-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine metallische Verbundfederdichtung. Sie betrifft auch ein Verfahren
zur Herstellung einer solchen Dichtung.
-
Auf dem Gebiet der statischen Dichtheit,
das zum Beispiel die Schraubenbolzenverbindungen oder die Schraubanschlüsse mit
Dichtung umfassen, wurden in den vergangenen dreißig Jahren
flexible Metalldichtungen entwickelt, die auf der Trennung der Funktionen
der mechanischen Elastizität
und der Abdichtung beruhen. Dieses Prinzip hat dazu geführt, dass
man als elastischen Kern ein geschlossenes oder offenes Rohr benutzt
(mit C-förmigem
Querschnitt), das meist aus federnden Materialien mit hoher Elastizitätsgrenze
besteht, und dass man diese elastische Vorrichtung umhüllt mit
entweder unabhängigen
dünnen
Folien bzw. Blättern
aus formbarem Metall oder einem Oberflächenüberzug, der direkt auf dem
Substrat haftet. Es gibt auch eine torusförmige Verbunddichtung, deren
zentraler Körper eine
außen
mit einer Metallfolie umhüllte
Spiralfeder mit aneinandergrenzenden, in sich selbst geschlossenen
Windungen ist (Dichtung "Heliflex" von CEFILAC).
-
Diese Konzeption führt Dichtungen,
die unter dem Gesichtspunkt der Dichtheit sehr leistungsfähig sind,
aber auch zu einer Erhöhung
der Press- bzw. Klemmkräfte,
die 5- bis 40– mal
höher sind
als bei den torusförmigen
Elastomer-Dichtungen. Die eventuelle Verängerung der Kräfte geht
natürlich
auf Kosten der Dichtheit.
-
Wenn man das mechanische Verhalten
dieser Dichtungen prüft,
das heißt,
wenn man das Verhältnis
misst, das besteht zwischen der längenbezogenen Kraft E1, die man auf die Dichtung ausübt, um sie
zu pressen, und ihrer Quetschung bzw. Druckvertormung e, erhält man eine
Kennlinie wie zum Beispiel die in dem Diagramm der 1 dargestellte Kurve 1. Wenn
man diesem selben Diagramm die Veränderung des spezifischen Kontaktdrucks
P überlagert,
das heißt
das Verhältnis
zwischen längenbezogener
Kraft und der Kontaktbreite zwischen der Dichtung und der Abdichtungsfläche, erhält man eine Glockenkurve
wie zum Beispiel die in dem Diagramm der 1 dargestellte Kurve 2. Die Kurve 2 zeigt, dass
der spezifische Druck bei den ersten zehn Quetschungen bzw. Druckvertormungen
der Dichtung sehr schnell zunimmt, ein Maximum durchläuft und anschließend sehr
schnell abnimmt. Dies ist ein Hauptnachteil, denn es besteht die
Gefahr der Verschlechterung der Dichtheit bei einer Druckvertormung,
die mit den üblichen
Toleranzen des Dichtungssitzes kompatibel ist.
-
Alle metallischen Dichtungen mit
einem elastischen torusförmigen
Kern haben also einen gemeinsamen Punkt, nämlich dass ihr Querschnitt
sich unter der Wirkung der angewendeten Kraft ovalisiert. Diese
Ovalisierung führt
aufgrund der Zunahme des Krümmungsradius
(Hertz-Ausdruck) zu einer Vergrößerung der
Kontaktfläche
zwischen der Dichtung und ihrer Auflagefläche, also zu einer Verringerung
des spezifischen Kontaktdrucks. Jenseits eines Druckverformungswerts
xe (s. 1)
fällt die
Kurve 1 sehr schnell ab, während der Krümmungsradius
zunimmt.
-
Das Dokument FR-A-2 180 400 beschreibt eine
torusförmige
metallische Verbunddichtung gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 4 und besitzt einen hohlen metallischen torusförmigen Zentralkörper mit
einem leichten Überzug,
vor allem aus Metall, wobei der Zentralkörper teils C-förmig ist
und teils durch Schlitze getrennte Zungen umfasst.
