DE20314133U1 - Connecting system for pipes and suchlike carrying especially carbon dioxide under pressure has co-relationship between cross section of non-compressed circumferential seal, groove depth and gap width as well as groove length - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungssystem für Leitungen, Armaturen oder Aggregate, die zur Führung eines mit einem gegenüber einem Vergleichsdruck erhöhten Druck beaufschlagten Fluids bestimmt sind, insbesondere für Kohlendioxid führende Systeme, umfassend ein erstes Kupplungsteil, wie ein Gehäuseteil, ein entlang einer Achse in das erste Kupplungsteil einführbares zweites Kupplungsteil, wie ein Steckerteil, und mindestens eine aus einem Elastomer bestehende, gaspermeable Umfangsdichtung, die in einer, eine Nuttiefe und eine Nutlänge aufweisenden Nut angeordnet ist, welche umfangsgemäß in einem der beiden Kupplungsteile ausgebildet ist, wobei das eine Kupplungsteil mit einem Schaft in eine runde Aufnahmeöffnung des anderen Kupplungsteiles einsteckbar ist, die Umfangsdichtung nach dem Einstecken unter Deformation und Erzeugung einer radialen Vorpreßkaft einen Spalt mit einer Spaltweite zwischen dem Außenradius des Schaftes und dem Innenradius der Aufnahmeöffnung abdichtet und dabei zumindest über eine senkrecht zum jeweiligen Radius der Kupplungsteile in axialer Richtung verlaufende Kontaktlänge an den Kupplungsteilen anliegt.The present invention relates to a connection system for Pipes, fittings or units that are used to guide one with one versus one Comparative pressure increased Pressurized fluids are intended, especially for carbon dioxide premier Systems comprising a first coupling part, such as a housing part, an insertable into the first coupling part along an axis second coupling part, such as a plug part, and at least one made of an elastomer, gas permeable peripheral seal, the arranged in a groove having a groove depth and a groove length which is circumferentially in one is formed of the two coupling parts, the one coupling part with a shaft in a round receiving opening of the other coupling part is insertable, the peripheral seal after insertion under deformation and generating a radial prepress a gap with a Gap width between the outer radius of the shaft and the inner radius of the receiving opening seals while doing so at least about one perpendicular to the respective radius of the coupling parts in the axial Direction of contact length rests on the coupling parts.
Das Erfordernis einer Abdichtung entsteht überall dort, wo Räume mit unterschiedlichen Drücken voneinander getrennt werden müssen. Durch die Druckdifferenz entsteht bei einem Verbindungssystem der vorstehend beschriebenen Art in dem Spalt zwischen den Kupplungsteilen eine Strömung, die durch die Verwendung der Umfangsdichtung unterbunden werden soll. Für solche Dichtungen werden in der Fluidtechnik überwiegend elastomere Werkstoffe, z.B. in Form von O-Ringen, eingesetzt. Voraussetzung für die Erzielung der Dichtwirkung ist dabei das Vorhandensein einer Vorpreßkraft bzw. Vorspannung gegen die abzudichtenden Flächen, die unter Ausnutzung der Formelastizität der Dichtung bei ihrem Einbau erzeugt wird.The need for a seal arises everywhere wherever rooms with different pressures must be separated from each other. The pressure difference in a connection system creates the type described above in the gap between the coupling parts a current which are prevented by using the peripheral seal should. For such seals are predominantly elastomeric materials in fluid technology, e.g. in the form of O-rings. Prerequisite for achievement the sealing effect is the presence of a pre-pressing force or Preload against the surfaces to be sealed, taking advantage of of formula elasticity the seal is created when it is installed.
Ein System, das zur Führung eines mit einem Druck beaufschlagten Fluids bestimmt ist, stellt in Kraftfahrzeugen beispielsweise der Kältekreislauf von Klimaanlagen dar. In einem solchen System werden bisher verschiedene Halogen-Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wie ein unter dem Namen R134a bekanntes, hauptsächlich aus Tetrafluoräthan bestehendes Kältemittel, eingesetzt. Da alle organischen Stoffe gasdurchlässig sind, kommt es trotz Einsatz der Dichtungen – hauptsächlich infolge von Permeation durch die Umfangsdichtung – zu einem unvermeidbaren Fluidstrom des Kältemittels vom Raum des höheren in den Raum des niedrigeren Druckes (Partialdruckes).A system that is used to manage a is pressurized fluid is determined in motor vehicles for example the refrigeration cycle of air conditioning systems. In such a system so far, different Halo-hydrocarbon compounds, like one known under the name R134a, consisting mainly of tetrafluoroethane Refrigerant used. Since all organic substances are gas-permeable, it is used in spite of use of seals - mainly as a result from permeation through the peripheral seal - to an inevitable fluid flow of the refrigerant from the space of the higher in the space of the lower pressure (partial pressure).
Hierbei ist es bekannt, daß die durch Permeation verursachte Leckmenge durch die Betriebsbedingungen des Systems, wie Druck und Temperatur, die Permeabilität der für das Verbindungssystem eingesetzten Elastomerdichtungen und die Dichtungsgeometrie bestimmt wird.It is known that the by Leakage caused by the operating conditions of the System, such as pressure and temperature, the permeability of the connection system used elastomer seals and the seal geometry determined becomes.
