwischen 0,05 und 0,50 mm enthalten.
Bei einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt wird die Höhe senkrecht zu der Fläche 16 gemessen, ausgehend von der Spitze des Vorsprungs bis zu der genannten Fläche. Bei anderen Realisierungen der erfindungsgemäßen Dichtung kann der Vorsprung elliptisch (11), rechteckig, annähernd rechteckig sein, mit runden Ecken (14), oder eine der anderen Formen 8 aufweisen. Bei einem annähernd trapezförmigen, runden oder eine andere Form aufweisenden Querschnitt wird die Höhe zwischen der Fläche 16 und der Spitze des Vorsprungs senkrecht gemessen.

Claims

Offene elastische Metalldichtung (10) mit einem elastischen Metallkern und einer metallischen Außenhülle (14), in die der Metallkern eingefügt ist, wobei die Dichtung (10), wenn sie sich im Ruhezustand befindet, einen offenen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der eine Mittelachse (A2) definiert, das heißt eine Gerade, die durch den geometrischen Mittelpunkt des Querschnitts der sich im Ruhezustand befindlichen Dichtung verläuft, wobei die Öffnung (12) sich zwischen zwei Freiheitsflächen (16) befindet, die sich gegenüberstehen und von denen jede einen hervorstehenden Teil (15) aufweist, dessen Spitze dazu bestimmt ist, unter der Wirkung einer bestimmten Spannkraft einen dichten Kontakt mit einem Gegenstand (8) herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand die hervorstehenden Teile leicht versetzt sind in Bezug auf die Mittelachse (A2), entgegengesetzt zu der Öffnung (12), so dass sie sich unter der Wirkung der Spannkraft dieser Mittelachse (A2) nähern.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorstehenden Teile (15) symmetrisch sind in Bezug auf die Symmetrieebene der Dichtung (10).
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Freiheitsflächen (16) senkrecht ist zu der Symmetrieachse (A5) des mit ihr verbundenen hervorstehenden Teils (15).
Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (A5) durch den Mittelpunkt des Kreises verläuft, der durch den Querschnitt der Dichtung (10) definiert wird.
Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Freiheitsfläche (16) in ihrer Mitte einen hervorstehenden Teil aufweist, dessen Symmetrieachse (A5) um einen zwischen 1 und 12° enthaltenen Neigungswinkel α geneigt ist, wobei dieser festgelegte Neigungswinkel α die Tendenz hat, unter der Wirkung der Spannkraft zu schwinden.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ringförmig ist. 7. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der hervorstehenden Teile (15), die einen annähernd dreieckigen Querschnitt haben, zwischen 0,05 mm und 0,50 mm enthalten ist.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorstehenden Teile (15) generell von dreieckiger Form sind.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorstehenden Teile (15) generell trapezförmig sind.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorstehenden Teile (15) generell von elliptischer Form sind.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hervorstehenden Teile generell von rechteckiger Form sind.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie generell kreisförmig ist.
Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie generell von elliptischer Form ist.
Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie generell von dreieckiger Form ist.
Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie generell von rechteckiger Form ist.
Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (12) in Richtung Symmetrieachse bzw. nach der Symmetrieachse der Dichtung oder entgegengesetzt zu dieser positioniert ist bzw. wird.