DE4408246A1 - Dichtelement für druckbeaufschlagte Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtelement aus Metall mit mindestens zwei Dichtflächen für druckbeaufschlagte Bauelemente, das einen Verbindungsbereich zweier Bau­ elemente relativ zu einer Umgebung abdichtet und bei dem jeweils eine der Dichtflächen jeweils einem der Bauelemente zugewandt anordenbar ist.

Zur Abdichtung derartiger Bauelemente ist es grundsätz­ lich möglich, Dichtelemente aus einem Packungswerkstoff, wie expandiertes Graphit, oder aus Metall zu verwenden. Bekannte Dichtelemente aus Metall sind beispielsweise ringförmig angeordnet und werden zwischen die miteinander zu verbindenden Bauelemente eingespannt. Durch diese erforderliche Anordnung wird jedoch der konstruktive Freiraum bei der Verwen­ dung der Dichtelemente erheblich eingeschränkt. Darüber hinaus können insbesondere bei hohen Drücken oft keine ausreichenden Abdichtqualitäten bereitgestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Dichtelement der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß die Flexibilität bei der Verwendung erhöht und die Abdichtqualität verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Dichtflächen mit Außenwölbungen verse­ hene Anlageflächen vorgesehen sind und daß mindestens eine der Anlageflächen als Abrollkontur bei einer Ver­ spannung der Bauelemente durch eine elastische Verfor­ mung des Dichtelementes relativ zu einem der Bauelemen­ te eine Anpreßdichtung ausbildet.

Durch die nach außen gewölbten Anlageflächen wird bei einer Druckbeaufschlagung des Dichtelementes durch ein Gegeneinanderpressen der abzudichtenden Bauelemente stets für eine ausreichende Anlage an den Bauelementen gesorgt. Durch die Geometrie des Dichtelementes wird sichergestellt, daß entsprechende Druckbeaufschlagungen stets zu einer Verspannung des Dichtelementes relativ zu den Bauelementen führen. Durch eine geeignete Mate­ rialauswahl kann dafür Sorge getragen werden, daß im Bereich der Anlage des Dichtelementes an den Bauelemen­ ten eine flächige gegenseitige Beaufschlagung erfolgt. Die Verformung des Dichtelementes in diesem Bereich erfolgt jedoch überwiegend in einem elastischen Be­ reich, so daß bei einem Lösen der Verbindung weitgehend die ursprüngliche Konturgebung des Dichtelementes wie­ der eingenommen wird.

Das Dichtelement ist aufgrund seiner konstruktiven Ge­ staltung insbesondere auch dafür geeignet, im Bereich hoher auftretender Temperaturen eingesetzt zu werden. Anwendungen im Bereich von Armaturen, Flanschen, Pum­ pen, Behältern oder Kesseln können beispielsweise in einem Temperaturbereich von etwa 600 Grad Celsius er­ folgen. Darüber hinaus sind Druckbereiche abdichtbar, die bei Dampfdrücken im Bereich von 300 Bar und bei Wasserdrücken im Bereich von 600 Bar liegen. Konventio­ nell verwendete Graphitdichtungen würden bei diesen Temperaturbereichen nur eingeschränkt verwendet werden können.

Eine günstige Krafteinleitung wird dadurch ermöglicht, daß die Anlageflächen im Bereich eines Ringsegmentes angeordnet sind, das von einem Rohrsegment gehaltert ist.

Eine Aufweitung des Ringsegmentes bei einer Druck­ beaufschlagung wird dadurch unterstützt, daß das Rohr­ segment Schlitze aufweist, die sich im wesentlichen in Richtung einer Gehäuselängsachse der Bauelemente er­ strecken.

Zur Nutzung von Keilkräften zur Erzeugung von Anpreß­ drücken wird vorgeschlagen, daß die eine Anlagefläche im wesentlichen schräg zur Gehäuselängsachse und die andere Andruckfläche im wesentlichen parallel zur Ge­ häuselängsachse angeordnet ist.

Eine definierte elastische Materialverformung wird da­ durch unterstützt, daß im Bereich einer von der Anlage­ fläche aufgespannten Umfangskontur zwischen dem Ring­ segment und einem das Rohrsegment halternden Dichtungs­ kopf eine Materialverjüngung angeordnet ist.

Zur Vermeidung eines Auftretens von Kerbkräften wird vorgeschlagen, daß jeder der Schlitze im Bereich seiner dem Ringsegment zugewandten Ausdehnung in eine Bohrung übergeleitet ist.