Die Permeabilität wiederum ist materialabhängig und wird ursächlich durch die Löslichkeit des Fluids und seine Diffusionsgeschwindigkeit im Dichtungsmaterial beeinflußt. Man geht dabei davon aus, daß auf der Seite des höheren Drucks an der Dichtung eine Absorption, dann innerhalb der Dichtung eine Diffusion und schließlich auf der Seite des niedrigeren Drucks eine Desorption auftritt. Im stationären Zustand, d.h. bei Sättigung des Elastomers mit dem Fluid, werden dabei der Absorptions- und der Desorptionsprozeß durch das Henry-Gesetz und der Diffusionsprozeß durch das erste Fick'sche Gesetz beschrieben.The permeability in turn depends on the material and becomes causal through solubility of the fluid and its rate of diffusion in the sealing material affected. It is assumed that the side of the higher Pressure on the seal an absorption, then within the seal a diffusion and finally desorption occurs on the lower pressure side. in the stationary Condition, i.e. when saturated of the elastomer with the fluid, the absorption and the desorption process through Henry's law and the diffusion process described by Fick's first law.
Zur Bestimmung der auftretenden Menge Q des infolge von Permeation durch die Umfangsdichtung durchgesetzten Fluids geht man ausgehend von diesen Gesetzen – wie in der DIN 53 536 beschrieben – von der Gleichung. To determine the amount occurring Q of the permeation through the peripheral seal Fluids are based on these laws - as described in DIN 53 536 - on the Equation.
aus, in der P die Permeationskonstante des Dichtungsmaterials, t die zugrundegelegte Zeit, z.B. ein Jahr, Δp die abzudichtende Druckdifferenz zwischen einem erhöhten Druck p1 des abzudichtenden Fluids und einem Vergleichsdruck p2 und A/L ein Verhält nis der Querschnittsfläche A der deformierten Umfangsdichtung zu einer Permeationslänge L durch die Dichtung darstellt, wobei letztere durch die axiale Längserstreckung der deformierten Dichtung zwischen den beiden Kupplungsteilen bestimmt wird. Der Gleichung liegt dabei zu Grunde, daß die Dichtung als planparallele Platte aufgefaßt wird. Die Gleichung veranschaulicht eine lineare, proportionale Abhängigkeit der Menge Q des durch die Umfangsdichtung durchgesetzten Fluids – im Folgenden auch als Leckmenge bezeichnet – von der Querschnittsfläche A der deformierten Umfangsdichtung und eine lineare, proportionale Abhängigkeit vom Kehrwert der mittleren Permeationslänge L, woraus sich bei vorgegebenem Systemdruck p und vorgegebener Betriebsdauer t zur Erzielung einer geringen Leckmenge Q vom Grundsatz her ergibt, die Querschnittsfläche A der deformierten Umfangsdichtung möglichst klein und die mittlere Permeationslänge L möglichst groß zu wählen.from, in which P is the permeation constant of the sealing material, t is the underlying time, for example one year, Δp is the pressure difference to be sealed between an increased pressure p 1 of the fluid to be sealed and a comparison pressure p 2 and A / L is a ratio of the cross-sectional area A of the deformed peripheral seal represents a permeation length L through the seal, the latter being determined by the axial longitudinal extent of the deformed seal between the two coupling parts. The equation is based on the fact that the seal is conceived as a plane-parallel plate. The equation illustrates a linear, proportional dependency of the amount Q of the fluid passed through the circumferential seal - hereinafter also referred to as the leakage amount - on the cross-sectional area A of the deformed circumferential seal and a linear, proportional dependence on the reciprocal of the mean permeation length L, which results from a given system pressure p and the predetermined operating time t to achieve a small leakage quantity Q results in principle from making the cross-sectional area A of the deformed peripheral seal as small as possible and the mean permeation length L as large as possible.
In der Praxis sind einer derartigen Dimensionierung jedoch Grenzen gesetzt, da zur Gewährleistung einer grundsätzlichen Funktionstauglichkeit des Verbindungssystems unter dem Gesichtspunkt des Ausgleichens von Fertigungstoleranzen der Kupplungsteile die Querschnittsfläche der deformierten Umfangsdichtung in zur Gleichung gegenläufiger Weise möglichst groß gewählt werden muß.In practice, such are Dimensioning, however, set limits, as to ensure a basic Functionality of the connection system from the point of view the compensation of manufacturing tolerances of the coupling parts Cross sectional area the deformed peripheral seal in a manner opposite to the equation preferably be chosen large got to.
Des Weiteren ist zu beachten, daß die Permeationskonstante P einen exponentiell ansteigenden Verlauf mit der Temperatur zeigt, was beispielsweise in dem Artikel "Gasdurchlässigkeit von Elastomeren" von W. Beckmann in Sonderdruck aus Kautschuk + Gummi Kunststoffe, 44. Jg., Heft 4/91, Seiten 323–329, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg beschrieben ist.It should also be noted that the permeation constant P has an exponentially increasing Ver run with temperature shows what, for example, in the article "Gas permeability of elastomers" by W. Beckmann in a special print made of rubber + rubber plastics, 44th volume, issue 4/91, pages 323-329, Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg is described.
Aus der
Bei einem im Betrieb auftretenden Druck des Kältemittels R134a, dessen oberes Niveau etwa bei 30 bar und dessen unteres Niveau etwa bei 3 bar liegt, wird bisher eine Leckmenge Q von nicht weniger als 5 bis 9 g pro Jahr und Verbindung erreicht und toleriert. Da die genannten Fluor-Kohlenwasserstoffe ein hohes sogenanntes Treibhaus-Potential aufweisen und unter Bildung von giftigen bzw. reizenden Spaltprodukten abgebaut werden, entsteht daher bei der Vielzahl von mit Klimaanlagen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen, derzeit allein in Deutschland etwa zwölf Millionen, eine hohe Umweltgefährdung.With a occurring in the enterprise Refrigerant pressure R134a, the upper level of which is around 30 bar and the lower level is around 3 bar, so far there is a leakage quantity Q of no less achieved and tolerated as 5 to 9 g per year per compound. There the fluorocarbons mentioned have a high so-called greenhouse potential have and with the formation of toxic or irritating fission products dismantled, therefore arises with the multitude of with air conditioning equipped Motor vehicles, currently around twelve million in Germany alone, a high environmental hazard.