-
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um
die Ovalisierung des torusförmigen
Querschnitts der metallischen Verbundfederdichtungen während der
Druckvertormung zu vermeiden. Sie beseitigt also die Kontaktdruckabnahme
zugunsten einer kleinen Gesamtkraft.
-
Noch genauer besteht die Aufgabe
dann, die Entwicklung des Krümmungsradius
an den Kontaktpunkten zwischen Dichtung und Dichtungsauflagefläche des
einer Radialkraft ausgesetzten elastischen Elements zu annullieren
oder sogar umzukehren. Das Pressen einer Dichtung mit C-förmigem Querschnitt
führt nämlich zu
einer Ovalisierung des Erzeugerkreises, die sich insbesondere durch
eine Zunahme des Krümmungsradius
des C bei den Dichtung/Auflagefläche-Kontaktpunkten
ausdrückt.
Die Entwicklung dieses Krümmungsradius
ist dann eine monotone steigende Funktion der Press- bzw. Klemmkraft.
-
Der Anspruch 1 beschreibt eine erste
Ausführungsvanante
einer erfindungsgemäßen torusförmigen Dichtung.
-
Erfindungsgemäß hat der Effekt des Aufrollens
der Windungen auf sich selbst eine Abnahme des Krümmungsradius
des Zentralkörpers
bei den Dichtung/Auflagefläche-Kontaktpunkten zur
Folge. Die Entwicklung dieses Krümmungsradius
ist dann eine monotone absteigende Funktion der Press- bzw. Klemmkraft.
-
Die erfindungsgemäße torusfömige Dichtung unterscheidet
sich funktionell von einer Dichtung, bei der als elastischer Kern
ein C-förmiges
offenes Rohr verwendet wird, selbst wenn das C praktisch geschlossen
ist. In diesem Fall kann der Effekt, den man mit der Erfindung erzielt,
nicht erlangt werden, denn dies würde beim Klemmen bzw. Pressen
dieser Dichtung nach dem Stand der Technik zu einem Einziehen (retreint)
des Metalls (oder zu einer Dehnung (allongement), je nach Position
der Achse der Dichtung) in Höhe
des Abschlusses der beiden Enden des C führen. Die Erfindung zeigt also,
dass man über
eine Diskontinuität
des Umfangs des elastischen Elements vertilgen muss, um das Schließen des
Querschnitts des Zentralkörpers
auf sich selbst zu begünstigen.
Diese Diskontinuität
realisiert sich, indem die Einrichtungen, welche die Spiralfeder
bilden, Windungen aufweisen, die nebeneinander liegen und nicht
aneinander grenzen. Bei dieser Konfiguration kann das Verhalten
des Zentralkörpers
in Höhe
jeder Windung an die Verformung einer Spiralfeder angepasst werden.
-
Die parallelen Streifen können miteinander durch
einen durchgehenden metallischen Teil verbunden sein. Derart erhält man für den Zentralkörper eine
Kammform, wenn dieser flach ausgebreitet ist.
-
Der Anspruch 4 beschreibt eine zweite
Ausführungsvariante
einer erfindungsgemäßen torusförmigen Dichtung.
-
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur
Herstellung einer metallischen Verbundfederdichtung mit einem Schritt
zum Herstellen eines torusförmigen
hohlen metallischen Zentralkörpers
und einem Schritt zum Umhüllen
dieses Zentralkörpers
mit wenigstens einem Metallblatt und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Schritt zum Herstellen des Zentralkörpers die folgenden Operationen
umfasst:
- – partielles
Zuschneiden eines Metallblatts mit geeigneten Abmessungen, um parallele
Streifen zu erhalten, die durch einen senkrecht zu diesen Streifen
verlaufenden, durchgehenden metallischen Teil miteinander verbunden
sind,
- – Aufrollen
des Metallblatts auf sich selbst um eine Achse, die parallel zu
dem Metallblatt und senkrecht zu den genannten Streifen ist, bis
sich die Streifen selbst überdecken,
um einen Zylinder zu erhalten,
- – Verbinden
der beiden Enden des Zylinders, um die Torusform des metallischen
Zentralkörpers
zu erhalten.