Eine Montage und Demontage wird dadurch erleichtert, daß sich durch das Rohrsegment mindestens eine Bohrung zur Aufnahme eines Stiftes hindurcherstreckt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird zur Ausnutzung des abzudichtenden Druckes für eine zusätzliche Anpreß­ kraft der Dichtung vorgesehen, daß das Ringsegment un­ mittelbar in den Dichtungskopf einmündet.

Eine zweckmäßige Geometrie wird dadurch bereitgestellt, daß der Dichtungskopf in Richtung der Gehäuselängsachse eine stärkere Dimensionierung aufweist, als das Ring­ segment quer zur Gehäuselängsachse.

Zur Abdichtung relativ zu einem Außengehäuse wird vor­ geschlagen, daß das Ringsegment im Bereich seiner dem Dichtungskopf abgewandten seitlichen Ausdehnung mit der Anlagefläche versehen ist.

Die Abdichtung relativ zu einem inneren Element erfolgt dadurch, daß der Dichtungskopf mit der Anlagefläche versehen ist.

Zur Ermöglichung einer mechanischen Verspannung des Dichtelementes wird vorgeschlagen, daß das Ringsegment im Bereich seiner der Anlagefläche abgewandten Ausdeh­ nung mit einer Auflauffläche versehen ist, die schräg zur Gehäuselängsachse angeordnet ist.

Ein günstiger Kraftlinienverlauf innerhalb des Dicht­ elementes wird dadurch bereitgestellt, daß das Ringsegment in Richtung auf den Dichtungskopf eine zu­ nehmende Materialdicke aufweist.

Zur Gewährleistung eines wirkungsgradgünstigen Einsat­ zes des abzudichtenden Überdruckes für Dichtungszwecke wird vorgeschlagen, daß das Ringsegment außenseitig mit einer Materialausnehmung versehen ist.

Die Materialbeständigkeit kann dadurch erhöht werden, daß mindestens im Bereich einer der Anlageflächen eine Metallbeschichtung angeordnet ist.

Zur Vermeidung eines Auftretens von Kerbkräften im Übergangsbereich des Ringsegmentes in den Dichtungskopf wird vorgeschlagen, daß das Ringsegment L-förmig in den Dichtungskopf übergeleitet ist und daß im Bereich einer vom Ringsegment und dem Dichtungskopf aufgespannten Übergangskontur ein gerundeter Wandungsverlauf vorgese­ hen ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Darstellung eines Querschnittes durch einen Absperrschieber, der mit einem Dichtelement ausgestattet ist, das entlang einer Keilfläche geführt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in Fig. 1,

Fig. 3 eine modifizierte Darstellung des Absperr­ schiebers gemäß Fig. 1, bei dem ein von einem Andruckring verspanntes Dichtelement verwendet wird und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit IV in Fig. 3.

Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 ist das Dichtele­ ment (1) im Bereich einer Armatur (2) angeordnet, die mit einem Absperrschieber (3) in ein Rohr (4) hinein­ ragt. Der Absperrschieber (3) ist über eine Betäti­ gungsstange (5) mit einem Handrad verbindbar. Die Arma­ tur (2) weist ein im wesentlichen zylinderisches Ge­ häuse (6) auf, das in einem Gehäuseinnenraum (7) einen Verschlußdeckel (8) führt. Der Verschlußdeckel (8) wird durch das Dichtelement (1) relativ zum Gehäuse (6) ab­ gedichtet.

Im Bereich einer Innenfläche des Gehäuses (6) ist in einem dem Absperrschieber (3) abgewandten Bereich ein Segmentring (9) eingesetzt, an dem sich ein Druckring (10) abstützt. Der Druckring (10) ragt in eine ringför­ mige Außenausnehmung (11) des Verschlußdeckels (8) hin­ ein. Eine Kopffläche (12) des Druckringes (10) ist schräg zu einer Gehäuselängsachse (13) angeordnet. Im wesentlichen parallel zur Kopffläche (12) erstreckt sich eine Keilfläche (14) des Verschlußdeckels (8). Das Dichtelement (1) ist im wesentlichen seitlich zwischen dem Druckring (10) und dem Gehäuse (6) angeordnet und ragt bis in den Bereich der Keilfläche (14).

Aus Fig. 1 ist zusätzlich erkennbar, daß im Bereich der Durchführung der Betätigungsstange (5) durch den Ver­ schlußdeckel (8) hindurch in einer Dichtungsbohrung (15) eine Innendichtung (16) angeordnet ist, die bei­ spielsweise als Graphitschnur ausgebildet ist. Die Innendichtung (16) wird relativ zu einem Auflagering (17) von einer Spannmutter (18) fixiert und zusammenge­ drückt.