In der Kraftfahrzeugtechnik werden aufgrund dessen erhebliche Anstrengungen unternommen, die bekannten Kältemittel durch weniger bedenkliche Stoffe, insbesondere durch das in der Natur ohnehin vorkommende und beispielsweise durch die Fotosynthese der Pflanzen natürlich abbaubare Kohlendioxid, zu substituieren. Der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel in einer Klimaanlage ist mit dem Vorteil einer vielfach höheren volumenstrombezogenen Kälteleistung verbunden, erfordert jedoch auch den Übergang zu erhöhten Drücken und Temperaturen bei den Wärmeaustauschprozessen. So ist für den im Betrieb einer CO2 Klimaanlage auftretenden Druck ein oberes Niveau von etwa 180 bar und bei einer Temperatur von – 40 °C ein unteres Niveau von etwa 10 bar charakteristisch, wodurch sich die aufgezeigte Problematik der Abdichtung noch verschärft. Die geforderte Temperaturbeständigkeit der Verbindung im oberen Bereich liegt dabei bei 200 °C, so daß mit sehr großen Permeationskonstanten zu rechnen ist. Außerdem muß beim Einsatz von Kohlendioxid beachtet werden, daß dieses in einer Reihe der Gase nach Stickstoff, Sauerstoff, Helium und Wasserstoff die relativ größte Permeationskonstante für die meisten üblichen Dichtungswerkstoffe aufweist, wie dies beispielsweise aus einer entsprechenden Gegenüberstellung in dem vorgenannten Artikel hervorgeht.Because of this, considerable efforts are being made in motor vehicle technology to replace the known refrigerants with less harmful substances, in particular with carbon dioxide, which occurs naturally in nature and is naturally degradable, for example, through the photosynthesis of plants. The use of carbon dioxide as a refrigerant in an air conditioning system is associated with the advantage of a much higher volumetric flow-related cooling capacity, but also requires the transition to increased pressures and temperatures in the heat exchange processes. An upper level of about 180 bar and a lower level of about 10 bar at a temperature of - 40 ° C are characteristic of the pressure that occurs during operation of a CO 2 air conditioning system, which exacerbates the problem of sealing shown. The required temperature resistance of the connection in the upper range is 200 ° C, so that very large permeation constants can be expected. In addition, when using carbon dioxide, it must be noted that this has the relatively largest permeation constant for most common sealing materials in a number of gases after nitrogen, oxygen, helium and hydrogen, as can be seen, for example, from a corresponding comparison in the aforementioned article.
In dem deutschen Gebrauchsmuster
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verbindungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne zusätzlich notwendige Stütz- oder Montagehilfen für die Dichtung, wie einen selbsthemmenden Keil oder dergleichen, bei einer geringen Menge des durch die Umfangsdichtung durchgesetzten Fluids unter hohen Systemdrücken, insbesondere unter Systemdrücken von bis zu mehr als 150 bar, und bei Beständigkeit im Temperaturbereich von –40 °C bis über 200 °C niedrige bei der Montage auftretende Steckkräfte und eine hohe Funktionssicherheit, d.h. einen zuverlässigen Ausgleich der Fertigungstoleranzen der Kupplungsteile, gewährleistet.The present invention lies the task is based on a connection system of the aforementioned Kind of creating that without additional necessary support or assembly aids for the seal, such as a self-locking wedge or the like a small amount of the penetrated by the peripheral seal Fluids under high system pressures, especially under system pressures of up to more than 150 bar and with resistance in the temperature range low from –40 ° C to over 200 ° C insertion forces occurring during assembly and high functional reliability, i.e. a reliable one Compensation of the manufacturing tolerances of the coupling parts guaranteed.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Querschnitt der unverpreßten Umfangsdichtung, die Nuttiefe und die Spaltweite sowie die Nutlänge derart aufeinander abgestimmt sind, daß in einem, eine Permeation durch die Umfangsdichtung bestimmenden Verhältnis einer permeationswirksamen Teilumfangsfläche der Umfangsdichtung zu der Kontaktlänge die Teilumfangsfläche nicht größer ist als der halbe Wert einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Querschnittsfläche der deformierten Umfangsdichtung.According to the invention, this is achieved by that the Cross section of the unpressed Circumferential seal, the groove depth and the gap width and the groove length in such a way are coordinated that in one, a ratio determining a permeation through the circumferential seal permeation effective partial peripheral surface of the peripheral seal the contact length the partial circumferential area is not bigger than half the value of a perpendicular to the axial direction Cross sectional area the deformed peripheral seal.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zu Grunde, daß es möglich ist, durch eine gezielte Abstimmung der genannten Größen aufeinander in einem Verbindungssystem eine Abdichtung zu schaffen, bei der eine Permeation durch die Umfangsdichtung nicht durch das Verhältnis der in axialer Richtung verlaufenden Querschnittsfläche der deformierten Umfangsdichtung zur axialen Länge der Umfangsdichtung bestimmt wird, sondern durch das Verhältnis einer permeationswirksamen Teilumfangsfläche der Umfangsdichtung zu der Kontaktlänge, über die die Umfangsdichtung senkrecht zum jeweiligen Radius der Kupplungsteile in axialer Richtung an den Kupplungsteilen anliegt. Des Weiteren liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, daß diese Teilumfangsfläche durch die Abstimmung der genannten Größen aufeinander sehr viel kleiner gestaltet werden kann als die in axialer Richtung verlaufende Querschnittsfläche und daß dies, wenn das verringerte Verhältnis der Teilumfangsfläche zur Kontaktlänge bei der Anwendung der bekannten Berechnungsgleichung zur Dimensionierung der Dichtungsgeometrie berücksichtigt wird, zu konstruktiven Vorteilen führt, die sich bei einer vorgegebenen maximal zulässigen Leckmenge