-
Die Erfindung hat schließlich ein
Verfahren zur Herstellung einer torusförmigen metallischen Verbunddichtung
zum Gegenstand, das einen Schritt zum Herstellen eines torusförmigen hohlen
metallischen Zentralkörpers
und einem Schritt zum Umhüllen
dieses Zentralkörpers
mit wenigstens einem Metallblatt umfasst und dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Schritt zum Herstellen des Zentralkörpers die
folgenden Operationen umfasst:
- – Formen
einer Metalldrahtlänge,
um eine Schlangenkonfiguration zu erhalten, die – wenn die Drahtlänge flach
ausgebreitet ist -, geradlinige Teile, die im Wesentlichen parallel
zueinander sind, und Verbindungsteile, um jeden geradlinigen Teil
mit dem vorangehenden geradlinigen Teil und dem nachfolgenden geradlinigen
Teil zu verbinden, umfasst,
- – Aufrollen
der vorhergehend erlangten Konfiguration auf sich selbst, um eine
Achse herum, die parallel ist zu der geformten Drahtlänge und
senkrecht zu den genannten geradlinigen Teilen, um einen Zylinder
mit abwechselnder Verschachtelung bzw. Verkeilung der Verbindungsteilen
zu erhalten,
- – Verbinden
der beiden Enden des Zylinders, um die Torusform des metallischen
Zentralkörpers
zu erhalten. Die Verbindung und weitere Details und Besonderheiten
gehen besser aus der nachfolgenden beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung
hervor, bezogen auf die beigefügten
Zeichnungen:
-
die 1 ist
ein Diagramm, das die Kennlinien einer Dichtung nach dem Stand der
Technik zeigt,
-
die 2A, 2B und 2C sind Illustrationen zu einer ersten
Variante eines Zentralkörpers
einer torusförmigen
Dichtung nach der vorliegenden Erfindung,
-
die 3A, 3B und 3C sind Illustrationen zu einer zweiten
Variante eines Zentralkörpers
einer torusförmigen
Dichtung nach der vorliegenden Erfindung,
-
die 4 ist
eine Partialschnittansicht einer Dichtung nach der vorliegenden
Erfindung,
-
die 5 ist
ein Diagramm mit den Kennlinien einer erfindungsgemäßen Dichtung.
-
Nach einer ersten Ausführungsvariante
kann der torusförrnige
Zentralkörper
der Dichtung aus einem zugeschnittenen Metallblatt, wie dargestellt
in der 2A, gefertigt
werden. Diese Figur zeigt ein Metallblatt 11, zum Beispiel
aus Stahl, mit einer Längsachse 12.
Dieses Blatt 11 weist Einschnitte 13 auf, die
senkrecht sind zu der Achse 12 und von demselben Rand des
Blatts ausgehen. Man erhält
derart eine Serie paralleler Streifen 14 derselben Breite. Zwei
aufeinandertolgende Streifen sind getrennt durch einen bestimmten
Abstand, festgelegt durch den Einschnitt 13. Die Einschnitte 13 lassen
einen durchgehenden Metallteil (oder Steg) 15 bestehen. Das
zugeschnittene Metallblatt hat infolgedessen die Form eines Kamms
von geringer Dicke, mit einem auf die Mindestbreite reduzierten
Steg, dessen Funktion es ist, die Streifen 14 mechanischen
zu verbinden, um sie gleichmäßig über den
Umfang des Torus zu verteilen. Dieser Steg kann sich übrigens
anstatt am Rand zum Beispiel auch in der Mitte des Kamms erstrecken.
-
Durch Aufrollen des Metallblatts 11 auf
sich selbst um die Achse 12 herum erhält man einen Zylinder 16,
den die 2B als Seitenansicht
zeigt. Das Aufrollen erfolgt so, dass man eine partielle Überdeckung
des Metallblatts erhält.
Diese Überdeckung um
einen Winkel α ist
unbedingt nötig,
um durch Reduzierung der Evolute (diminution du developpe) des Erzeugerkreises
ein Aufrollen der Spiralfeder auf sich selbst sicherzustellen.
-
Nach einer zweiten Ausführungsvarante kann
der Zentralkörper
der torusförmigen
Dichtung aus einem Metalldraht, zum Beispiel aus Stahl, mit kreisrundem
Querschnitt gefertigt werden. Der Draht wird zunächst auf einer ebenen Fläche serpentinenförmig gebogen,
wie dargestellt in der 3A.