Die detaillierte Einbaugeometrie des Dichtelementes (1) ist vergrößert in Fig. 2 dargestellt. Die Außenausneh­ mung (11) des Verschlußdeckels (8) weist eine Anphasung (19) auf und das Gehäuse (6) ist im Bereich eines Über­ ganges einer Auflagefläche (20) für den Segmentring (9) in eine die Außenausnehmung (11) begrenzende Innenwand (21) mit einer Anphasung (22) versehen. Zwischen der Keilfläche (14) und der Kopffläche (12) erstreckt sich ein Spalt (23), der eine Dimensionierung von etwa 0,5 Millimeter aufweist. Ebenfalls ist ein Vertikalspalt (24) zwischen dem Druckring (10) und dem Dichtelement (1) vorgesehen.

Das Dichtelement (1) besteht im wesentlichen aus einem dem Verschlußdeckel (8) zugewandt angeordneten Ringseg­ ment (25), das von einem Rohrsegment (26) getragen ist, das in Richtung der Gehäuselängsachse (13) mit Schlitzen (27) versehen ist. Insbesondere ist daran gedacht, etwa vier bis sechs Schlitze (27) vorzusehen. Die Schlitze (27) münden im Bereich ihrer dem Ringseg­ ment (25) zugewandten Ausdehnung in Bohrungen (28) ein, um ein Auftreten von Kerbspannungen zu vermeiden. Das Ringsegment (25) weist sowohl im Bereich seiner dem Verschlußdeckel (8) zugewandten Ausdehnung als auch im Bereich seiner dem Gehäuse (6) zugewandten Ausdehnung Anlageflächen (29) auf, die eine nach außen gewölbte ballige Kontur besitzen. Zur Gewährleistung eines aus­ reichenden Anliegens der dem Gehäuse (6) zugewandten Anlagefläche (30) ist das Rohrsegment (26) außenseitig mit einer Materialverjüngung (31) versehen. Die Materialverjüngung (31) erstreckt sich ausgehend vom Ringsegment (25) bis in den Bereich eines Dichtungskopfes (32), der am Gehäuse (6) anliegt und das Dichtelement (1) abstützt.

Der Druckring (10) ist mit einem Vorsprung (33) verse­ hen, der das Dichtelement (1) im Bereich des Dichtungs­ kopf es (32) beaufschlagt. Der Vorsprung (33) ist über eine Rundung (34) in den sich parallel zum Dichtelement (1) erstreckenden Teil des Druckringes (10) übergelei­ tet, um ein Auftreten von Kerbspannungen zu vermeiden. Zur Erleichterung einer Montage und Demontage weist der Druckring (10) darüber hinaus im Bereich einer vom Seg­ mentring (9) beaufschlagten Andruckfläche (35) eine Gewindebohrung (36) auf. Eine weitere Erleichterung der Montage und Demontage kann dadurch erfolgen, daß im Bereich des Druckringes (10) eine Querbohrung (37) an­ geordnet ist, in die ein Stift (38) eingesetzt ist, der bis in eine Bohrung (39) des Dichtelementes (1) hinein­ ragt. Insbesondere ist daran gedacht, radial zur Gehäu­ selängsachse (13) eine Mehrzahl von Stiften (38) vorzu­ sehen. Zweckmäßig ist beispielsweise eine Anzahl von drei bis fünf Stiften (38).

Bei einer Montage werden zunächst der Druckring (10) und das Dichtelement (1) in die Außenausnehmung (11) des Verschlußdeckels (8) eingesetzt und anschließend wird der Verschlußdeckel (8) relativ zum Segmentring (9) verspannt. Bei dieser Verspannung wird das Dicht­ element (1) zunächst zwischen dem Vorsprung (33) des Dichtringes (10) und der Keilfläche (14) des Verschluß­ deckels (8) eingespannt. Bei einer weiteren Erhöhung der Spannkräfte wird das Ringsegment (25) des Dichtele­ mentes (1) mit seinen Anlageflächen (29, 30) gegen den Verschlußdeckel (8) einerseits und gegen das Gehäuse (6) andererseits gepreßt. Aufgrund der Außenwölbungen der balligen Anlagenfläche (29,30) ist auch bei einer elastischen Verformung des Dichtelementes (1) stets eine ausreichende Anlage an den Dichteflächen gewähr­ leistet.

Durch den Vertikalspalt (24) wird dem Dichtelement (1) ein ausreichender Platz zur Durchführung von Aus­ gleichsbewegungen bereitgestellt. Die Verspannung wird solange fortgeführt, bis die Keilfläche (14) zur Anlage an der Kopffläche (12) kommt. Durch diese mechanische Begrenzung wird eine Überlastung des Dichtelementes (1) vermieden.

