DE2740802A1 - Flexible ringdichtung - Google Patents

Description

Fi TENTANVVALT DR. HANS ULRICH MAY D 8 MÖNCHEN 88. THIEFiSCHSTRASSE 87 TELEGRAMME: MAVPATENT MÜNCHEN TELEX SS 4487 PATOP TELEFON CO 89) 88 SO 01 CP 535/1537 München» 9. September 1977

B.5998.3.PG.

Conmissariat a !'Energie Atcmique in Paris / Frankreich Flexible Ringdichtung

80981 1/0953

Die Erfindung betrifft eine flexible Ringdichtung umfassend einen Innenkern, der von einer in sich geschlossenen ringförmigen und aus einem Metalldraht hergestellten Schraubenfeder mit eng aneinander anliegenden Schraubenwindungen gebildet ist, und mindestens eine den Innenkern umgebende Hülle, die im Ruhezustand - in einem Schnitt senkrecht zur Oberfläche betrachtet - eine in sich nicht geschlossene Kurve bildet.

Man kenntbereits Ausführungsformen einer Dichtung dieser Art, insbesondere eine Dichtung, deren Innenkern von einer aus einem Metalldraht bestehenden Schraubenfeder mit eng aneinander anliegenden Schraubenwindungen gebildet wird, wobei die Schraubenfeder eine erhebliche axiale Druckspannung aufweist, in sich geschlossen ist und in der Ruhestellung die Form eines Torus hat. Diese Schraubenfeder ist von mindestens einer Hülle umgeben, die in der Ruhestellung eine torusförmige Oberfläche besitzt, deren erzeugender Kreis aber nicht in sich geschlossen ist. Die die Schraubenfeder umgebende Hülle kann unterschiedlicher Art sein entsprechend dem Bestimmungszweck der Dichtung, den im Einsatz von der Dichtung aufzunehmenden Kräften und der Art der Oberflächen, zwischen denen die Dichtung eingeschlossen ist. Insbesondere kann diese Hülle aus einem Metall hergestellt sein, beispielsweise Stahl, Kupfer, Aluminium oder irgendeiner geeigneten Legierung. Die Hülle kann jedoch auch aus einem Kunststoff wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen oder einem anderen Kunststoffmaterial bestehen oder auch aus einem Metall und Kunststoff enthaltenden Komposit-Werkstoff bestehen. Letzterer kann beispielsweise eine Metallhülle umfassen, welche eine Schicht in Form einer weiteren mit dem Metall verbundenen oder nicht verbundenen Kunststoffhülle auf-

809811/0953

weist. Die derart hergestellte Dichtung kann in Form eines geschlossenen Ringes oder aus geradlinigen Abschnitten gebildet sein, die untereinander durch gekrümmte Abschnitte verbunden sind. Selbstverständlich können auch andere Formen gewählt werden.

Bei der in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsform kann die zur Diskussion stehende Dichtung zwei die innere Feder umgebende Hüllen aufweisen, von denen die eine an der Feder anliegende Hülle aus einem elastischen wenig duktilen Metall besteht wie beispielsweise Flußstahl oder rostfreiem Stahl, während die andere Hülle aus einem duktilen Metall hergestellt ist wie beispielsweise Kupfer oder Nickel. In diesem Fall verteilt die erste Hülle den Gegendruck aufgrund des partiellen Zusammendrückens der Feder während des Einspannens der Dichtung gleichförmig auf die zweite Hülle, die sich dicht an die beiden Flächen anlegt, zwischen denen die Dichtung eine Abdichtung bewirken soll.

Die bereits bekannten Dichtungen der oben genannten Art haben den wesentlichen Vorteil, bei unter Umständen erheblichen Durchmessern eine dichte Verbindung zwischen Flanschflächen oder anderen Flächen herzustellen, deren Oberflächen nicht besonders sorgfältig behandelt wurden. In Fig. der beigefügten Zeichnungen ist der Zusammenhang zwischen der Formveränderung beim Zusammenpressen der Dichtung in Abhängigkeit der aufgewandten Kraft beispielhaft in einer graphischen Darstellung einer Schar von Kurven a, b, c wiedergegeben, die verschiedenen Ausführungsbeispielen dieser Dichtung entsprechen. Der charakteristische Verlauf dieser Kurve zeigt eine abnehmende Steigung, die nach der Anfangsphase der Kompression bei einer geringen Änderung der Kraft zu einer merklictien Verformung führt,

809811/0953

die in den meisten Fällen in einem Bereich von mehr als einem Millimeter liegt. Diese Fähigkeit der Dichtungen der oben genannten Art stellt einen wesentlichen Vorteil für den Zusammenbau der Rohrflansche, die die Dichtung zwischen sich aufnehmen und ist vor allem dort wesentlich, wo die Dichtung im Betrieb äußeren Belastungen unterschiedlicher Größe ausgesetzt ist.