Diese Figur zeigt, dass die Serpentinenkonfiguration des Metalldrahts 21 zwischen
zwei parallelen Achse 22 und 23 enthalten ist,
die sich beiderseits der Mittelachse 24 befinden. Jede
Schleife der Serpentinenkonfiguration umfasst geradlinige Teile 25 und 26,
die im Wesentlichen parallel zueinander sind, also im Wesentlichen
parallel zu der Achse 24, die verbunden werden durch einen
Verbindungsteil 27 von geringer Länge.
-
Durch Aufrollen der Serpentinenkonfiguration
auf sich selbst, um die Achse 24 herum, erhält man einen
Zylinder 28, von dem die 3B eine
Seitenansicht zeigt. Das Aufrollen wird so realisiert, dass sich
die Verbindungsteile 27 gegenseitig ineinander verschachteln
bzw. verkeilen.
-
Die 3C ist
ein Aufriss eines der Enden des Zylinders 28. Sie zeigt
den Winkel α der
gegenseitigen Penetration der geradlinigen Teile.
-
Die erlangten Zylinder der einen
oder anderen Variante werden anschließend verformt, um ihre Enden
zu vereinigen und eine Torusform zu erhalten. Der Zentralkörper kann
dann mit einer oder mehreren Hüllen
versehen werden, um eine erfindungsgemäße torusförmige Dichtung mit geringer
Steifigkeit zu erhalten. Das Material der Hülle wird vorzugsweise unter
den formbaren Metallen wie zum Beispiel Indium, Zinn, Blei, Aluminium
oder ihren Legierungen ausgewählt.
-
Die Öffnung der Spiralfeder kann
entsprechend der jeweiligen Anwendung ausgerichtet werden, dart
sich aber auf gar keinen Fall der Druckvertormung durch Aufrollen
widersetzen.
-
Die 4 zeigt
eine erfindungsgemäße torusförmige Dichtung.
Sie ist als Partialschnitt dargestellt. Der Schnitt zeigt den metallischen
Zentralkörper 31 mit
Elementen die Spiralfedern bilden, zum Beispiel vom Typ der weiter
oben beschriebenen ersten Ausführungsvariante.
Dieser metallische Zentralkörper 31 ist
von einer Hülle
aus formbarem Metall 32 umgeben, deren Erzeugerkreis offen
ist.
-
Das Kennliniendiagramm einer solchen Dichtung
zeigt die 5. Durch Vergleich
mit dem Diagramm einer Dichtung nach dem Stand der Technik, dargestellt
in der 1, stellt man
fest, dass der Kompressions-Dekompressions-Zyklus, beschrieben durch
die Kurve 41, nach der Dekompression eine kleine permanente
Deformierung aufweist. Im Gegensatz zu der Feder der Dichtungen
nach dem Stand der Technik, die sich ovalisiert, bleibt die Spiralfeder
der erfindungsgemäßen Dichtung
praktisch in der elastischen Phase der Feder. Außerdem ist der spezifische
Kontaktdruck an der Grenzfläche,
beschrieben durch die Kurve 42, immer strikt zunehmend,
also ohne die Gefahr einer eventuellen Verschlechterung der Dichtheit
aufgrund einer übermäßigen Druckvertormung.
-
Dieser Dichtungstyp kann insbesondere
benutzt werden:
- – bei den Oberflächenbehandlungs-
bzw. -bearbeitungsanlagen des Typs PVD (Physical Vapour Deposition)
und CVD (Chemical Vapor Deposition) der Halbleiter-Industrie;
- – in
der Vakuum- und Ultravakuum-Industrie und insbesondere bei den Beschleunigern
und den Experimentalphysik-Laboratorien;
- – generell
bei allen Anlagen, bei denen Elastomerdichtungen als statische Dichtungselemente verwendet
werden, wobei die Erfindung vorteilhaft die Elastomerdichtungen
ersetzt, indem sie die Pollutionsrisiken begrenzt und die Entgasungsund
Alterungsvorgänge
eliminiert, und dies ohne die Klemm- bzw. Pressfähigkeit der Verbindung zu modifizieren.