in verringerten notwendigen Steckkräften ausdrücken. Wenn im gesteckten Zustand der Kupplungsteile bei der Umfangsdichtung eine Einstellung des genannten Verhältnisses auf Werte erfolgt, die dadurch bestimmt werden, daß die Teilumfangsfläche nicht größer ist als der halbe Wert, vorzugsweise nicht größer als ein Fünftel, der senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Querschnittsfläche der deformierten Umfangsdichtung, kann den eingangs genannten kontradiktorischen technischen Forderungen in optimaler Weise Rechnung getragen werden. Dabei kann sogar erreicht werden, daß die permeationswirksame Teilumfangsfläche unabhängig von einer Schnurstärke der unverpreßten Umfangsdichtung ist.The invention is based on the knowledge that it is possible to create a seal by a specific coordination of the above-mentioned variables in a connection system, in which a permeation through the peripheral seal is not due to the ratio of the axial cross-sectional area of the deformed peripheral seal to the axial length of the circumferential seal is determined, but rather by the ratio of a permeable partial circumferential surface of the circumferential seal to the contact length over which the circumferential seal rests in the axial direction on the coupling parts perpendicular to the respective radius of the coupling parts. Furthermore, the invention is based on the knowledge that this partial circumferential surface can be made much smaller than the cross-sectional surface extending in the axial direction by coordinating the sizes mentioned, and this if the reduced ratio of the partial circumferential surface to the contact length when using the known Calculation equation for dimensioning the seal geometry is taken into account, leads to constructive advantages, which are expressed in a reduced maximum plug-in force for a given maximum permissible leakage quantity. If in the inserted state of the coupling parts in the peripheral seal an adjustment of the above Ratio takes place on values that are determined by the fact that the partial circumferential area is not greater than half the value, preferably not greater than one fifth, of the cross-sectional area of the deformed circumferential seal that runs perpendicular to the axial direction, can optimally take into account the adversarial technical requirements mentioned at the beginning be worn. It can even be achieved that the permeable partial circumferential surface is independent of a cord thickness of the unpressed circumferential seal.
Zur Einstellung der Verhältnisse der senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Querschnittsfläche und der Teilumfangsfläche der deformierten Umfangsdichtung zu der genannten Kontaktlänge können dabei als variierbare, jedoch aufeinander abzustimmende Größen der Querschnitt der unverpreßten Umfangsdichtung, die Nuttiefe, die Nutlänge und die Spaltweite gewählt werden.For setting the conditions the cross-sectional area perpendicular to the axial direction and the partial circumferential area the deformed peripheral seal to the contact length mentioned can be used as variable, but coordinated sizes of the cross-section of the unpressed peripheral seal, the groove depth, the groove length and selected the gap width become.
Dabei kommt vorteilhafterweise zum Tragen, daß sich aus der Summe aus Nuttiefe und Spaltweite eine Breite der senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Querschnittsfläche der deformierten Umfangsdichtung ergibt, die die Verpressung der Umfangsdichtung und damit eine Vorpreßkraft bestimmt, wobei eine konkrete Festlegung der einzelnen Dimensionen vorzugsweise unter Beachtung der Hertz'schen Gleichungen zur Deformation elastischer Körper erfolgen kann. Dabei hat es sich unter dem Gesichtspunkt der Einstellung von niedrigen Steckkräften bei der Montage als besonders günstig erwiesen, wenn der Querschnitt der Umfangsdichtung im unverpreßten Zustand bereits eine Vorform aufweist, die dadurch beschrieben werden kann, daß ein Quotient aus einer axialen Haupterstreckung und einer radialen Haupterstreckung des Dichtungsquerschnitts einen Wert von größer 1, vorzugsweise von größer 2, aufweist, wie dies z.B. bei einem Ring mit elliptischer Querschnittsfläche der Fall ist.This is advantageous Wear that yourself from the sum of the groove depth and gap width a width of the vertical to the axial direction of the cross-sectional area of the deformed peripheral seal results, which determines the compression of the peripheral seal and thus a pre-pressing force, preferably a specific definition of the individual dimensions considering Hertzian Equations for the deformation of elastic bodies can be made. Doing it from the point of view of setting low insertion forces assembly as particularly cheap proven when the cross-section of the peripheral seal in the uncompressed state already has a preform that can be described in that a quotient from an axial main extension and a radial main extension of the seal cross-section has a value of greater than 1, preferably greater than 2, like this e.g. in the case of a ring with an elliptical cross-sectional area Case is.
Des Weiteren kann vorteilhafterweise unter Berücksichtigung einer möglichen Wärmeausdehnung der Umfangsdichtung als Quotient aus einem in der Nut liegenden Anteil des verpreßten, radialen Querschnitts der Umfangsdichtung und der sich aus Nuttiefe und Nutlänge ergebenden Querschnittsfläche der Nut ein Füllgrad der Nut bestimmt werden, über den die permeationswirksame Teilumfangfläche in ihrer Größe steuerbar ist.Furthermore, advantageously considering one possible thermal expansion the circumferential seal as a quotient of one lying in the groove Proportion of the pressed, radial cross section of the circumferential seal and the groove depth and groove length resulting cross-sectional area the groove a degree of filling the Nut be determined over the size of the permeable partial circumferential surface can be controlled is.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung enthalten.Further advantageous design features the invention are in the dependent claims and the following description contain.
