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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 eine Aufnahmeöffnung
des ersten Kupplungsteils mit einem Schaft einsteckbares zweites
Kupplungsteil, wie ein Steckerteil, und mindestens zwei Umfangsdichtungen,
die in axialer Richtung hintereinander in mindestens einer umfangsgemäß in
einem der beiden Kupplungsteile ausgebildeten Nut angeordnet sind
und im Montage- und im Betriebszustand einen Spalt der Aufnahmeöffnung
verschließen und wobei eine Umfangsdichtung ein auf der
Seite des erhöhten Druckes in einem ersten Nutbereich angeordneter
O-Ring und die andere Umfangsdichtung ein auf der Seite des Vergleichsdrucks
in einem zweiten Nutbereich angeordneter Formring ist.
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Ein
derartiges Verbindungssystem ist aus dem europäischen Patent
EP 1 052 443 B1 bzw.
aus dessen deutscher Übersetzung
DE 600 07 219 T2 bekannt.
Diese Dokumente beschreiben eine Vorrichtung zur Begrenzung der
Leckage für einen Kühlkreislauf, durch welchen
ein Kältemittel fließt, wobei der Kühlkreislauf über
ein in Luft angeordnetes Rohrverbindungsteil verfügt, an
dem Rohre angeschlossen sind. Diese bekannte Vorrichtung zur Begrenzung
der Leckage stellt eine technische Lösung vor, die den
widersprüchlichen Dichtungsanforderungen bezüglich
geringer Permeabilität und Verhinderung der explosiven
Dekompression, die von einer in den Dokumenten als Blasenbildungsbeständigkeit
bezeichneten Eigenschaft abhängt, gerecht wird.
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Eine
in derartigen Verbindungssystemen zunächst unter dem Gesichtspunkt
einer geringen Leckage erstrebenswert geringe Permeabilität
einer Dichtung führt nämlich zu einer unerwünscht
hohen Neigung zur Bildung von Blasen und damit zu erhöhter
Gefahr des Auftretens der explosiven Dekompression. Eine erstrebenswert
hohe Blasenbildungsbeständigkeit der Dichtung, durch die
dies vermieden werden kann, führt andererseits zu unerwünscht
hoher Permeabilität und damit auch Leckage von Kühlmittel.
Um die Leckage von Kühlmittel in die Luft zu beschränken,
umfasst daher die bekannte Leckagebegrenzungsvorrichtung – anstelle einer,
als Leckagebegrenzungselement bezeichneten, Dichtung mit jeweils
mittlerer Gaspermeabilität und Blasenbildungsbeständigkeit – zwei
als Dichtungen ausgebildete Leckagebegrenzungselemente: ein erstes
Leckagebegrenzungselement, das luftseitig im Rohrverbindungsteil
angeordnet ist, und ein zweites Leckagebegrenzungselement, das auf
der Kühlmittelseite im Rohrverbindungsteil angeordnet ist.
Das erste Element weist eine Gaspermeabilität und eine
Blasenbildungsbeständigkeit auf, die jeweils geringer als
die des zweiten Leckagebegrenzungselements sind. Gemäß einer
Vielzahl von Ausführungsformen sind dabei als Leckagebegrenzungselemente
O-Ringe vorgesehen, die jeweils in zwei hintereinander angeordneten
Nuten angeordnet sind und unterschiedliche Schnurdurchmesser haben
können. Hierbei soll durch eine starke Verpressung mindestens
eines O-Rings, die allerdings nachteiligerweise mit erhöhten
Steckkräften verbunden ist, eine große Permeationslänge
erzeugt werden. Gemäß einer Ausführungsform
der bekannten Vorrichtung zur Begrenzung der Leckage, die als gattungsgemäß angesehen
wird, kann das erste Leckagebegrenzungselement ein auf der Seite
des erhöhten Druckes angeordneter O-Ring und das zweite
Leckagebegrenzungselement ein auf der Seite des Vergleichsdrucks
angeordneter Formring mit rechteckigem Querschnitt sein. Dadurch
soll erreicht werden, dass, wenn der Druck des Kühlmittels gesteigert
wird, der O-Ring daran gehindert wird, sich örtlich in axialer
Richtung zu verformen. Konkret ist dabei ein Formring mit quadratischem
Querschnitt dargestellt, der aber nicht wie die anderen Ausführungsformen
der Leckagebegrenzungselemente durch eine starke Verpressung eine
vergrößerte Permeationslänge erzeugt.
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Ein
Problem besteht folglich bei diesem Verbindungssystem darin, dass
entweder keine optimale Permeationslänge durch die Leckagebegrenzungselemente
entsteht oder sich durch die Anwesenheit von zwei Umfangsdichtungen,
von denen eine übermäßig verpresst ist,
nachteiligerweise – wegen der Reibung einer jeden Umfangsdichtung
an der Wand und wegen der Komprimation der Dichtungskörper
beim Stecken – die bei einer Montage auftretenden Steckkräfte
erhöhen. Das bekannte Verbindungssystem kann daher hinsichtlich
eines Verhältnisses von Permeationslänge zu den
für die Verpressung der Leckagebegrenzungselemente aufgewendeten
Steckkräften nicht als optimal angesehen werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungssystem
der eingangs genannten Art für Leitungen, Armaturen oder
Aggregate derart zu verbessern, dass bei Gewährleistung
einer hohen Montagefreundlichkeit bei der Herstellung der Kupplungsverbindung
und einer hohen Funktionssicherheit sowie einer geringen Leckage
letztere auch unter Umwelteinflüssen, wie Temperatur und
Druck sowie bevorzugt auch wechselndem chemisch-physikalischem Mediencharakter
des Fluids, aufrechterhalten werden kann und dabei die vorstehend
genannten Nachteile zu überwinden.
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Erfindungsgemäß wird
dies für ein System der genannten Art dadurch erreicht,
dass der Querschnitt des Formrings im unverpressten Zustand eine
axiale Hauptabmessung aufweist, die länger als eine radiale Hauptabmessung
ist.
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Dadurch
kann vorteilhafterweise ein optimales Verhältnis der senkrecht
zur axialen Richtung X-X verlaufenden Querschnittsfläche
der deformierten Umfangsdichtung zur Permeationslänge eingestellt
werden. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Verhältnis
der axialen Hauptabmessung zur radialen Hauptabmessung größer
ist als 1,2, vorzugsweise größer als 2,0.
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Des
Weiteren gestattet es die Erfindung vorteilhafterweise, einen zur
Erzielung einer optimalen Dichtungswirkung erforderlichen Nutfüllungsgrad,
der als Quotient aus einem in der Nut liegenden Anteil des verpressten,
radialen Querschnitts der Umfangsdichtungen und der Querschnittsfläche
der Nut berechnet werden kann, optimal einzustellen, was in der
bekannten Leckagebegrenzungsvorrichtung völlig unberücksichtigt bleibt.
Dies kann erfindungsgemäß geschehen, ohne dass
sich dabei durch die beiden Umfangsdichtungen die bei einer Montage
auftretenden Steckkräfte erhöhen.
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Hierzu
kann insbesondere vorgesehen sein, dass ausschließlich
der zweite Nutbereich durch eine geometrische Gestaltung seines
Querschnitts in einen Sitzabschnitt und in einen Kompensationsabschnitt
mit kleinerem Querschnitt als der Sitzabschnitt unterteilt ist,
wobei sich der Formring in einem vormontierten Zustand vor dem Einstecken
des zweiten Kupplungsteils in das erste Kupplungsteil ausschließlich
in dem Sitzabschnitt befindet und im Montagezustand den Sitzbereich
vollständig ausfüllt und in den Kompensationsabschnitt
hineinragt.
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Auf
diese Weise können erfindungsgemäß die
Nutgeometrie und die Geometrien der Umfangsdichtungen optimiert
und aufeinander abgestimmt werden. Dabei wird es durch die Erfindung
möglich, einerseits den widersprüchlichen Dichtungsanforderungen
bezüglich geringer Permeabilität und Verhinderung
der explosiven Dekompression gerecht zu werden und damit eine hohe
Funktionalität des Systems unter den verschiedensten Betriebsbedingungen
zu sichern.
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Andererseits
wird dadurch, dass nur der der Atmosphäre zugeordnete Nutbereich
durch die erfindungsgemäße Formgebung in einen
Sitzabschnitt und einen Expansionsabschnitt unterteilt ist, und
der dem Kältemittel zugewandte Nutbereich allein durch
Bemessung des Nutvolumens – also ohne einen zusätzlich
geometrisch definierten Expansionsabschnitt, d. h. der Sitzbereich
ist identisch mit dem Expansionsbereich – dimensioniert
wird, sich der durch den Einsatz von zwei unterschiedlich ausgebildeten
Dichtungen auftretende synergistische Effekt verstärkt,
wobei gleichzeitig durch eine bei dieser Gestaltung mögliche
Optimierung der Steckkräfte die Montagefreundlichkeit des
Systems erhöht werden kann.