In der graphischen Darstellung der Fig. 2, in der die Zone λ den Bereich der zum Erreichen einer vollständigen Abdichtung notwendigen Kraft wiedergibt, erkennt man, daß nur die mit a bezeichnete Kurve den Bedingungen genügt, während die Kurve b die Zone a über einen weiten Bereich der Verformung schneidet, die nicht verhindert werden kann. Bei bestimmten Dichtungen, deren Verhalten der Kurve B entspricht, erreicht man die notwendige Abdichtung unter Umständen erst bei einem Wert der Formveränderung, der oberhalb den Abmessungen der Nut liegt, welche die Dichtung aufnimmt. Die unterhalb der Zone A verlaufende Kurve c ist in keinem Fall zu gebrauchen. Jede der Kurven entspricht einer bestimmten Dichtung, wobei insbesondere jedesmal eine den elastischen Kern der Dichtung bildende Feder unterschiedlicher Geometrie verwendet wurde. Diese Beobachtungen führen dazu, aus der Schar der charakteristischen Kurven vorzugsweise nur jene in Betracht zu ziehen, welche mit einer sehr steilen Neigung die dem Erreichen der vollständigen Abdichtung entsprechende Zone schneiden, während die anderen Kurven außer Betracht bleiben. Eine derartige Auswahl hat aufgrund des Kurvenprofiles den Nachteil, daß man eine wesentlich höhere Spannkraft zum Zusammenspannen der Flansche aufwenden muß, um eine annehmbare Deformation zu erreichen.Diese Erhöhung der Kraft, die in gewissen Fällen unnötig ist, stellt also einen gewissen Nachteil der betrachteten flexiblen Dichtungen dar, der durch die vorliegende Erfindung in einfacher und wirksamer Weise beseitigt wird. Hierzu wird vorge-

809811/0953

βchlagen, daß die den Innenkern bildende Schraubenfeder von einem fortlaufenden Draht gebildet ist, dessen Querschnitt die Form eines Kreissegmentes mit einem Zentriwinkel von 18o° bis 36o° hat, wobei die Sehne des Kreissegmentes die Erzeugende der Außenfläche der Schraubenfeder bildet.

Damit wird eine metallische Ringdichtung geschaffen, die dazu geeignet ist, eine vollständige Abdichtung zwischen zwei Anlageflächen zu erreichen aufgrund ihrer Eigenschaften hinsichtlich der Formveränderung beim Zusammendrücken und der elastischen Deformation, die dem analogen Verhalten elastomerer Materialien nahekommen.

Dank einer derartigen Feder wird erreicht, wie dies die in Fig. 3 dargestellte Kurvenschar zeigt, daß der char rakteristische Zusammenhang zwischen aufgewendeter Kraft und Deformation der Dichtung zwei unterschiedliche Äste aufweist: Der erste, der Anfangsphase der Kompression der Dichtung entsprechende Ast besitzt eine sehr steile Neigung, so daß zumindest für einige der Kurven sehr rasch die Schwelle der notwendigen Abdichtung erreicht wird. Daran schließt sich ein zweiter praktisch horizontal verlaufender Ast an, wo die Kraft über einen großen Deformationsbereich im wesentlichen konstant bleibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der in Form eines Kreissegmentes ausgebildete Querschnitt des die Kernfeder bildenden Drahtes durch Walzen oder Fließpressen eines Drahtes mit kreisförmigem Querschnitt vor dem Herstellen der Schraubenfeder erhalten. Gemäß einer Variante wird der kreissegmentförmige Querschnitt des Drahtes nach dem Herstellen der Schraubenwindungen der Schraubenfeder durch Abheben von Material, beispielsweise Schleifen, hergestellt.