Anhand von mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:Using several preferred embodiments the invention is to be explained in more detail below. Show:
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche und einander entsprechende Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher im Folgenden in der Regel jeweils nur einmal beschrieben.In the various figures of the Drawing are the same and corresponding parts always with the are provided with the same reference numerals and are therefore described in usually only described once.
Wie sich zunächst aus
Die Umfangsdichtungen
Ein die Permeation durch die Umfangsdichtung
Das Steckerteil ist in der in
Das zweite Kupplungsteil
Hinsichtlich eines als Quotient aus
einem in der Nut
Die durch
Für
die Berechnung von Sonderfällen
der Berührung
bestimmter Körper
mit konvex, eben oder konkav ausgebildeten Oberflächen, wie
Kugel gegen Platte, Zylinder gegen Zylinder usw., wurden aus der
Hertz'schen Theorie
spezielle Berechnungsformeln abgeleitet, wobei im vorliegenden Fall,
wenn man die Abwicklung der Umfangsdichtung
Für eine unter Normalkraft FN entstehende maximale mechanische Spannung σmax beim Kontakt zwischen einem zylindrischen Körper mit dem Radius R, der über eine Länge LA an einem ebenen Körper (mit dem Radius Unendlich) anliegt, gilt nach HertzFor a maximum mechanical stress σ max that arises under normal force F N when there is contact between a cylindrical body with the radius R, which lies over a length L A on a flat body (with the radius infinity), according to Hertz
wobei Θ eine aus den Elastizitätsmoduln der beiden Körper berechnete Größe ist, die sich entsprechend der Formelwhere Θ one from the elastic modulus of the two bodies calculated size is which is according to the formula
ergibt, in der die Größen vZ und vE die jeweiligen Querkontraktionszahlen bzw. Poissonkonstanten und EZ und EE die jeweiligen Elastizitätsmoduln des zylindrischen und des ebenen Körpers sind.results in the quantities v Z and v E are the respective transverse contraction numbers or Poisson constants and E Z and E E are the respective moduli of elasticity of the cylindrical and the planar body.
Durch die in dem erfindungsgemäßen Verbindungssystem
bei der Montage der Dichtung
Geht man davon aus, daß die Umfangsdichtung
Für
eine maximale mechanische Spannung σ1max beim
Kontakt zwischen der Umfangsdichtung
Dabei ist FV die
in radialer Richtung wirkende Vorspannkraft, mit der die Dichtung
Die an der Berührungsstelle zwischen einem zylindrischen und einem ebenen Körper auftretende Abplattung AP, mit AP als der halben Kontaktbreite – im vorliegenden Fall der halben Kontaktlänge KL – kann in allgemeiner Form nach Hertz entsprechend der GleichungThe ab occurring at the point of contact between a cylindrical and a flat body plating AP, with AP as half the contact width - in the present case half the contact length KL - can be in a general form according to Hertz according to the equation
bestimmt werden.be determined.
Unter den oben genannten Randbedingungen
ergibt sich von dieser Gleichung (5) ausgehend die Größe der Kontaktlänge KL1 zwischen dem Innenradius ROI des
ersten Kupplungsteiles
Für
den Kontakt zwischen der Umfangsdichtung
Gleichung (6) veranschaulicht auch,
daß sich
eine Vergrößerung der
Kontaktlänge
KL entweder durch eine Erhöhung
der Vorspannkraft FV oder durch eine Vergrößerung des
Krümmungsradius
RRS im Querschnitt der nicht deformierten
Umfangsdichtung
Was die Erhöhung der Vorspannkraft FV betrifft, so muß dazu bemerkt werden, daß die Größe der Vorspannkraft
FV bei einem Einstecken des Schaftes
Erfindungsgemäß sind nun der Querschnitt
AUR, bzw. auch AUE in
Die Art und Weise der erfindungsgemäßen Abstimmung
von Querschnitt AUR, AUE,
AU oder AUopt der unverpreßten Umfangsdichtung
Der mit I bezeichnete Bereich im
rechten Teil des Diagramms veranschaulicht dabei die Verhältnisse bei
der herkömmlich
eingesetzten, mit Hilfe der eingangs erläuterten Gleichung (1) dimensionierten
Umfangsdichtung, wobei – wie
beschrieben – von
einer linearen, proportionalen Abhängigkeit der Leckmenge Q von der
senkrecht zur axialen Richtung X–X orientierten Querschnittsfläche A der
verpreßten
Dichtung und einer linearen, proportionalen Abhängigkeit vom Kehrwert der Permeationslänge L ausgegangen
wird. Was die senkrecht zur axialen Richtung X–X verlaufende Querschnittsfläche A der
deformierten Umfangsdichtung betrifft, so ergibt sich diese aus
einer Querschnittsfläche
AV, wie sie unter Bezugnahme auf
Bei einer erfindungsgemäß eingesetzten
Umfangsdichtung
Gemäß der Erfindung wird nun bei
dem Verhältnis
A/L von einem, die Permeation durch die Umfangsdichtung
Der aus
Bei Vorgabe eines niedrigeren Wertes Q2 als des bisher tolerierten Wertes Q1, wie beispielsweise 2,5 oder 1 g pro Jahr und Verbindung, wie er für den Einsatz von CO2 als Kältemittel in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage angestrebt wird, sowie bei Vorgabe der weiteren Größen – der Betriebsdauer t, dem Betriebsdruck p1 (beispielsweise 180 bar), bzw. der Druckdifferenz Δp, und der Permeationskonstante P – gelangt man unter Berücksichtigung der Gleichung (1) zu einem Verhältnis (A/L)12. In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß mit der Einstellung dieses Verhältnisses (A/L)12 den erhöhten technischen Forderungen nicht mehr Rechnung getragen werden kann. Der geforderte niedrige Wert Q2 der Leckmenge Q kann dann nur durch Maßnahmen, wie z.B. eine übermäßig lange Nut- und Dichtungslänge, erreicht werden, die außerordentlich hohe Steckkräfte FS verursachen und konstruktiv nicht durchsetzbar sind.By specifying a lower value Q 2 than the previously tolerated value Q 1 , such as 2.5 or 1 g per year and connection, as is sought for the use of CO 2 as a refrigerant in a motor vehicle air conditioning system, and by specifying the Further variables - the operating time t, the operating pressure p 1 (for example 180 bar), or the pressure difference Δp, and the permeation constant P - result in a ratio (A / L) 12 taking equation (1) into account. In practice, however, it has been shown that setting this ratio (A / L) 12 can no longer take into account the increased technical requirements. The required low value Q 2 of the leakage quantity Q can then only be achieved by measures, such as an excessively long groove and seal length, which cause extraordinarily high insertion forces F S and cannot be implemented structurally.