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Die
gesamte Permeationslänge des Fluids durch die Dichtung,
die durch die axiale Längserstreckung der deformierten
Dichtung zwischen den beiden Kupplungsteilen festgelegt wird, ist
erfindungsgemäß in eine Permeationslänge
durch den O-Ring und in eine Permeationslänge durch den
Formring aufgeteilt, die aufeinander abgestimmt werden können.
Innerhalb des Formrings besteht dabei des Weiteren die vorteilhafte
Möglichkeit, die Permeationslänge durch die Gestaltung
des Sitzabschnittes, des Kompensationsabschnittes und die Eigenschaften
des Formrings selbst zu optimieren. Im Hinblick auf den bekannten
Stand der Technik stehen folglich mit Vorteil weitere technisch-geometrische
Grundgrößen als frei wählbare Gestaltungsgrößen
des Systems zur Verfügung. Ausgehend von diesen Gegebenheiten
können bei vorgegebenem Systemdruck und vorgegebener Betriebsdauer
zur Erzielung einer geringen Leckmenge die Querschnittsfläche
der Bestandteile der deformierten Umfangsdichtung klein und die
mittlere Permeationslänge groß gehalten werden.
Auch ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen der zu verbindenden
Teile kann erfolgen.
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Insbesondere
ist dabei das erfindungsgemäße Verbindungssystem
für einen Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel
in einer Klimaanlage prädestiniert, die im Vergleich mit
den für halogenhaltige Kältemittel üblichen
Drücken erhöhte Drücke und Temperaturen
bei den Wärmeaustauschprozessen aufweisen. So ist für den
im Betrieb einer CO2-Klimaanlage auftretenden
Druck ein oberes Niveau von etwa bei 160 bar und ein unteres Niveau
von etwa 35 bar charakteristisch.
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Ein
Füllgrad, der als Quotient aus einem im jeweiligen Abschnitt
bzw. in der ganzen Nut liegenden Anteil des verpressten, radialen
Querschnitts und der Querschnittsfläche dieses Abschnitts
bzw. der Nut berechnet werden kann, ist im Sitzabschnitt dabei im
montierten Zustand gleich 1 bzw. 100 Prozent und vorzugsweise größer
als der Füllgrad des Expansionsabschnittes. Diese bevorzugte
Ausbildung kann vorteilhafterweise insbesondere darüber
hinaus also auch bedeuten, dass im Montage- und Betriebszustand
der unter Berücksichtigung der möglichen Wärmeausdehnung
des Formrings als Quotient aus einem im Kompensationsabschnitt liegenden
Anteil des verpressten, radialen Querschnitts und der Querschnittsfläche
des Kompensationsabschnittes berechneter Füllgrad kleiner
ist als 1 bzw. 100 Prozent.
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Im
zweiten Nutbereich ist durch die erfindungsgemäß aufeinander
abgestimmte Dimensionierung von erstem Nutbereich und von Sitzabschnitt,
Kompensationsabschnitt des zweiten Nutbereichs sowie vom Formring
somit ein Raum für den Formring ausgebildet, der ihn derart
aufnimmt, dass bei einer Volumenvergrößerung der
Umfangsdichtung, wie sie im Betriebszustand bei einer gegenüber
der Raumtemperatur erhöhten Temperatur oder durch Quellung
unter dem Einfluss des Fluids auftritt, oder bei einer Deformation
der Umfangsdichtung, wie sie unter dem Einfluss der Vorpresskraft
oder des erhöhten Drucks auftritt, eine Zerstörung der
Dichtung und eine Extrusion in den abzudichtenden Spalt vermieden
werden kann. Der Kompensationsraum kann somit einerseits die Funktion
der Bildung eines Ausweichraums zur Aufnahme des deformierten Volumenteils
der Umfangsdichtung erfüllen, andererseits aber auch die
Funktion der Schaffung eines zusätzlichen Raumes zur Aufnahme
eines vergrößerten Volumenteils der Umfangsdichtung.
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Der
O-Ring schützt dabei den Formring vor einem eventuell aggressiven
Angriff durch Fluide, bei denen es sich beispielsweise um Kältemittel,
wie R134a, CO2 oder HFO1234yf, handeln kann,
oder durch deren Bestandteile, wie ein Kältemaschinenöl.
Der O-Ring kann also bevorzugt eine höhere Beständigkeit,
insbesondere eine höhere thermische bzw. auch chemische
Beständigkeit, gegen das Fluid, wie ein Öl oder
ein Öl-Kältemittel-Gemisch, aufweisen als der
Formring. Dadurch wird vorteilhafterweise die Alterung des Formrings
verringert.
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Durch
die erfindungsgemäße Bemessung des Formrings und
die geometrische Gestaltung des für ihn vorgesehenen Nutabschnitts
kann mit Vorteil auch eine Kontaktfläche, die als Grenzfläche
des O-Rings zum Fluid in Richtung auf das Fluid hin weist, im Betriebszustand
optimal klein gehalten werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
sowie der folgenden Beschreibung enthalten.
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Anhand
mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele soll im Folgenden
die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 im
Längsschnitt, eine Darstellung eines Ausschnitts aus einem
erfindungsgemäßen Verbindungssystem in einer ersten
Ausführung,
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2 und 3 im
Längsschnitt, Darstellungen der Teile eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer zweiten Ausführung, wobei das
in 2 gezeigte Kupplungsteil bereits mit Umfangsdichtungen vormontiert
ist,
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4 im
Längsschnitt, eine Darstellung des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in der zweiten Ausführung, wobei die
in 2 und 3 gezeigten Teile vollständig
montiert sind,
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5 im
Längsschnitt, eine Darstellung der Teile eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer dritten Ausführung, wobei ein
zweites Kupplungsteil, welches in ein erstes Kupplungsteil einsteckbar
ist, bereits mit Umfangsdichtungen vormontiert ist,
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6 im
Längsschnitt, eine Darstellung des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in der dritten Ausführung, wobei die
in 5 gezeigten Teile vollständig montiert
sind,
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7 eine
qualitative diagrammatische Darstellung der Abhängigkeit
der Steckkräfte, die beim Einstecken eines zweiten Kupplungsteils
in ein erstes Kupplungsteil bei einem erfindungsgemäßen
Verbindungssystem in Abhängigkeit vom Steckweg auftreten,
im Vergleich zu den entsprechenden Verhältnissen bei zwei nicht
erfindungsgemäßen Verbindungssystemen,
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8 eine
quantitative diagrammatische Darstellung der Abhängigkeit
der Steckkräfte, die charakteristischerweise beim Einstecken
eines zweiten Kupplungsteils in ein erstes Kupplungsteil bei verschiedenartigen
Ausführungen eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in Abhängigkeit vom Steckweg auftreten können,
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9 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
eines mit Umfangsdichtungen vormontierten Kupplungsteils des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer vierten Ausführung,
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10 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
eines mit Umfangsdichtungen vormontierten Kupplungsteils des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer fünften Ausführung,
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11 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
eines mit Umfangsdichtungen vormontierten Kupplungsteils des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer sechsten Ausführung,
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12 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des (End-)Montagezustands eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer siebten Ausführung,
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13 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
eines Zwischen-Montagezustands eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer achten Ausführung,
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14 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des (End-)Montagezustands eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems der achten Ausführung,
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15 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des Kupplungsteils des erfindungsgemäßen Verbindungssystems,
in das das andere Kupplungsteil eingesteckt wird, in einer Ausführung,
die 3 und 4 entspricht,
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16 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des Montagezustands eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems
in einer neunten Ausführung,
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17 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des Montagezustands eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems
in einer zehnten Ausführung,
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18 in
einem längsgeschnittenen Halbschnitt, eine Darstellung
des Montagezustands eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems
in einer elften Ausführung,
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19 in
einem längsgeschnittenen Teilschnitt, eine Darstellung
eines mit Umfangsdichtungen vormontierten Kupplungsteils des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems in einer zwölften Ausführung,
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20 bestehend
aus den Teilfiguren 20a bis 20c, jeweils in einem längsgeschnittenen
Teilschnitt, verschiedene mögliche Formen des zweiten Nutbereichs
eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems,
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21 in
einem längsgeschnittenen Teilschnitt, eine Darstellung
eines mit Umfangsdichtungen versehenen Kupplungsteils des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems im Betriebszustand in einer weiteren Ausführung.
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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 den Ausführungen gemäß 9 bis 21 sind
aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle in 1 bis 6 bezeichneten
Bezugszeichen dargestellt. Die Ausführungen gemäß 9 bis 21 weisen mit
der jeweils für die spezifische Ausführungsform
beschriebenen speziellen Ausbildung die jeweils gleiche erfindungsgemäße
konstruktive Grundstruktur auf wie die Ausführungen gemäß 1 bis 6.