Die bei der Verkeilung auftretenden Spannkräfte führen zu einer Aufweitung des Ringsegmentes (25). Diese Auf­ weitung wird durch die Schlitze (27) im Rohrsegment (26) unterstützt, da hierdurch ein leichteres Auswei­ chen des Ringsegmentes (25) nach außen ermöglicht wird.

Zur weiteren Erleichterung der Montage ist insbesondere daran gedacht, den Segmentring (9) mehrteilig auszubil­ den. Es ist beispielsweise eine vierteilige Ausbildung des Segmentringes (9) möglich.

In Fig. 3 ist eine modifizierte Ausführungsform der Armatur (2) und des zugeordneten Dichtringes (1) darge­ stellt. Der detaillierte Aufbau zu dieser Ausführungs­ form ist vergrößert in Fig. 4 abgebildet.

Das Dichtelement (1) gemäß dieser Ausführungsform be­ steht im wesentlichen aus dem Ringsegment (25), das unmittelbar in den Dichtungskopf (32) einmündet. Im Bereich der dem Dichtungskopf (32) abgewandten Ausdeh­ nung des Ringsegmentes (25) ist dem Gehäuse (6) zuge­ wandt die Anlagefläche (30) angeordnet. Die Anlageflä­ che (29) ist dem Verschlußdeckel (8) zugewandt im Be­ reich des Dichtungskopfes (32) angeordnet. Der Dich­ tungskopf (32) wird in einer Dichtungsausnehmung (40) des Segmentringes (9) geführt. Zusätzlich zur Abstüt­ zung auf dem Verschlußdeckel (8) stützt sich der Dich­ tungskopf (32) auch auf einem Vorsprung (41) des Ge­ häuses (6) ab. Der Vorsprung (41) ist über eine gerun­ dete Vertiefung (42) zur Vermeidung eines Auftretens von Kerbkräften in die dem Segmentring (9) zugewandte Begrenzungsfläche des Gehäuses (6) übergeleitet.

In einem dem Dichtungskopf (32) abgewandt angeordneten Bereich des Ringsegmentes (25) ist dem Verschlußdeckel (8) zugewandt eine Auflauffläche (43) vorgesehen. Die Auflauffläche (43) wird von einem Andruckring (44) be­ aufschlagt, der vom Verschlußdeckel (8) gehaltert ist. Der Andruckring (44) erstreckt sich im wesentlichen radial zur Gehäuselängsachse (13). Zwischen dem Dicht­ element (1) und dem Verschlußdeckel (8) ist auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein Vertikalspalt (24) angeordnet. Zusätzlich ist zwischen dem Segmentring (9) und dem Verschlußdeckel (8) ein Horizontalspalt (45) vorgesehen. Zwischen dem Ringsegment (25) und dem Ge­ häuse (6) ist eine Materialausnehmung (46) vorgesehen, die eine Zuführung von Umgebungsdruck in diesen Bereich ermöglicht. Grundsätzlich ist es möglich, die Material­ ausnehmung (46) bis in den Bereich des Segmentringes (9) hinein zu dimensionieren.

Bei einem Zusammenfügen des Gehäuses (6), des Ver­ schlußdeckels (8), des Dichtelementes (1) und des Seg­ mentringes (9) gleitet der Andruckring (44) an der Auf­ lauffläche (43) entlang und drückt die Anlagefläche (30) gegen das Gehäuse (6). Die Verspannung der Bauele­ mente gegeneinander wird fortgesetzt, bis der Ver­ schlußdeckel (8) gegen den Segmentring (9) geführt ist. In dem Endstadium der Montage ist somit der Horizontal­ spalt (45) nicht mehr vorhanden und die Anlagefläche (29) ist in erforderlicher Weise elastisch verformt.

Zusätzlich zur Beaufschlagung des Ringsegmentes (25) über den Andruckring (44) wirkt auf das Dichtelement (1) auch ein Innendruck der Armatur (2) über einen Hauptspalt (47) zwischen dem Gehäuse (1) und dem Ver­ schlußdeckel (8) ein. Dieser Innendruck führt zusätz­ lich zu einer Verspannung des Dichtelementes (1) rela­ tiv zum Gehäuse (6) und erhöht somit die Dichtwirkung. Der abzudichtende Druck wirkt somit unterstützend für die Dichtwirkung.