Die Erfindung ermöglicht im Gegensatz dazu bei niedrigen Montagekräften FS die Einstellung eines Verhältnisses AE/KL, das den technischen Forderungen – auch bei Vorgabe eines sehr niedrigen Leckmengenwertes Q2, wie er für den Einsatz von CO2 als Kältemittel in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage gefordert wird – gerecht wird.In contrast, the invention enables, at low assembly forces F S, the setting of a ratio A E / KL which meets the technical requirements - even when a very low leakage value Q 2 is specified, as is the case for the use of CO 2 as a refrigerant in a motor vehicle air conditioning system is demanded - does justice.
Um möglichst geringe Werte Q2 der Leckmenge Q zu erzielen; kann das Verhältnis AE/KL vorzugsweise unterhalb des in
Dieser Grenzwert G, d.h. das die
Permeation durch die Umfangsdichtung
Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf
Wie bereits erwähnt, ist RRS ein
Maß für die konvexe
Krümmung
der Umfangsdichtung
Es ist nun möglich, diese Halbachsen HA,
HB im Sinne einer Koordinatentransformation in Bezug auf den genannten
Kreisradius RSO durch die Beziehungen HA=U*RSO und HB=V*RSO auszudrücken. Für die in
Des Weiteren ist es in einer hinreichend
genauen Näherungskonstruktion
für die
Ellipse möglich, Scheitelkrümmungskreise
K1, K2 einzuführen;
die sich ihr in der Umgebung. der Scheitel weitestgehend anschmiegen,
wie dies
berechnen lassen.have it calculated.
Für den dargestellten Fall ergibt sich damit für den im Hinblick auf die Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems bedeutsamen Radius RK2, daß dieser den vierfachen Wert des Radius RSO des in die Ellipse einbeschriebenen Kreises annimmt. Berücksichtigt man diesen Wert RK2 als Krümmungsmaß RRS in der Gleichung (6), so bedeutet dies, daß sich bei gleichbleibender Vorpreßkraft FV die Kontaktlänge KL verdoppelt oder daß bei gleichbleibender Kontaktlänge KL die Vorpreßkraft FV und damit die notwendige Steckkraft FS auf bis zu ein Viertel gesenkt werden kann.In the case shown, the radius R K2 , which is important with regard to the design of the connection system according to the invention, is therefore four times the value of the radius R SO of the circle inscribed in the ellipse. Taking into account this value R K2 as curvature R RS in equation (6), this means that at constant jacking force F V, the contact length KL doubled or that, with constant contact length KL, the jacking force F V, and thus the necessary insertion force F S to can be reduced by up to a quarter.
Sowohl zur Erzielung eines günstigen
Verhältnisses
AV/KL der senkrecht zur axialen Richtung
X–X verlaufenden
Querschnittsfläche
AV der deformierten Umfangsdichtung
Dies ist auch bei den in
Wie in
Wie bei der Umfangsdichtung
Bei allen Ausführungsformen der Umfangsdichtung
Der Unterschied zwischen der jeweils
größten Permeationslänge Lmax und der Kontaktlänge KL nimmt ausgehend von
So wurde einerseits bei Steckkräften FS von etwa 120 Nein Wert Q2 der
Menge Q des infolge von Permeation durch die Umfangsdichtung
Andererseits wurde bei demgegenüber stark
verringerten Steckkräften
FS (weniger als 60 N) ein ebensolch geringer
Wert Q2 der Leckmenge Q von einem ebenfalls
aus H-NBR bestehenden
Oval-Ring bei einer mittleren Verpressung VP von 22, 5 Prozent erreicht,
wobei letztere im Bereich von 16,3 Prozent bis 26,8 Prozent toleranzbedingt
schwanken konnte. Der Ring besaß im
unverpreßten
Zustand eine Querschnittsform, wie sie in
Zwar ist in den Darstellungen in
Für
ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem
ist es des Weiteren von Bedeutung, daß sich ein darin auftretender
Gas-Leckagestrom GLS immer additiv aus zwei Komponenten zusammensetzt.