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Ein
wichtiger Unterschied der in 1 gezeigten
ersten Ausführung der Erfindung gegenüber der
in 2 bis 4 gezeigten zweiten und gegenüber
der in 5 und 6 gezeigten dritten Ausführung
besteht zunächst darin, dass der O-Ring und der Formring
in der ersten Ausführung in Nutbereichen einer einzigen
erfindungsgemäß ausgebildeten Nut sitzen, während
gemäß der zweiten und dritten Ausführung
jeweils vorgesehen ist, dass der erste Nutbereich und der zweite
Nutbereich durch einen radial umlaufenden Steg voneinander getrennt
sind und dadurch jeweils eine separate erste Nut und eine separate
zweite Nut bilden.
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Während
in 1 eine spezielle Art des erfindungsgemäßen
Verbindungssystems nicht spezifiziert ist, beziehen sich 2 bis 4 auf
eine Leitungsverbindung und 5 und 6 auf
einen Blockverbinder.
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1 bis 6 veranschaulichen übereinstimmend
folgenden grundlegenden konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen
Verbindungssystems für Leitungen, Armaturen oder Aggregate,
insbesondere für Kohlendioxid führende Systeme,
die zur Führung eines mit einem gegenüber einem
Vergleichsdruck p2 erhöhten Druck
p1 beaufschlagten Fluids bestimmt sind:
Ein
erfindungsgemäßes Verbindungssystem umfasst ein
erstes Kupplungsteil 1, wie ein Gehäuseteil (für
die zweite Ausführung als Einzelteil in 3 dargestellt),
ein entlang einer Achse X-X in eine Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteils 1 mit einem Schaft 5 einsteckbares
zweites Kupplungsteil 2, wie ein Steckerteil (für die
zweite Ausführung als Einzelteil in 2 dargestellt),
und zwei Umfangsdichtungen 31, 32, die in axialer Richtung
X-X hintereinander in mindestens einer umfangsgemäß in
einem der beiden Kupplungsteile 1, 2 ausgebildeten
Nut 4 angeordnet sind. Dabei verschließen die
Umfangsdichtungen 31, 32 unter Deformation und Erzeugung
einer radialen Vorpresskraft FV im Montagezustand (4, 6)
und im Betriebszustand (1) einen Spalt 7 der
Aufnahmeöffnung 6. Eine Umfangsdichtung 31 ist
ein auf der Seite des erhöhten Druckes p1 in
einem ersten Nutbereich 41 angeordneter O-Ring 31,
und die andere Umfangsdichtung 32 ist ein auf der Seite
des Vergleichsdrucks p2 in einem zweiten
Nutbereich 42 angeordneter Formring 32.
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Erfindungsgemäß ist
dabei vorgesehen, wie dies zunächst aus den Darstellungen
der unverpressten Umfangsdichtungen 31, 32 in 2 und 5 entnehmen
ist, dass der Querschnitt Q32 des Formrings 32 im unverpressten
Zustand eine axiale Hauptabmessung B32 aufweist,
die länger als eine radiale Hauptabmessung s32 ist.
Insbesondere ist dabei ein Verhältnis der axialen Hauptabmessung
B32, bei der es sich in den dargestellten
Fällen um eine Schnurbreite des Formrings 32 handelt,
zur radialen Hauptabmessung s32, bei der
es sich um eine radial gemessene Schnurstärke handelt,
größer als 1,2, und vorzugsweise auch größer
als 2,0. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik muss
dadurch eine große Permeationslänge nicht erst
durch ein starkes Verpressen beim Steckvorgang erzeugt werden, so
dass sich ein optimal großes Verhältnis von Permeationslänge
zu den für die Verpressung der Umfangsdichtungen 31, 32 aufzuwendenden Steckkräfte
einstellt.
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Hierbei
ist vorgesehen, dass der zweite Nutbereich 42 – und
bevorzugt nur dieser – in einen Sitzabschnitt S und in
einen Kompensationsabschnitt K mit kleinerem Querschnitt QK als der Querschnitt QS des
Sitzabschnittes S unterteilt ist, wobei sich der Formring 32 in
einem vormontierten Zustand (2, 5)
vor dem Einstecken des zweiten Kupplungsteils 2 in das
erste Kupplungsteil 1 ausschließlich in dem Sitzabschnitt
S befindet und im Montage- und Betriebszustand (1, 4, 6)
den Sitzabschnitt S vollständig ausfüllt und in
den Kompensationsabschnitt K hineinragt. Der Sitzabschnitt S hat
dabei eine Länge LS und der Kompensationsabschnitt
K eine Länge LK. Optional kann
auch schon im vormontierten Zustand der Sitzabschnitt S vollständig
ausgefüllt sein. Dadurch kann vorteilhafterweise der Formring 32 bei
der Montage nicht verrutschen.
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Das
Vorhandensein des Kompensationsabschnitts K trägt der Ausführung
des Formrings 32 Rechnung, die großvolumiger ist
als die des O-Rings 31. Folglich sind somit auch Volumenvergrößerungen
durch Quellung unter Druck und thermische Ausdehnung größer
als beim O-Ring 31 und können durch Ausdehnung des
Formrings 32 in den Kompensationsabschnitt K hinein ohne
nennenswerten Anstieg der radial gerichteten Flächenpressung
ausgeglichen werden.
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Eine
axiale Länge L42 des zweiten Nutbereichs 42 kann
dabei – wie in 1, 2 und 5 dargestellt – bevorzugt
größer als eine axiale Länge L41 des ersten Nutbereichs 41 sein
(nur in 1 und 2 bezeichnet).
Eine axiale Querschnittsfläche Q41 des
ersten Nutbereiches 41 kann bevorzugt kleiner als eine
axiale Querschnittsfläche Q42 des
zweiten Nutbereiches 42 sein (in 1 und 4 bezeichnet).
Eine maximale Tiefe T41 des ersten Nutbereiches 41 kann
bevorzugt kleiner als eine maximale Tiefe T42 des
zweiten Nutbereiches 42 sein (in 1 und 2 bezeichnet).
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In
der ersten bis dritten Ausführung ist dabei vorgesehen,
dass der Formring 32 im vormontierten Zustand, im Montage-
und im Betriebszustand mit einer ersten axial gerichteten Anlagefläche
FA32 an einer Nutflanke 42a anliegt,
die axial gegenüber dem Kompensationsabschnitt K liegt
und den Sitzabschnitt S begrenzt.
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Der
zweite Nutbereich 42 kann dabei – wie dargestellt – insbesondere
derart geometrisch gestaltet sein, dass sich der Querschnitt QK des Kompensationsabschnittes K, zumindest über
eine definierte axiale Länge LKa hinweg,
in Richtung Z des axialen Einsteckens des einen Kupplungsteils 2 in
die Aufnahmeöffnung 6 des anderen Kupplungsteiles 1 im
Längsschnitt gesehen in radialer Richtung stetig und/oder
sprungartig gegenüber dem Querschnitt QS des
Sitzabschnittes S verringert. Dies führt vorteilhafterweise
dazu, dass sich – schon bei der Montage bzw. auch später
bei einem Quellen der Dichtung im Betriebszustand – die
Permeationslänge durch die Dichtung sprunghaft und überproportional
erhöht. Hierbei ist in den ersten drei Ausführungen
im Kompensationsabschnitt K, zumindest über die definierte
axiale Länge LKa hinweg, eine ebene
oder gekrümmte, insbesondere konvex gekrümmte,
in Richtung Z des axialen Einsteckens des einen Kupplungsteils 2 in
die Aufnahmeöffnung 6 des anderen Kupplungsteiles
radial nach außen verlaufende Schrägfläche 42b ausgebildet.
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Eine
Kompensation der Änderung der Geometrie des Formrings 32 kann
dabei, wie in 1 mit dem zusätzlichen
radialen Kompensationsvolumen VR gezeigt
ist, sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung erfolgen,
und der Kompensationsabschnitt K kann aus mehreren Teilkompensationsvolumina
bestehen.
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Im
Hinblick auf eine optimale Abstimmung der Geometrien von Formring 32 und
zweitem Nutbereich 42 aufeinander kann insbesondere vorgesehen
sein, dass im Montage- und Betriebszustand ein, vorzugsweise unter
Berücksichtigung der möglichen Wärmeausdehnung
des Formrings 32, als Quotient aus einem im Kompensationsabschnitt
K liegenden Anteil des verpressten, radialen Querschnitts AR32K und der Querschnittsfläche QK des Kompensationsabschnittes K berechneter
Füllgrad FG kleiner ist als 1 bzw. 100 Prozent. Dabei kann
ein Füllgrad FG, der sich als Quotient aus einem im Sitzabschnitt
S liegenden Anteil des verpressten, radialen Querschnitts AR32S und der Querschnittsfläche QS des Sitzabschnittes K ergibt, gleich 1
bzw. 100 Prozent sein. Ein Füllgrad FG des gesamten zweiten
Nutbereiches 42, der sich als Quotient aus dem gesamten,
im zweiten Nutbereich 42 liegenden verpressten, radialen
Querschnitt AR32 des Formrings 32 und
der gesamten Querschnittsfläche Q42 (Summe
aus QS und QK) des
Nutbereichs 42 ergibt, kann bevorzugt kleiner sein als
1 bzw. 100 Prozent.