Als Material für das Dichtelement (1) können unter­ schiedliche Metalle verwendet werden. Beispielsweise ist eine Verwendung bestimmter Stahllegierungen mög­ lich. Zur Erhöhung der Beständigkeit im Bereich der Anlagefläche (29, 30) ist auch daran gedacht, das Dicht­ element mindestens im Bereich dieser Anlageflächen (29, 30) mit geeigneten Metallen zu beschichten. Grund­ sätzlich kann auch das gesamte Dichtelement (1) aus einem Trägermaterial und einer Beschichtung ausgebildet sein.

Eine Verwendung in größeren Temperaturbereichen mit guter Dichtwirkung wird insbesondere auch dadurch un­ terstützt, daß die Materialien für den Verschlußdeckel (8), das Gehäuse (6) und das Dichtelement (1) derart gewählt werden, daß annähernd gleiche thermische Aus­ dehnungskoeffizienten vorliegen. Hierdurch wird auch bei sich ändernden Temperaturen eine konstante Geome­ trie relativ zueinander bereitgestellt.

Der Horizontalspalt (45) kann mit einer Dimensionierung von etwa 0,5 Millimeter ausgebildet sein. Als Andruck­ ring (44) kann ein geteilter und gehärteter Ring ver­ wendet werden. Grundsätzlich ist aber auch eine mehr­ teilige Ausbildung des Andruckringes (44) denkbar.

Claims (16)

1. Dichtelement aus Metall mit mindestens zwei Dicht­ flächen für druckbeaufschlagte Bauelemente, das einen Verbindungsbereich zweier Bauelemente relativ zu einer Umgebung abdichtet und bei dem jeweils eine der Dichtflächen jeweils einem der Bauelemente zugewandt anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Dichtflächen mit Außenwölbungen ver­ sehene Anlageflächen (29, 30) vorgesehen sind und daß mindestens eine der Anlageflächen (29, 30) als Abrollkontur bei einer Verspannung der Bauelemente durch eine elastische Verformung des Dichtelementes (1) relativ zu einem der Bauelemente eine Anpreß­ dichtung ausbildet.

2. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anlageflächen (29, 30) im Bereich eines Ringsegmentes (25) angeordnet sind, das von einem Rohrsegment (26) gehaltert ist.

3. Dichtelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rohrsegment (26) Schlitze aufweist, die sich im wesentlichen in Richtung einer Gehäuselängsachse (13) der Bauelemente erstrecken.

4. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die eine Anlagefläche (29) im wesentlichen schräg zur Gehäuselängsachse (13) und die andere Andruckfläche (30) im wesent­ lichen parallel zur Gehäuselängsachse (13) ange­ ordnet ist.

5. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich einer von der Anlagefläche (30) aufgespannten Umfangskontur zwi­ schen dem Ringsegment (25) und einem das Rohr­ segment (26) halternden Dichtungskopf (32) eine Materialverjüngung (31) angeordnet ist.

6. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder der Schlitze (27) im Bereich seiner dem Ringsegment (25) zugewandten Ausdehnung in eine Bohrung (28) übergeleitet ist.

7. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß sich durch das Rohr­ segment (26) mindestens eine Bohrung (39) zur Auf­ nahme eines Stiftes (38) hindurcherstreckt.

8. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ringsegment (25) unmittelbar in den Dichtungskopf (32) einmündet.

9. Dichtelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Dichtungskopf (32) in Richtung der Gehäuselängsachse (13) eine stärkere Dimensionie­ rung aufweist, als das Ringsegment (25) quer zur Gehäuselängsachse (13).

10. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ringsegment (25) im Bereich seiner dem Dichtungskopf (35) abgewandten seitlichen Ausdehnung mit der Anlagefläche (30) versehen ist.

11. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dichtungskopf (32) mit der Anlagefläche (29) versehen ist.

12. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ringsegment (25) im Bereich seiner der Anlagefläche (30) abgewandten Ausdehnung mit einer Auflauffläche (43) versehen ist, die schräg zur Gehäuselängsachse (13) angeord­ net ist.

13. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ringsegment (25) in Richtung auf den Dichtungskopf (32) eine zunehmende Materialdicke aufweist.

14. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ringsegment (25) außenseitig mit einer Materialausnehmung (46) ver­ sehen ist.

15. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich einer der Anlageflächen (29, 30) eine Metallbe­ schichtung angeordnet ist.

16. Dichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ringsegment (25) L-förmig in den Dichtungskopf (32) übergeleitet ist und daß im Bereich einer vom Ringsegment (25) und dem Dichtungskopf (32) aufgespannten Übergangskon­ tur (48) ein gerundeter Wandungsverlauf vorgesehen ist.