Einerseits ist dies die Menge Q des infolge von Permeation durch
die Umfangsdichtung
Eine vorteilhafte Dichtungsanordnung
ergibt sich in einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem auch
durch das axiale Hintereinanderschalten mehrerer Umfangsdichtungen
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern umfaßt
auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
So ist es zum Beispiel möglich,
die erfindungsgemäße Verbindungsart
nicht nur – wie
darg estellt – in
einer Steckkupplung, sondern auch in Systemen mit Block- oder Schraubverbindungen
einzusetzen. Des Weiteren ist es möglich, daß nur das erste Kupplungsteil
Die in den
Schließlich können auch weitere Kriterien
zu der erfindungsgemäßen Abstimmung
bei der Festlegung des Querschnitts AUR,
AUE, AU, AUopt der
unverpreßten
Umfangsdichtung
Die in den Gleichungen (4) und (6) angegebenen, vor dem jeweiligen Wurzelausdruck stehenden, theoretisch bestimmten Koeffizienten 0,184 und 0,78 können von in der Praxis auftretenden Werten abweichen, da die ihnen zugrundeliegenden Voraussetzungen nur näherungsweise erfüllt sind. Die konkret angegebenen Werte können daher in allgemeiner Form durch jeweils zu ermittelnde Konstanten C1 und C2 ausgedrückt werden.The equations (4) and (6) specified, before the respective root expression, theoretically certain coefficients 0.184 and 0.78 can occur from those occurring in practice Values deviate because of the underlying requirements only approximate Fulfills are. The specifically stated values can therefore be in general form can be expressed by constants C1 and C2 to be determined in each case.
Auch auf die Verpressung VP, in die – wie gezeigt
wurde – die
Breite B rechnerisch eingeht, die sich wiederum aus dem Verhältnis der
Summe aus Nuttiefe T und Spaltweite s zu der radialen Haupterstreckung der
Umfangsdichtung
Zur Verringerung der Permeation kann
eine Umfangsdichtung
Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 bzw. auch 31 weggelassen oder durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.Furthermore, the invention is so far also not yet on the combination of features defined in the independent claims limited, but can also be determined by any other combination of certain Characteristics of all of the individual characteristics disclosed are defined his. This means that basically practical each individual feature of claim 1 or 31 omitted or by at least one disclosed elsewhere in the application Single feature can be replaced. In this respect, the claims are only to be understood as a first attempt at formulating an invention.
- 11
- erstes Kupplungsteil (Gehäuseteil)first Coupling part (housing part)
- 1a1a
- inneres Gehäuseteilinner housing part
- 1b1b
- äußeres Gehäuseteilouter housing part
- 22
- zweites Kupplungsteil (Steckerteil)second Coupling part (plug part)
- 33
- Umfangsdichtungperipheral seal
- 44
-
Nut
für
3 in5 Groove for3 in5 - 55
-
Schaft
von
2 Shaft of2 - 66
-
Aufnahmeöffnung von
1 Opening of1 - 77
-
Spalt
zwischen
1 und2 Gap between1 and2 - 8, 98th, 9
- Rastelementelocking elements
- 1010
- Rastschulterlocking shoulder
- 11, 1211 12
-
Ringnuten
für
8 ,9 Ring grooves for8th .9 - II
- linearer Bereich der Abhängigkeit Q von A/Llinear Area of dependency Q of A / L
- IIII
- nichtlinearer Bereich der Abhängigkeit Q von A/Lnonlinear Area of dependency Q of A / L
- AA
- Permeationsfläche, deformierter axialer DichtungsquerschnittPermeation surface, deformed axial seal cross section
- AE A E
-
Teilumfangsfläche von
3 , verpreßtPartial circumferential area of3 , pressed - AN A N
-
Querschnitt
von
4 Cross section of4 - AR A R
-
radialer
Querschnitt von
3 , deformiert,radial cross section of3 deformed - AV A V
-
Querschnitt
von
3 , deformiert, senkrecht zur axialen RichtungCross section of3 , deformed, perpendicular to the axial direction - ARH A RH
-
radialer
Querschnitt von
3 , deformiert in einer Hälfte von4 radial cross section of3 , deformed in half of4 - APAP
- Abplattungflattening
- AUAU
-
radialer
Querschnitt von
3 (Ausführung in6 und7 ), unverpreßtradial cross section of3 (Execution in6 and7 ), unpressed - AUE AU E
-
radialer
Querschnitt von
3 (elliptisch), unverpreßtradial cross section of3 (elliptical), unpressed - AUopt AU opt
-
radialer
Querschnitt von
3 , unverpreßt (Ausführung in9 )radial cross section of3 , unpressed (version in9 ) - AUR AU R
-
radialer
Querschnitt von
3 (OR), unverpreßtradial cross section of3 (OR), unpressed - (A/L)11 (A / L) 11
- Verhältniswert für Q1 entsprechend Gleichung (1)Ratio value for Q 1 according to equation (1)
- (A/L)12 (A / L) 12
- Verhältniswert für Q2 entsprechend Gleichung (1)Ratio value for Q 2 according to equation (1)
- BB
- (radiale) Breite von AV (radial) latitude of A V
- BLBL
- Bogenlänge von AV Arc length from A V
- C1, C2C1, C2
- Konstantenconstants
- ED E D
-
Elastizitätsmodul
von
3 Modulus of elasticity of3 - EE E E
- Elastizitätsmodul – ebener KörperYoung's modulus - flat body
- EZ E Z
- Elastizitätsmodul – zylindrischer KörperYoung's modulus - more cylindrical body