809811/0953

Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer flexiblen Ringdichtung bekannter Art, die zwischen zwei Spannflanschen eingelegt ist,

Fig. 2 eine graphische Darstellung mit einer einer Ringdichtung gemäß Fig. 1 entsprechenden Kurvenschar in einem Koordinatensystem, auf dessen Abszisse die Formänderung beim Zusammendrücken der Dichtung und auf dessen Ordinate die hierzu notwendige Kraft aufgetragen ist,

Fig. 3 ein weiteres Formänderungs-Kraftdiagramm mit einer weiteren Kurvenschar, die einer Ringdichtung mit einer gemäß der Erfindung verbesserten Kernfeder entsprechen, und

Fig. 4 und 5 schematische Teilschnitte in vergrößertem Maßstab durch die erfindungsgeroäße Feder, welche das Querschnittsprofil der vorgeschlagenen den Kern der Dichtung bildenden Feder zeigen.

Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine allgemein mit 1 bezeichnete Ringdichtung gemäß dem Stande der Technik, die zwischen zwei Spannflansche 2 und 3 eingelegt ist, die ihrerseits durch Spannbolzen 1o miteinander verschraubt sind. Die Ringdichtung 1 umfaßt eine innere Schraubenfeder 4, die von einer offenen Hülle 5 umgeben ist. Diese Hülle kann aus Metall oder Kunststoff oder einer anderen Kombination von Metall und Kunststoff bestehen, die die gewünschte Abdichtung ergibt, wenn die Ringdichtung 1 zwischen

809811/0953

den Anlageflächen der Spannflansche 2 und 3 mit einer geeigneten Kraft zusammengedrückt wird. In Fig. 2 entspricht beispielsweise die die Zone A vollständig schneidende Kurve a einer derartigen Ringdichtung. Bei einer abgewandelten Ausführungsform könnte die Dichtung auch zwei übereinanderliegende offene Hüllen aufweisen, wobei die innere Hülle härter ist und eine übertragung der Reaktionskräfte der Feder auf die äußere Hülle ermöglicht. Eine derartige Ausführungsform der Dichtung ist umso wirkungsvoller, je größer die Durchmesser sind.

Dadurch, daß der Querschnitt der Schraubenfeder 4 die erfindungsgemäße spezielle Form erhält, wird der Verlauf der für die Feder charakteristischen Kurve verändert. Anstelle der Kurve a in Fig. 2 erhält man die Kurve a' in Fig. 3, die einen steiler ansteigenden Anfangsast, gefolgt von einem im wesentlichen horizontalen Ast aufweist, innerhalb dessen die Kraft praktisch konstant bleibt, während die Formänderung in einem weiten Bereich variieren kann. In der gleichen Fig. 3 sind die den Kurven b und c in Fig. 2 entsprechenden Kurven b¹ und c¹ dargestellt, deren Verlauf aber nicht für die gesuchte Lösung taugt. Wie groß auch immer die Formänderung beim Zusammendrücken ist, die benötigte Kraft liegt nur sehr wenig über jener Kraft, die zur Erreichung einer Abdichtung benötigt wird. Ein derartiger Verlauf der kennzeichnenden Kurve wird insbesondere durch eine Schraubenfeder 4 erhalten, die aus einem Metalldraht 7 (Fig. 4) besteht, der in einem zur Drahtachse senkrechten Querschnitt betrachtet ein Querschnittsprofil aufweist, das von einem Kreisbogen 8 und einer Sehne 9 begrenzt ist. Der Kreisbogen erstreckt sich über einen Zentri-Winkel α_ zwischen 18o° und 36o°. Die besondere Querschnittsform der Schraubenfeder 4 kann beispielsweise

809811/0953

dadurch erzielt werden, daß der Metalldraht 7 vor dem Herstellen der Windungen der Schraubenfeder 4 durch Walzen oder Ziehen eines runden Drahtes seine Form erhält. In Abweichung hiervon kann die den Kreisbogen 8 begrenzende Sehne 9 nach dem Herstellen der Windungen der Schraubenfeder 4 erhalten werden, indem eine entsprechende Menge des Drahtmaterials durch Schleifen oder ein anderes Verfahren abgetragen wird. In jedem Falle ist festzustellen, daß die spezielle Form der erfindungsgemäßen Feder nicht eine einfache Abflachung darstellt, wie etwa eine ebene Fläche auf der ursprünglich gekrümmten Feder, sondern auf der zur Anlage an der Hülle bestimmten Außenfläche der Feder eine kontinuierliche Fläche bildet, die von einer einen Kreisbogenabschnitt und eine gerade Sehne umfassenden Querschnittsform erzeugt wird.