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Wie
der erste Nutbereich 41 bevorzugt einen ebenen Nutgrund 41a aufweisen
kann, kann auch – zumindest bereichsweise – der
Kompensationsabschnitt K des zweiten Nutbereiches 42 und/oder
insbesondere – wie dargestellt – der Sitzabschnitt
S des zweiten Nutbereiches 42 einen ebenen Nutgrund 42c aufweisen.
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In
der ersten Ausführung der Erfindung liegt der O-Ring 31 im
vormontierten Zustand, im Montage- und im Betriebszustand mit einer
ersten axial gerichteten Anlagefläche FA31 an
einer ihm zugewandten Anlagefläche FB32 des
Formrings 32 an. Anderseitig liegt der O-Ring 31 zumindest
im Montagezustand mit einer zweiten axial gerichteten Anlagefläche
FB31 an einer in Einsteckrichtung Z liegenden
Nutflanke 41b an.
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Wie
bereits erwähnt, ist gemäß der zweiten
und dritten Ausführung der Erfindung jeweils vorgesehen, dass
der erste Nutbereich 41 und der zweite Nutbereich 42 durch
einen radial umlaufenden Steg 8 voneinander getrennt sind
und dadurch jeweils eine separate erste Nut 41 und eine
separate zweite Nut 42 bilden. Der O-Ring 31 liegt
dort im vormontierten Zustand und im Montagezustand mit seiner ersten
axial gerichteten Anlagefläche FA31 an
einer Nutflanke 41c der ersten Nut 41 an, die
durch den radial umlaufenden Steg 8 gebildet ist. Anderseitig
liegt der O-Ring 31 – wie in der ersten Ausführung – zumindest
im Montagezustand mit seiner zweiten axial gerichteten Anlagefläche
FB31 an der in Einsteckrichtung Z liegenden
Nutflanke 41b an.
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Im
Hinblick auf eine optimale Abstimmung der Geometrien der Nutbereiche 41, 42 bzw.
der Nuten 41 für den O-Ring und den Formring 32 aufeinander
kann vorgesehen sein, dass ein Verhältnis der Länge
L41 zur maximalen Tiefe T41 des
ersten Nutbereichs 41 bzw. der ersten Nut 41 größer
ist als ein Verhältnis der Länge L42 zur
maximalen Tiefe T42 des zweiten Nutbereichs 42 bzw.
der zweiten Nut 42. Dabei kann das Verhältnis der
Länge L41 zur maximalen Tiefe T41 des ersten Nutbereichs 41 bzw.
der ersten Nut 41 im Bereich von 1 bis 5, und bevorzugt
bei 3,5 liegen. Das Verhältnis der Länge L42 zur maximalen Tiefe T42 des
zweiten Nutbereichs 42 bzw. der zweiten Nut 42 kann
im Bereich von 0,3 bis 0,9, und bevorzugt bei 0,5 liegen.
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Was
die Bemessung der Umfangsdichtungen 31, 32 betrifft,
so kann, wie in 2 und 5 mit Bezugszeichen
bezeichnet, eine Schnurstärke s31 des
O-Rings 31 kleiner als eine radial gemessene Schnurstärke
s32 des Formrings 32 sein, während
im verpressten Zustand (1, 4 und 6)
eine axiale Länge L31 des O-Rings 31 kleiner
als eine axiale Länge L32 des Formrings 32 ist.
Im verpressten Zustand kann bevorzugt – bezogen auf die
Achse X-X – ein mittlerer Ringdurchmesser DM31 des
O-Rings 31 kleiner als ein mittlerer Ringdurchmesser DM32 des Formrings 32 sein. Diese
mittleren Ringdurchmesser DM31, DM32 werden dabei jeweils als gegenseitiger
Abstand der Mittelpunkte der Querschnitte Q31,
Q32 der Umfangsdichtungen 31, 32 ermittelt.
Derartige mittlere Ringdurchmesser DM31,
DM32 sind exemplarisch in den Ausführungen
in 9, 11, 12, 19, 20 und 21 dargestellt.
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Im
Montage- und im Betriebszustand sollte die radiale Vorpresskraft
FV31 des O-Rings 31 nicht größer als,
bevorzugt genauso groß wie die radiale Vorpresskraft FV32 des Formrings 32 sein.
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Durch
die Vorpresskräfte FV31, FV32 des O-Rings 31 und des Formrings 32,
die unter anderem davon abhängen, wie stark jeweils eine
Umfangsdichtung 31, 32 deformiert wird bzw. wieviel
Raum entsprechend Größe und geometrischer Gestaltung
für diese Deformation zur Verfügung steht, werden
neben einer Kontaktlänge, über die die Umfangsdichtung 31, 32 jeweils
an den Wandungen der Kupplungsteile 1, 2 anliegt,
auch die Steckkräfte FS beeinflusst, die beim Einstecken
des zweiten Kupplungsteils 2 in das erste Kupplungsteil 1 bei
einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem in Abhängigkeit
vom Steckweg X auftreten. Das jeweilige Verhältnis der
Steckkraft FS zu der orthogonal auf der Steckkraft FS stehenden
Vorpresskraft FV ist dabei die Reibungszahl μ.
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Die
Steckkräfte FS sind auch vom Nenndurchmesser der Aufnahmeöffnung 6 abhängig.
So rechnet man bei Nenndurchmessern von 12 mm mit geforderten Maximalsteckkräften
M1, M2 im Bereich von 80 N bis 100 N. Für größere
Nenndurchmesser oder auch für kleine Nenndurchmesser, aber
bei dem für CO2 relevanten Druckbereich
(p1 = 10 bar bis 180 bar), treten größere
maximale Steckkräfte M1, M2 auf, die mehr als 100 N und
120 N erreichen können. Solche maximalen Steckkräfte
M1, M2 können erfindungsgemäß vermieden werden,
wie insbesondere nachfolgend unter Bezug auf 8 noch dargestellt
werden wird.
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Zunächst
geht jedoch aus 7 hervor, wie durch die Erfindung
die Steckkräfte FS qualitativ beeinflusst werden können. 7 zeigt
dabei die Veränderungen der Steckkräfte FS in
Abhängigkeit von einem Steckweg X beim Einstecken des zweiten
Kupplungsteils 2 in das erste Kupplungsteil 1 im
Vergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem
(Kurve 31/32) und zwei nicht erfindungsgemäßen
Verbindungssystemen (Kurven 31/31 und 32/32).
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Die
Kurvenbezeichnung 31/31 weist dabei darauf hin, dass in
dem ersten nicht erfindungsgemäßen Verbindungssystem
zwei O-Ring-Dichtungen 31 miteinander kombiniert sind,
während die Kurvenbezeichnung 32/32 ausdrückt,
dass in dem zwei ten nicht erfindungsgemäßen Verbindungssystem
zwei Formring-Dichtungen 32 hintereinander angeordnet sind.
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Alle
Kurven zeigen zunächst grundsätzlich einen Anstieg
der Steckkraft FS von einem Wert Null zu Beginn des Einsteckens
auf einen von Null verschiedenen Endwert E. Beim Stecken werden
jeweils zwei lokale Maxima durchlaufen, die mit M1 und M2 bezeichnet
sind und in der Zeichnung zusätzlich – wie auch
die Endwerte E – jeweils noch durch die Indizes 31/31, 31/32, 32/32 der
entsprechenden Kurve gekennzeichnet sind. Die Maxima M1, M2 werden
durch die Deformation der Umfangsdichtungen 31, 32 beim
Eintritt in die Aufnahmeöffnung 6 verursacht,
während ein sich jeweils hinter einem Maximum M1, M2 einstellender
niedriger, bereichsweise etwa konstant bleibender Wert SW (ebenfalls
jeweils entsprechend der Anordnung der Umfangsdichtungen 31, 32 indiziert)
der Steckkraft FS insbesondere ausschließlich durch die
Reibung an der Wand der Aufnahmeöffnung 6 verursacht
wird.
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Der
Endwert E31/31 der Kombination von zwei
O-Ringen 31 liegt am niedrigsten und stellt sich über
den Steckweg X am ehesten ein. Der Endwert E32/32 der
Kombination von zwei Formringen 32 liegt am höchsten und
stellt sich über den Steckweg X zuletzt ein. Der Endwert
E31/32 der erfindungsgemäßen
Kombination liegt dazwischen. Die Maxima M131/31 M131/32, M231/31, welche
auf das jeweilige Stecken des O-Rings 31 zurückzuführen
sind, zeigen sowohl einen steileren Anstieg der Steckkraft FS vor
dem Maximum, als auch einen steileren Abfall nach dem Maximum als
die Maxima M132/32, M231/32 und
M232/32, welche auf das jeweilige Stecken des
Formrings 32 zurückzuführen sind. Dies
ist damit verbunden, dass im verpressten Zustand die axiale Länge
L31 des O-Rings 31 kleiner als
eine axiale Länge L32 des Formrings 32 ist.