- FN F N
- Normalkraftnormal force
- FV F V
-
Vorpreßkraft von
3 Prepress force of3 - FS F S
-
Steckkraft
von
2 mit3 Insertion force of2 With3 - F1 F 1
-
Kontaktfläche von
3 mit1 Contact area of3 With1 - FGFG
-
Füllgrad von
4 Degree of filling of4 - FZU FZ U
- Formzahl Quotient aus HA und HBform factor Quotient of HA and HB
- GG
- Grenzwert von A/L zwischen I und IIlimit from A / L between I and II
- GLGL
- axiale Gesamtlänge von AUaxial overall length from AU
- HAHA
-
axiale
Haupterstreckung von
3 , lange Ellipsen-Halbachsemain axial extension of3 , long elliptical semiaxis - HBHB
-
radiale
Haupterstreckung von
3 , kurze Ellipsen-Halbachsemain radial extension of3 , short elliptical semiaxis - K1, K2K1, K2
- ScheitelkrümmungskreiseVertex curvature circles
- KF1, KF2KF1, KF2
- Halbkreisflächen von AUSemicircular areas of AU
- KLKL
-
Kontaktlänge von
3 mit1 oder2 Contact length of3 With1 or2 - KL1 KL 1
-
Kontaktlänge von
3 mit1 Contact length of3 With1 - KL2 KL 2
-
Kontaktlänge von
3 mit2 Contact length of3 With2 - LL
- Permeationslängepermeation length
- LA L A
- Anlagelänge Zylinder/EbeneSystem length cylinder / plane
- Lmax L max
- maximale Permeationslängemaximum permeation length
- L1 L 1
-
Anlagelänge von
3 an1 über UOI Investment length of3 on1 about U OI - NLNL
-
Nutlänge von
4 (in Richtung X–X)Groove length of4 (in the direction of X – X) - OROR
- O-Ring (mit unverpreßt kreisförmigem Querschnitt AUR)O-ring (with unpressed circular cross-section AU R )
- PP
- Permeationskoeffizientpermeation coefficient
- p1 p 1
- hoher Fluiddruckhigher fluid pressure
- p2 p 2
- niedriger Fluiddrucklower fluid pressure
- Fluidmenge, LeckmengeAmount of fluid leakage amount
- Q1 Q 1
- bisher tolerierter Wert von Qso far tolerated value of Q
- Q2 Q 2
- erfindungsgemäß erzielbarer Wert von Qachievable according to the invention Value of Q
- spezifische Fluidmenge/Leckmengespecific Fluid quantity / amount of leakage
- RR
- Radiusradius
- RK1, RK2 R K1 , R K2
- Radien von K1, K2radii from K1, K2
- R1, R2, R3 R 1 , R 2 , R 3
- Radien in AUopt Radii in AU opt
- RA R A
-
Außenradius
von
3 , unverpreßtOutside radius of3 , unpressed - Ra R a
-
mittlerer
Rauheitswert von
1 ,2 average roughness value of1 .2 - RI R I
-
Innenradius
von
3 , unverpreßtInner radius of3 , unpressed - Rmax R max
-
maximaler
Rauheitswert von
1 ,2 maximum roughness value of1 .2 - RRS R RS
-
(radiales)
Krümmungsmaß von
3 , unverpreßt(Radial) measure of curvature of3 , unpressed - RSA R SA
-
Außenradius
von
5 Outside radius of5 - RSN R SN
-
Radius
von
5 auf dem Grund von4 Radius of5 based on4 - RSORSO
- Wert für RRS bei Kreisquerschnitt (OR)Value for R RS with circular cross-section (OR)
- ROI R OI
-
Innenradius
von
6 Inner radius of6 - RFRF
- Rechteckfläche von AURectangular area from AU
- ss
-
Spaltweite
von
7 Gap width of7 - SLSL
- Seitenlänge der Halbfläche von AUSide length of the half area from AU
- TT
-
Tiefe
von
4 Depth of4 - tt
- Zeittime
- UU
- Transformationsfaktor für HAtransforming factor for HA
- UOI U OI
-
Innenumfang
von
6 Inner circumference of6 - VV
- Transformationsfaktor für HBtransforming factor for HB
- VPVP
- Verpressungpressing
- X–XX X
-
Längsachse
von
1 ,2 Longitudinal axis of1 .2 - Y–YY-Y
- radial gerichtete Mittenachse von AUradial directional center axis of AU
- ΔpAp
- Druckdifferenzpressure difference
- μμ
- ReibungszahlCoefficient of friction
- vE v E
- Querkontraktionszahl – ebener KörperCross contraction number - even body
- vZ v Z
- Querkontraktionszahl – zylindrischer KörperCross contraction number - cylindrical body
- ΠΠ
- Kreiskonstantecircle constant
- ΘΘ
- Rechengrößeoperand
- σmax σ max
- Maximalspannungmaximum voltage
- σ1max σ 1max
- Maximalspannung in F1 Maximum stress in F 1
- σ2max σ 2max
- Maximalspannungmaximum voltage
Claims (31)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT04008398T ATE331176T1 (en) | 2003-04-14 | 2004-04-07 | CONNECTION SYSTEM FOR CONDUITS |
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| EP04008398A EP1469247B1 (en) | 2003-04-14 | 2004-04-07 | Pipe coupling system |
| US10/822,570 US7258371B1 (en) | 2003-04-14 | 2004-04-12 | Connection system |
Applications Claiming Priority (2)
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| EP03008547.6 | 2003-04-14 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE20314133U1 true DE20314133U1 (en) | 2004-08-19 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE20314133U Expired - Lifetime DE20314133U1 (en) | 2003-04-14 | 2003-09-10 | Connecting system for pipes and suchlike carrying especially carbon dioxide under pressure has co-relationship between cross section of non-compressed circumferential seal, groove depth and gap width as well as groove length |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20314133U1 (en) |
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-
2003
- 2003-09-10 DE DE20314133U patent/DE20314133U1/en not_active Expired - Lifetime
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