Es ist natürlich möglich, die Art der Reaktion der Schraubenfeder mit eng aneinanderliegenden Schraubenwindungen willkürlich zu variieren, indem man die Größe des Zentriwinkels o. verändert, welcher den Kreisabschnitt des Drahtquerschnittes definiert. Für 06 können alle Werte zwischen 1öo und 36o° gewählt werden, wobei jeder Wert zu einer anderen Kurve führt, die jedoch immer durch einen steilen Anstieg des Anfangsastes entsprechend einer starken Zunahme der Kraft bei geringer Formänderung der Dichtung gekennzeichnet ist. Es ist daher möglich, den Gegendruck der Schraubenfeder zu verändern und ihn an die Art der Umhüllung anzupassen, je nachdem ob diese aus Kunststoff, Metall oder einem Komposit-Werkstoff besteht. Nach einer anderen, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Zentriwinkel des Drahtquerschnittes gleich 18o°. In diesem Falle hat die Schraubenfeder die äußere Form eines Rohres, das aus mehreren voneinander unabhängigen aneinander anliegenden Spiralwindungen gebildet ist.

809811/0953

Jede Windung kann daher einen Gegendruck erzeugen, der evtl. von dem jeweiligen Gegendruck der benachbarten Windungen verschieden ist. Diese Eigenschaft ist insbesondere in dem Fall interessant, um eine gute Abdichtung in einer Flanschanordnung zu erhalten, bei der die Flansche nicht plan sind oder örtliche Fehler aufweisen, die zu starken Unregelmäßigkeiten der ausgeübten Quetschkraft führen.

Durch die Erfindung wird also eine flexible Ringdichtung geschaffen, deren Leistung weit über der bekannter Dichtungen mit einer inneren Schraubenfeder liegen, deren Federdraht einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, selbst wenn der Federdraht sehr genau, d.h. beispielsweise bis auf ein Hundertstel Millimeter, geeicht werden kann. In der Tat führt der Federdraht mit einem kreisförmigen Querschnitt in allen Fällen bei gleicher Formänderung zu einer wesentlich höheren Spannkraft, wobei die Anfangssteigung der Kurve am Koordinatenursprung stets geringer ist. Dadurch wird beim Versuch, eine Abdichtung zu erreichen, die Gefahr einer Zerstörung größer. Im Gegensatz hierzu ist bei der erfindungsgemäßen Dichtung die Größe der benötigten Kraft begrenzt und die erfindungsgemäße Dichtung zeigt bessere Eigenschaften hinsichtlich der Rückkehr in ihre ursprüngliche Form oder der elastischen Rückstelleigenschaften als die bisher bekannten Dichtungen. Außerdem kann natürlich der Gegendruck der erfindungsgemäßen Schraubenfeder auf verschiedene Werte eingestellt werden, indem man den Zentri-Winkel des den Drahtquerschnitt begrenzenden Kreissegmentes variiert.

809811/0953

Leerseite

Claims (3)

1. Patentansprüche

   M.) Flexible Ringdichtung, umfassend einen Innenkern, der Nrdn einer in sich geschlossenen, ringförmigen und aus einem Metalldraht hergestellten Schraubenfeder mit eng aneinander anliegenden Schraubenwindungen gebildet ist, und mindestens eine den Innenkern umgebende Hülle, die im Ruhezustand in einem Schnitt senkrecht zur Oberfläche betrachtet eine in sich nicht geschlossene Kurve bildet, dadurch gekennzeichnet , daß die den Innenkern bildende Schraubenfeder (4) von einem fortlaufenden Draht (7) gebildet ist, dessen Querschnitt die Form eines Kreissegmentes mit einem Zentriwinkel ( ot ) von 18o° bis 36o° hat, wobei die Sehne des Kreissegmentes die Erzeugende der Außenfläche der Schraubenfeder (4) bildet.
2. 2. Ringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreissegmentförmige Querschnitt des Drahtes (7) vor der Herstellung der Schraubenfeder (4) durch Walzen oder Fließpressen eines einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Drahtes erzeugt wird.
3. 3. Ringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der kreissegmentförmige Querschnitt des die Schraubenfeder (4) bildenden Drahtes (7) nach dem Herstellen der Schraubenwindungen durch Schleifen erzeugt wird.

   809811/0953