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Da
sowohl bei der Kombination von zwei O-Ringen 31 als auch
bei der erfindungsgemäßen Kombination, bei der
auf dem Schaft 5 in Steckrichtung Z gesehen vorn ein O-Ring 31 sitzt,
dieser zuerst in die Aufnahmeöffnung 6 gelangt,
ist der Kurvenverlauf der beiden Kombinationen zunächst
bei Durchlauf des ersten Maximums M1 bis zum Ein tritt der zweiten
Umfangsdichtung – entweder dem zweiten O-Ring 31 oder
erfindungsgemäß dem Formring 32 – kongruent.
Bei Einstellung des zweiten Maximums M2 beginnen dann die Kurvenverläufe
voneinander abzuweichen, wobei die jeweiligen Maxima M231/31 und
M231/32 etwa den gleichen Spitzenwert erreichen,
sich dieser aber bei der erfindungsgemäßen Kombination
erst nach einem längeren Steckweg X einstellt.
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Bei
der Kombination von zwei Formringen 32 tritt schon das
erste Maximum M132/32 erst bei einem längeren
Steckweg X ein als das Maximum M1 bei den beiden anderen Kombinationen.
Gleichartig verhält es sich mit dem zweiten Maximum M232/32. Dieses tritt erst bei einem längeren
Steckweg X ein als bei einer erfindungsgemäßen
Kombination.
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Die
verschiedenen in 8 für die Erfindung
quantitativ dargestellten, qualitativ mit denen in 7 übereinstimmenden
Kurvenverläufe der Abhängigkeit der Steckkraft
FS vom Steckweg, veranschaulichen folgende bevorzugte technische
Merkmale:
- – Bei einem Einstecken des
zweiten Kupplungsteils 2 in die Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteils 1 entlang der Achse X-X sollte die
maximale Steckkraft M131/32 beim Stecken
des O-Rings 31 nicht größer als, bevorzugt
genauso groß wie die maximale Steckkraft M231/32 beim
Stecken des Formrings 32 sein.
- – Bei einem solchen Einstecken sollte die maximale
Steckkraft M231/32 beim Stecken des Formrings 32 um maximal
20 Prozent von der maximalen Steckkraft M131/32 beim
Stecken des O-Rings 31 abweichen.
- – Bei einem solchen Einstecken kann die maximale Steckkraft
M231/32 beim Stecken des Formrings 32 und die
maximalen Steckkraft M131/32 beim Stecken
des O-Rings 31 jeweils im Bereich von 40 bis 100 N liegen.
- – Beim Einstecken entlang der Achse X-X sollte eine
Stecklänge SL31, über
die die Steckkraft FS größer als die Hälfte
der maximalen Steckkraft M131/32 ist, beim
Stecken des O-Rings 31 im Bereich von 1 bis 2 mm liegen.
- – Beim Einstecken entlang der Achse X-X sollte eine
Stecklänge SL32, über
die die Steckkraft FS größer als die Hälfte
der maximalen Steckkraft M231/32 ist, beim
Stecken des Formrings 32 im Bereich von 3 bis 5 mm liegen.
- – Beim Einstecken entlang der Achse X-X kann die Stecklänge
SL32, über die die Steckkraft FS
größer als die Hälfte der maximalen Steckkraft
M1, M2 ist, beim Stecken des Formrings 32 bevorzugt 2 bis
4 Mal so groß sein wie die entsprechende Stecklänge
SL31 beim Stecken des O-Rings 31.
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Durch
diese bevorzugten Merkmale, insbesondere dadurch, dass die maximalen
Steckkräfte M1 und M2 etwa gleich groß sind, wird
eine technische Lösung für den Zielkonflikt herbeigeführt,
der sich daraus ergibt, dass die Umfangsdichtungen 31, 32 einerseits
stark verpresst, also komprimiert, werden sollen, was mit hohen maximalen
Steckkräften M1, M2 verbunden ist, anderseits aber die
maximalen Steckkräfte M1, M2 klein sein sollen, damit die
Montagefreundlichkeit gewährleistet ist.
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So
könnte z. B. für die in 8 dargestellten
Kurvenverläufe ein bevorzugter Zielwert für beide
Maxima M131/32, M231/32 der
Steckkraft FS übereinstimmend bei etwa 90 N liegen. Wenn
die Steckkraft FS für den O-Ring 31 bereits auf
ein Maximum M131/32 von etwa 90 N eingestellt
ist, ergäbe sich eine geringere Dichtheit, wenn der Formring 32 auf
eine geringere maximale Steckkraft M231/32,
z. B. auf 50 N, eingestellt würde. Eine solche Einstellung
ist daher nicht anzustreben.
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Wie
bei der Erläuterung der Kurvenverläufe anhand
der 7 ausgeführt wurde, stellt die erste
Umfangsdichtung (8: O-Ring 31), die
verpresst wird, einen Sockelwert SW bereit, welcher der erwähnte,
jeweils hinter dem ersten Maximum M1 liegende niedrige, bereichsweise
etwa konstant bleibender Wert der Steckkraft FS ist. Dieser Wert
SW – bzw. SW31/32 gemäß 8 – kann
beispielsweise bevorzugt bei etwa 15 N liegen. Zu diesem Sockelwert
addiert sich die Komponente der Steckkraft FS, die durch die zweite
Umfangsdichtung (8: Formring 32) entsteht.
Der Spitzenwert M2 sollte also den Spitzenwert M1 unter Berücksichtigung
des Sockelwertes SW nicht übersteigen. Wenn die Maxima
M1 und M2 etwa bei dem gleichen Wert, z. B. von 90 N, liegen sollen,
so bedeutet dies, dass unter Berücksichtigung des Sockelwertes
SW die Komponente der Steckkraft FS, die durch die zweite Umfangsdichtung
(8: Formring 32) entsteht, um etwa 20% kleiner
sein sollte, als der Wert der maximalen Steckkraft M1 der ersten
Umfangsdichtung (8: O-Ring 31). Das
ist, wie 7 zeigt, nur dann der Fall,
sofern zuerst der O-Ring 31 montiert wird. Ein zuerst montierter Formring 32 schafft
einen vergleichsweise höheren Sockelwert (vgl. 7:
SW32/32). Damit wäre bei gleicher Dimensionierung
der Umfangsdichtungen 31, 32 und der ihnen zugeordneten
Nutabschnitte 41, 42 eine umgekehrte Montagefolge – also
zuerst der Formring 32, dann der O-Ring 31 – als
technische Lösung für den o. g. Zielkonflikt nicht
praktikabel.
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Auch
die Dimensionierung der Längen SL31 und
SL32 dient dem Ziel, die maximalen Steckkräfte
M1, M2 etwa in gleicher Größe einzustellen, wobei
sich das o. g. Verhältnis der Längen SL31 und SL32 in Bezug
auf beide Umfangsdichtungen 31, 32 als Optimum
im Hinblick auf gleichzeitig möglichst hohe Dichtheit und
möglichst geringe maximale Steckkraft M1, M2 ergibt. Die
Dimensionierung trägt dabei der Tatsache Rechnung, dass
sich aufgrund der erfindungsgemäßen Dimensionierung
des Formrings 32 infolge der größeren
verpressten Umfangsfläche ein höherer reibungsbedingter
Sockelwert SW einstellt als beim O-Ring 31. Wird die Länge SL31 vergrößert, so steigt
der Sockelbetrag und der nachfolgende Formring 32 kann
entweder nur weniger stark verpresst werden, oder es muss eine Verkürzung
der Länge SL32 erfolgen.
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Bevorzugte
Eigenschaften des O-Rings
31 und des Formrings
32 sind
der nachstehenden Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1: Eigenschaften der Umfangsdichtungen
31, 32
Eigenschaft | O-Ring 31 | Formring 32 |
Werkstoff | EPDM | HNBR,
EPDM, FKM |
Shore-Härte | 75–95
bevorzugt
85 | 75–85
bevorzugt
75 |
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Entsprechend
seinen Funktionen, Öl und Schmierstoffe vom Formring 32 fernzuhalten
sowie letzteren vor explosiver Dekompression zu schützen,
kann der O-Ring 31 bevorzugt ausgelegt werden und kann
somit eine höhere Ölbeständigkeit und
eine höhere Blasenbildungsbeständigkeit aufweisen
als der Formring 32, wobei der Formring 32 stattdessen
insbesondere eine geringere Permeabilität für
das Fluid aufweisen kann als der O-Ring 31. Für
den Formring 32 können also Permeation, Montagekraft,
Volumenveränderung, Anlagefläche und Vermeidung
einer Intrusion in den Spalt 7 zwischen den Kupplungsteilen 1, 2 als
Auslegungskriterien im Vordergrund stehen.
