DE69817469T2

DE69817469T2 - Metallische Verbundfederdichtung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69817469T2
Application number: DE69817469T
Authority: DE
Inventors: Philippe Caplain; Christian Rouaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: DE69817469D1; ES2205406T3; JP4327269B2; EP0887577B1; JPH1163269A; FR2765298B1; EP0887577A1; US6098989A; FR2765298A1

Description

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 x_e (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.

Claims

Metallische Verbundfederdichtung mit einem hohlen Zentralkörper von torischer Form (31) und wenigstens einem diesen Zentralkörper umgebenden Metallblatt (32), wobei der Zentralkörper (31) gebildet wird durch eine Folge von Spiralfeder-bildenden Einrichtungen mit Überdeckung und angeordnet gemäß Umfängen von meridianen Kreisen des Torus, wobei diese Spiralfeder-bildenden Einrichtungen nebeneinander liegen aber nicht aneinandergrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Spiralfeder-bildenden Einrichtungen durch parallele Streifen (14) gebildet werden, die auf sich selbst aufgerollt sind und deren Hauptflächen dem Zentralkörper seine torische Form geben.
Verbundfederdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Streifen (14) miteinander verbunden sind durch einen durchgehenden metallischen Teil (15).
Verbundfederdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen Streifen (14) und der durchgehende metallische Teil (15) dem Zentralkörper, wenn er flach ausgebreitet ist, die Form eines Kamms geben.
Metallische Verbundfederdichtung mit einem hohlen Zentralkörper von torischer Form (31) und wenigstens einem diesen Zentralkörper umgebenden Metallblatt (32), wobei der Zentralkörper (31) gebildet wird durch eine Folge von Spiralfeder-bildenden Einrichtungen mit Überdeckung und angeordnet gemäß Umfängen von meridianen Kreisen des Torus, wobei diese Spiralfeder-bildenden Einrichtungen nebeneinander liegen aber nicht aneinandergrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Spiralfeder-bildenden Einrichtungen durch Metalldrähte gebildet werden, wobei diese Metalldrähte zugeschnittene Stücke mit einer selben Drahtlänge (21) sind, die, wenn diese Drahtlänge flach ausgebreitet ist, geradlinige Teile (25, 26) mit einer Schlangenkonfiguration (20) aufweisen und diese Schlangenkonfiguration (20) aufgerollt wird in Form eines Zylinders (28) und die Enden dieses Zylinders miteinander verbunden werden, um den genannten Torus zu bilden.
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, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Herstellen des Zentralkörpers die folgenden Operationen umfasst: – partielles Zuschneiden eines Metallblatts (11) mit geeigneten Abmessungen, um parallele Streifen (14) zu erhalten, die durch einen senkrecht zu diesen Streifen (14) verlaufenden, durchgehenden metallischen Teil (15) miteinander verbunden sind, – Aufrollen des Metallblatts (11) auf sich selbst um eine Achse (12), parallel zu dem Metallblatt und senkrecht zu den genannten Streifen (14), um einen Zylinder (16) zu erhalten und bis sich die Streifen selbst überdecken, – Verbinden der beiden Enden des Zylinders (16), um die Torusform des metallischen Zentralkörpers zu erhalten.
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, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Herstellen des Zentralkörpers die folgenden Operationen umfasst: – Formen einer Metalldrahtlänge (21 ), um eine Schlangenkonfirmation (20) zu erhalten, geradlinige Teile (25, 26) umfassend, im Wesentlichen parallel zueinander, wenn die Drahtlänge (21) flach ausgebreitet ist, und Verbindungsteile (27), um jeden geradlinigen Teil mit dem vorangehenden geradlinigen Teil und dem nachfolgenden geradlinigen Teil zu verbinden, – Aufrollen der vorhergehend erlangten Konfiguration (20) auf sich selbst, um eine Achse (24) herum, die parallel ist zu der geformten Drahtlänge und senkrecht zu den genannten geradlinigen Teilen (25, 26), um einen Zylinder (28) mit abwechselnder Verschachtelung bzw. Verkeilung der Verbindungsteile (27) zu erhalten, – Verbinden der beiden Enden des Zylinders (28), um die Torusform des metallischen Zentralkörpers herzustellen.