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Des
Weiteren kann in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung vorgesehen
sein, dass mindestens eine der Umfangsdichtungen 31, 32,
vorzugsweise der O-Ring 31, eine Gleitbeschichtung aufweist,
wie eine als oberste Materialschicht der Umfangsdichtung 31, 32 ausgebildete
Gleitschicht oder wie eine auf die Umfangsdichtung 31, 32 aufgetragene
Fett- oder Ölschicht, die insbesondere aus einem Schmierstoff
gebildet ist, der in dem Fluid enthalten ist. Dadurch werden jeweils
Sockelwert SW, Endwert E und so auch die Werte der Maxima M1, M2 – also
die gesamte Steckkraft-Kurve – gesenkt.
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9 bis 11 zeigen,
dass der Querschnitt Q32 des Formrings 32 im
unverpressten Zustand „knochenartig” nach der
Art eines Quadrings ausgebildet (9) oder „bananenförmig” gekrümmt
sein kann. Auch eine elliptische Ausbildung wäre möglich.
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Bei
der in 10 und 11 gezeigten, „bananenförmigen” Ausführung
des Formrings 32 kann der Querschnitt Q32 der
unverpressten Umfangsdichtung 32 in der Grundgestalt als
ein Rechteck aufgefasst werden, welches jedoch tonnenartig nach
außen gewölbt ist. Dabei ist ein erster Krümmungsradius
für die äußere, konvex gewölbte
Längsseite und ein zweiter Krümmungsradius für
die innere, konkav gewölbte Längsseite vorgesehen.
Die konkave Verwölbung der inneren Längsseite
führt im montierten Zustand der Umfangsdichtung auf dem
zweiten Kupplungsteil 2 und auch später nach dem
Stecken in das erste Kupplungsteil 1 sowie unter Betriebsbedingungen
vorteilhafterweise zu einer Verringerung der Reibung zwischen dem
Formring 32 und Nutgrund 42c, weil die durch die
Deformation des solchermaßen geformten Formrings 32 entstehenden Eigenspannungen
die Vorpresskraft FV im mittleren Bereich
der inneren Längsseite herabsetzen. Der erste Krümmungsradius
für die äußere, konvex gewölbte
Längsseite kann dabei mit Vorteil geringfügig – etwa
0,4 bis 1,6 mm – größer sein als der
zweite Krümmungsradius für die innere, konkav
gewölbte Längsseite, so dass die konvexe Krümmung
flacher verläuft als die konkave Krümmung. Durch
die Wahl der Krümmungen der Längsseiten des Querschnitts
des Formrings 32 kann mit Vorteil über den jeweiligen
Verlauf der Längsseiten eine variable vorherbestimmte Pressungsverteilung
eingestellt werden. Für die Querseiten des Dichtungsquerschnitts
Q32 ist keine Wölbung, sondern
ein ebener Verlauf vorgesehen. Die Übergänge von
den Längs- zu den Querseiten sind jeweils verrundet.
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Bei
der in 9 gezeigten, „knochenartigen” Ausführung
des Formrings 32 liegen die Verhältnisse ähnlich
wie bei der „bananenförimgen” Ausführung.
Auch hier kann der Querschnitt Q32 der unverpressten
Umfangsdichtung 32 in der Grundgestalt als ein Rechteck
aufgefasst werden, welches gewölbt ist, wobei für
die Wölbungen ein erster und ein zweiter Krümmungsradius
vorgesehen sind. Allerdings ist hier die Wölbung sowohl
für innere äußere Längsseite,
als auch für die äußere Längsseite
jeweils konkav.
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Durch
die Knochenform und Bananenform können Druckerhöhungen
erzeugt werden, die sich in einer Erhöhung des Wertes des
Maximums M231/32 bzw. insbesondere in einer
zonenweisen Druckerhöhung idealerweise im Bereich der Gaskontaktfläche
ausdrücken können. So kann beispielsweise eine
Breite BM2 des dem Maximum M231/32 zugehörigen
Peaks der Verlaufskurve der Steckkraft FS verändert werden.
In 7 ist diese Breite BM2 eingezeichnet
und ein auf die spezielle Formringgeometrie zurückzuführender
Absatz in der Verlaufskurve mit dem Bezugszeichen AM2 gekennzeichnet.
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10 zeigt
dabei eine Ausführung, bei der der erste Nutbereich 41 und
der zweite Nutbereich 42 durch einen axial beweglichen
Nutteiler 9 voneinander getrennt sind, auf dem sich der
radial umlaufende Steg 8 befindet. Die Längen
L41, L42 der beiden
Nutbereiche 41, 42 sind dadurch mit Vorteil veränderlich
gestaltet.
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Bei
der Ausführung gemäß 11 ist
der Schaft 5 des einsteckbaren Kupplungsteils 2 aus
einem äußeren spanlos umgeformten Rohr 5a und
einer konzentrisch darin angeordneten an der Innenwand des Rohres 5a zumindest
bereichsweise anliegenden Hülse 5b gebildet. Rohr 5a und
Hülse 5b können – wie dargestellt – durch
Verstemmungen ST miteinander verbunden sein. Das Rohr 5a bildet
mit seiner verformten Wandung den ersten Nutbereich 41,
den zweiten Nutbereich 42 und den dazwischen liegenden
radial umlaufenden Steg 8 aus, der die Nutbereiche 41, 42 als
separate Nuten 41, 42 voneinander trennt. Ebenso
sind auch der im zweiten Nutbereich 42 bzw. der zweiten
Nut 42 liegende Sitzabschnitt S und der Kompensationsabschnitt K
durch die Wandkonturierung gebildet. Stattdessen besitzt die innere
Hülse 5b einen rohrförmigen unverformten
Querschnitt mit im gleichbleibendem Durchmesser und eine glatte
Wand. Dadurch werden Strömungsverluste, die durch die Durchmessererweiterungen
und -zusammenschnürungen des äußeren
Rohres 5a auftreten könnten, vermieden. Die innere
Hülse 5b kann, insbesondere im Sinne einer verbesserten
thermischen Isola tion, aus Kunststoff bestehen, während
das äußere Rohr 5a bevorzugt aus Metall
gefertigt ist. Wie dargestellt kann die innere Hülse 5b an
ihrem in Steckrichtung Z liegenden Ende das Ende des äußeren
Rohres 5a umfassen und dabei die in Steckrichtung Z gerichtete
Nutflanke 41b der Nut 41 für den O-Ring 31 ausbilden.
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Auch
bei der Ausführung gemäß 12 ist
der Schaft 5 des einsteckbaren Kupplungsteils 2 zweiteilig ausgebildet,
wobei ein Teil durch ein spanlos umgeformtes Rohr 5c gebildet
ist. Im Gegensatz zu der Ausführung in 11 befindet
sich hier jedoch das spanlos umgeformte Rohr 5c innen und
wird außen von einem Mantelstück 5d umgeben,
das wiederum außenseitig den zweiten Nutbereich 42 mit
Sitzabschnitt S und Kompensationsabschnitt K sowie den zwischen
den Nutbereichen 41, 42 liegenden radial umlaufenden
Steg 8 ausbildet. Der Nutgrund 41a des ersten
Nutbereiches 41 wird durch das Rohr 5c gebildet.
Beide Teile 5c, 5d können miteinander
verschweißt oder verlötet sein, wobei insbesondere
auf eine gasdichte Ausführung geachtet werden muss. Das
innere Rohr 5c ist nur in zwei Wandbereichen U1, U2 und
an seinem Ende U3 umgeformt und ist glattwandig. Dadurch werden
auch hier Strömungsverluste durch etwaige Turbulenzen im
Wandbereich klein gehalten. Der radial nach außen aufgeweitete
Umformbereich U3 am Rohrende kann zur Aufnahme eines ringförmigen
Abschlusselementes 10, dienen, welches die in Steckrichtung
Z gerichtete Nutflanke 41b der Nut 41 für
den O-Ring 31 ausbildet.
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13 und 14,
die einen Zwischen-Montagezustand und den (End-)Montagezustand eines
erfindungsgemäßen Verbindungssystems in einer
achten Ausführung darstellen, veranschaulichen, dass die
Aufnahmeöffnung 6 des ersten Kupplungsteils 1 über
einen Einsteckweg X6 der auf dem Schaft 5 vormontierten Umfangsdichtungen 31, 32 zur
Erleichterung des Einsteckens eine Durchmesserstufung D6A,
D6B, D6C aufweisen
kann. Insbesondere ist dabei in der dargestellten Ausführung
vorgesehen, dass die Aufnahmeöffnung 6 des ersten
Kupplungsteils 1 – von ihrem Einsteckende für
die auf dem Schaft 5 vormontierten Umfangsdichtungen 31, 32 ausgehend – hintereinander
liegend einen ersten Abschnitt 6A mit einem ersten Durchmesser D6A, einen zweiten Abschnitt 6B mit
einem zweiten Durchmesser D6B und einen
dritten Abschnitt 6C mit einem dritten Durchmesser D6C aufweist. Die Durchmesser sind über
ihre Abschnitte jeweils konstant. Der erste Durchmesser D6A ist größer als der zweite
Durchmesser D6B, und der zweite Durchmesser
D6B ist größer als der
dritte Durchmesser D6C. Zwischen dem ersten
Abschnitt 6A und dem zweiten Abschnitt 6B sind
dabei ein erster konischer Abschnitt 6K1 und zwischen dem
zweiten Abschnitt 6B und dem dritten Abschnitt 6C ein
zweiter konischer Abschnitt 6K2 angeordnet.
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Aus 3 bis 5 ist
bezüglich der Erleichterung des Einsteckens des Schaftes 5,
auf dem die Umfangsdichtungen 31, 32 vormontiert
sind, zu entnehmen, dass in vorteilhafter Weise die Aufnahmeöffnung 6 des
ersten Kupplungsteils 1 auch einen konusförmig
ausgebildeten Einführabschnitt 6E für
die auf dem Schaft 5 vormontierten Umfangsdichtungen 31, 32 aufweisen
kann.
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Dieser
konusförmig ausgebildete Einführabschnitt 6E in
der Aufnahmeöffnung 6 des ersten Kupplungsteils 1 kann
in bevorzugter Ausführung vom Einsteckende für
die auf dem Schaft 5 vormontierten Umfangsdichtungen 31, 32 ausgehend
hintereinander liegend mehrere, insbesondere drei, Teilabschnitte 6F, 6G, 6H aufweisen.
Dabei kann – in Steckrichtung Z gesehen – ein
aus Wandung W des Kupplungsteils 1 und der Achse X-X der
Aufnahmeöffnung 6 gebildeter Spitzenwinkel μF
des ersten Teilabschnitts 6F größer sein
als ein entsprechender Spitzenwinkel μG des zweiten Teilabschnitts 6G und
der Spitzenwinkel μG des zweiten Teilabschnitts 6G größer
als der entsprechende Spitzenwinkel μH des dritten Konusabschnitts 6H.
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Im
Zusammenhang mit den Ausführungen zu 1 war
bereits erwähnt worden, dass der zweite Nutbereich 42 derart
geometrisch gestaltet sein kann, dass sich der Querschnitt QK des Kompensationsabschnittes K, zumindest über
eine definierte axiale Länge hinweg, in Richtung Z des
axialen Einsteckens des einen Kupplungsteils 2 in die Aufnahmeöffnung 6 des
anderen Kupplungsteiles 1 im Längsschnitt gesehen
in radialer Richtung stetig und/oder sprungartig gegenüber
dem Querschnitt QS des Sitzab schnittes S
verringern kann. Hierzu zeigen die Ausführungen in 16 bis 18 weitere
mögliche Gestaltungsvarianten. Durch diese geometrischen
Gestaltungsvarianten kann sowohl die Vorpresskraft FV32,
als auch der Verlauf der Steckkraft FS (X) (vgl. 7 und 8)
unter jeweils unterschiedlichem Aspekt in optimaler Weise modifiziert
werden.
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16 zeigt
dabei, dass – wie in der ersten Ausführung – im
Kompensationsabschnitt K über eine definierte axiale Länge
LKa hinweg, eine in Richtung Z des axialen
Einsteckens des einen Kupplungsteils 2 in die Aufnahmeöffnung 6 des
anderen Kupplungsteiles radial nach außen verlaufende Schrägfläche 42b ausgebildet
ist. Zusätzlich ist bei dieser Ausführung jedoch
auch in komplementärer Weise vorgesehen, dass über
diese axiale Länge LKa hinweg,
eine in Richtung Z des axialen Einsteckens Z radial nach innen verlaufende Schrägfläche 42d an
dem Kupplungsteil 1 ausgebildet ist, in das der Schaft 5 eingesteckt
wird. Dadurch wird mit Vorteil ein keilförmiges, beidseitiges,
gegenüber der ersten Ausführung verstärktes
Zusammendrücken des Formrings 32 mit Zunahme der
lokalen Verpressung und Vorpresskraft FV32 erreicht.
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In
der Ausführung gemäß 17 ist
vorgesehen, dass der Kompensationsabschnitt K und der Sitzabschnitt
S des zweiten Nutbereiches 42 einen gemeinsamen ebenen
Nutgrund 42c aufweisen. Hierbei ist vorgesehen, dass sich
der Querschnitt QK des Kompensationsabschnittes
K in Richtung Z des axialen Einsteckens des einen Kupplungsteils 2 in
die Aufnahmeöffnung 6 des anderen Kupplungsteiles 1 im
Längsschnitt gesehen in radialer Richtung dadurch sprungartig
gegenüber dem Querschnitt QS des
Sitzabschnittes S verringert, dass an dem Kupplungsteil 1,
in das der Schaft 5 eingesteckt wird, eine radial nach
innen springende Stufe 42e vorgesehen ist.
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Auch 18 zeigt
eine solche Ausbildung im zweiten Nutbereich 42. Hierbei
ist im Gegensatz zu der Ausbildung gemäß 17 vorgesehen,
dass der radial umlaufende Steg 8, welcher den ersten Nutbereich 41 und
den zweiten Nutbereich 42 voneinander trennt, so dass eine
separate erste Nut 41 und eine separate zweite Nut 42 gebildet sind,
sich ebenfalls an dem Kupplungsteil 1, in das der Schaft 5 eingesteckt
wird, befindet. Damit befindet sich die gesamte Nut 4 faktisch
in dem Kupplungsteil 1, in das der Schaft 5 eingesteckt
wird, die jeweiligen Nutgründe 41a und 42c liegen
radial außen, und der Schaft 5 ist gegenüber
den Umfangsdichtungen 31, 32 axial beweglich.
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In
der Ausführung der Erfindung gemäß 19 ist
der zweite Nutbereich 42 derart geometrisch gestaltet,
dass sich der Querschnitt QK des Kompensationsabschnittes
K in Richtung Z des axialen Einsteckens des dargestellten Kupplungsteils 2 in
die Aufnahmeöffnung 6 des anderen Kupplungsteiles 1 im
Längsschnitt gesehen in radialer Richtung über
eine Stufe 42f zunächst sprungartig gegenüber
dem Querschnitt QS des Sitzabschnittes S
verringert. Danach schließt sich ein Bereich an, in dem über
eine radial nach innen verlaufende Schrägfläche 42b eine
stetige Vergrößerung des Querschnitts QK des Kompensationsabschnittes K in Richtung
Z des axialen Einsteckens erfolgt.
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Der
Kompensationsabschnitt K ist in 19 mit
einem größer dargestellten Pfeil markiert, weil
sich die Darstellungen der 20 (20a bis 20c)
jeweils auf diesen markierten Abschnitt beziehen. Aus diesen zeichnerischen
Darstellungen geht hervor, dass die Erfindung nicht auf die vorhergehend
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt
ist, sondern auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen umfasst.
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In
der Ausführung gemäß 20a weist
der Kompensationsabschnitt K über seine gesamte Länge
LK einen ebenen Nutgrund 42c auf,
und sein Querschnitt QK ist – im
Gegensatz zu den Ausführungen in 20b und 20c – über diese Länge
LK hinweg konstant. Zur Gewährleistung
des notwendigen Kompensationsvolumens ist die Länge LK dafür um einen Betrag ΔLK größer als die Länge
LK gemäß den Ausführungen
in 20b und 20c.
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In
der Ausführung gemäß 20b weist
der Kompensationsabschnitt K über seine gesamte Länge
LK eine radial nach innen verlaufende Schrägfläche 42b auf,
wodurch der Querschnitt QK des Kompensationsabschnittes
K über seine gesamte Länge LK hinweg
in Einsteckrichtung Z stetig zunimmt. Die im Zusammenhang mit den
Ausführungen in 1 und 16 erwähnte
Länge LKa, über die sich
die Schrägfläche 42b erstreckt, ist somit
identisch mit der gesamten Länge LK des
Kompensationsabschnittes K.
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In
der Ausführung gemäß 20c ist – ähnlich
wie in der ersten Ausführung – vorgesehen, dass
im Kompensationsabschnitt K über eine Stufe 42g ein
zusätzliches radiales Kompensationsvolumen VR bereitgestellt
wird.
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Bei
der in 21 dargestellten Ausführung
eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems ist
im verpressten Zustand der bereits oben erwähnte mittlere
Ringdurchmesser DM31 des O-Rings 31 – bezogen
auf die Längsachse X-X des Kupplungsteils 2 – größer
als der entsprechende mittlere Ringdurchmesser DM32 des Formrings 32.
Die Mittelpunkte der Querschnitte Q31, Q32, als deren gegenseitiger Abstand diese
mittleren Ringdurchmesser DM31, DM32 ermittelt werden, sind dabei in den Figuren
unbezeichnet. Die maximale Tiefe T41 der
Nut 41, in der sich der O-Ring 31 befindet, ist
kleiner als die maximale Tiefe T42 der Nut 42,
in der sich der Formring 32 befindet. Auch hier ist vorgesehen,
dass der zweite Nutbereich 42, der die Nut 4 für
den Formring bildet, in einen Sitzabschnitt S und in einen Kompensationsabschnitt
K mit kleinerem Querschnitt QK als der Querschnitt
QS des Sitzabschnittes S unterteilt ist,
wobei der Formring 32 im Montage- und Betriebszustand den
Sitzabschnitt S vollständig ausfüllt und in den
Kompensationsabschnitt K hineinragt. Hierbei kann mit Vorteil erreicht
werden, dass eine Kontaktfläche, die als radiale Grenzfläche
GF32 dem Fluid (bei einem Zwischendruck
pZ mit p2 < pZ < p1)
zugewandt ist, im Bereich des Formrings 32 kleiner ist
als eine Kontaktfläche, die als radiale Grenzfläche
GF31 dem Fluid im Bereich des O-Rings 31 beim
Fluiddruck p1 zugewandt ist.
-
Was
insbesondere die Interpretation der 7 und 8 betrifft,
so ist zu beachten, dass die Differenzierung des Verlaufs der Steckkräfte
FS und die Ausbildung von deren Maxima im Hinblick auf ihre Abhängigkeit
von O-Ring 31 und Formring 32 nicht derart misszuverstehen
ist, dass die verschiedenen Kraftkomponenten völlig einzeln
und unabhängig voneinander auftreten. Es ist so, dass,
wenn z. B. erfindungsgemäß zunächst der
O-Ring 31 verpresst wird, die bereits vorhandenen Kräfte
anschließend als eine Art Grundlast den Steckvorgang des
Formrings 32 überlagern. D. h., wenn der Formring 32 verpresst
wird, so treten zwar primär Steckkraftkomponenten durch
den Formring 32 auf, aber gleichzeitig auch Steckkraftkomponenten,
vor allem Reibungskräfte, durch den O-Ring 31.
-
Die
Erfindung ist bislang noch nicht auf die im Anspruch 1 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 unabhängigen
Anspruchs weggelassen bzw. 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.
-
- 1
- erstes
Kupplungsteil (Gehäuseteil)
- 2
- zweites
Kupplungsteil (Steckerteil)
- 31
- Umfangsdichtung,
O-Ring
- 32
- Umfangsdichtung,
Formring
- 4
- Nut
für 31, 32
- 41
- Nutabschnitt
für 31 von 4
- 41a
- Nutgrund
von 41
- 41b
- Nutflanke
von 41 (in Z gerichtet)
- 42c
- Nutgrund
von 42
- 42
- Nutabschnitt
für 32 von 4
- 42a
- Nutflanke
von 42 (gegenüber K)
- 42b
- Schrägfläche
von 42 in 2
- 42c
- Nutgrund
von 42
- 42e
- Stufe
von 42 in 1 (radial einwärts in Z)
- 42f
- Stufe
von 42 in 2 (radial einwärts in Z)
- 42g
- Stufe
von 42 in 2 (radial auswärts in Z)
- 5
- Schaft
von 2
- 5a
- äußeres
Rohr von 5 (11)
- 5b
- innere
Hülse von 5 in 5a (11)
- 5c
- inneres
Rohr von 5 (12)
- 5d
- äußerer
Mantel von 5 um 5c
- 6
- Aufnahmeöffnung
von 1
- 6A
- Abschnitt
in 6 mit erstem Durchmesser D6A
- 6B
- Abschnitt
in 6 mit zweitem Durchmesser D6B
- 6C
- Abschnitt
in 6 mit drittem Durchmesser D6C
- 6E
- konischer
Einführabschnitt von 6 für 2
- 6F
- erster
Teilabschnitt von 6E
- 6G
- zweiter
Teilabschnitt von 6E
- 6H
- dritter
Teilabschnitt von 6E
- 6K1
- erster
konischer Abschnitt zwischen 6A und 6B
- 6K2
- zweiter
konischer Abschnitt zwischen 6B und 6C
- 7
- Spalt
zwischen 1 und 2
- 8
- Steg
zwischen 41 und 42
- 9
- Nutteiler
zwischen 41 und 42
- 10
- Abschlusselement
(12)
- AM2
- Absatz
in FS(X) im Peak von M231/32
- AR32
- verpresster
radialer Querschnitt von 32 in 42
- AR32K
- verpresster
radialer Querschnitt von 32 in K
- AR32S
- verpresster
radialer Querschnitt von 32 in S
- B32
- Breite
von 32 (unverpresst), axiale Hauptabmessung
- BM2
- Breite
des Peaks von M231/32 in FS(X)
- DM31
- mittlerer
Durchmesser von 31
- DM32
- mittlerer
Durchmesser von 32
- D6A
- erster
Durchmesser von 6, in 6A von X6
- D6B
- zweiter
Durchmesser von 6, in 6B von X6
- D6C
- dritter
Durchmesser von 6, in 6C von X6
- E
- Endwert
der Kurven FS(X) (allgemein)
- E31/31
- Endwert
von FS(X) – Kombination 31/31
- E31/32
- Endwert
von FS(X) – Kombination 31/31
- E32/32
- Endwert
von FS(X) – Kombination 31/31
- FA31
- erste
axiale Anlagefläche von 31
- FA32
- erste
axiale Anlagefläche von 32
- FB31
- zweite
axiale Anlagefläche von 31
- FB32
- zweite
axiale Anlagefläche von 32
- FG
- Füllgrad
von 4, 41, 42 (allgemein)
- FS
- Steckkraft
(allgemein)
- FV
- Vorpresskraft
(allgemein)
- FV31
- Vorpresskraft
von 31
- FV32
- Vorpresskraft
von 32
- GF31
- fluidseitige
Grenzfläche von 31 (21)
- GF32
- fluidseitige
Grenzfläche von 32 (21)
- K
- Kompensationsabschnitt
von 42
- L31
- Länge
von 31 (verpresst)
- L32
- Länge
von 32 (verpresst)
- L41
- Länge
von 41
- L42
- Länge
von 42
- LK
- Länge
von K
- LKa
- Länge
von 42b
- LS
- Länge
von S
- M1
- erstes
Maximum der Kurven FS(X) (allgemein)
- M131/31
- erstes
Maximum von FS(X) – Kombination 31/31
- M131/32
- erstes
Maximum von FS(X) – Kombination 31/32
- M132/32
- erstes
Maximum von FS(X) – Kombination 32/32
- M2
- zweites
Maximum der Kurven FS(X) (allgemein)
- M231/31
- zweites
Maximum von FS(X) – Kombination 31/31
- M231/32
- zweites
Maximum von FS(X) – Kombination 31/32
- M232/32
- zweites
Maximum von FS(X) – Kombination 32/32
- p1
- hoher
Fluiddruck
- p2
- niedriger
Druck (Vergleichsdruck, Atmosphäre)
- pZ
- Zwischendruck
- Q41
- Querschnitt
von 41
- Q42
- Querschnitt
von 42
- QK
- Querschnitt
von K
- QS
- Querschnitt
von S
- S
- Sitzabschnitt
von 42
- s31
- Schnurstärke
von 31 (unverpresst), radiale Hauptabmessung
- SL31
- Stecklänge
von 31
- SL32
- Stecklänge
von 32
- SW
- Sockelwert
der Kurven FS(X) zwischen M1 und M2 (allgemein)
- SW31/31
- Sockelwert
von FS(X) – Kombination 31/31
- SW31/32
- Sockelwert
von FS(X) – Kombination 31/32
- SW32/32
- Sockelwert
von FS(X) – Kombination 32/32
- T41
- maximale
Tiefe von 41
- T42
- maximale
Tiefe von 42
- VR
- radiales
Kompensationsvolumen in K
- W
- Wandung
von 1 (15)
- X
- Steckweg
von 2 (laufende Koordinate)
- X6
- Einsteckweg
von 2 in 1 bzw. 5 in 6
- X-X
- Längsachse
von 1, 2
- Z
- Einsteckrichtung
von 2 in 1
- ΔLK
- Differenz
von LK gemäß 20b, 20c zu 20a
- μ
- Reibungszahl
- μF
- Winkel
zwischen X-X und W in 6F
- μG
- Winkel
zwischen X-X und W in 6G
- μH
- Winkel
zwischen X-X und W in 6H
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1052443
B1 [0002]
- - DE 60007219 T2 [0002]