DE102015121811A1

DE102015121811A1 - Profilierter Ring und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015121811A1
Application number: DE102015121811.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Haßler; Lutz Thilo; Xiaobing Yu; Patricia Modl; Albert Lennerth; Peter Braun
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2017-07-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen profilierten Ring, insbesondere einen Profildichtring, wie er beispielsweise in C-, V- oder U-Querschnittsform oder als sog. Falten- oder Federbalg hergestellt und zum Einsatz zwischen Verbindungselementen eines fluidführenden Systems zur Abdichtung insbesondere im Bereich einer Flanschverbindung ausgebildet ist, und ein Herstellungsverfahren für einen profilierten Ring. Um eine Verbesserung zur Erzielung einer deutlich erhöhten Dichtigkeit eines profilierten Rings in einer Einbaulage im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung bzw. einem sog. Abdrücktest sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen derartig verbesserten profilierten Ring zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Profildichtung (3) mindestens an einem Bereich, der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement (1) eines fluidführenden Systems bildet, mit einer elastischen Beschichtung (7) versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen profilierten Ring, insbesondere einen Profildichtring, wie er beispielsweise in C-, V- oder U-Querschnittsform oder als sog. Falten- oder Federbalg hergestellt und zum Einsatz zwischen Verbindungselementen eines fluidführenden Systems zur Abdichtung insbesondere im Bereich einer Flanschverbindung ausgebildet ist, und ein Herstellungsverfahren für einen profilierten Ring.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Bauformen derartiger Dichtungen bekannt, die als im Wesentlichen rotationsförmig geschlossener Ring aus einem Metallblech hergestellt werden. Herstellverfahren für derartige Dichtungen sind u.a. bekannt aus der WO 2011/113954 A1 , DE 102009033135 A1 , DE 19755391 A1 , DE 102004060845 A1 , DE 102006045584 A1 , DE 102009033135 A1 , EP 2020541 B1 und GB 1369312 A .
Bei der Montage in fluidführenden Systemen, wie beispielsweise einer Rohrverbindung zwischen einem Abgasturbolader in Anbindung an einen in Strömungsrichtung nachgeordneten Katalysator eines Abgasstrangs, tritt regelmäßig das Problem auf, dass eine Profildichtung der genannten Art im Bereich einer Flanschverbindung eingelegt und durch Verschrauben fixiert in einem nachfolgend in einem vergleichsweise kalten Zustand durchgeführten Dichtigkeitstest noch keine soweit ausreichende Dichtigkeit erzielt, die eine sichere Suche nach möglichen anderen bzw. weiteren Undichtigkeitsstellen in dem Abgasstrang erlauben würde.
Es besteht daher die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, eine Verbesserung zur Erzielung einer deutlich erhöhten Dichtigkeit eines profilierten Rings in einer Einbaulage im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung auf Kaltleckagen bzw. bei einem sog. Abdrücktest zu schaffen, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen derartig verbesserten profilierten Ring.
Die vorstehend genannten Druckschriften offenbaren unterschiedliche Ansätze zur Herstellung profilierter Ringe, die vor allem zum Einsatz als Dichtungen in Fluidsystemen vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung basiert im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass profilierte Ringe aufgrund eines Metall-zu-Metall-Kontaktes in den Dichtungsbereichen zumindest direkt nach dem Ein- und Zusammenbau hinsichtlich ihrer Fähigkeit beschränkt sind, eine noch weiter erhöhte Abdichtung zu gewährleisten. Als ein Grund dafür sind die regelmäßig in den Dichtungsbereichen vorzufindenden Oberflächen der beteiligten Bauteile bzw. deren jeweiligen Beschaffenheiten erkannt worden. Schon aus Kostengründen werden hier z.B. an Drehteilen Oberflächen mit Rauigkeiten von ca. 15 μm zumindest aus Kostengründen zugelassen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Profildichtung mindestens an einem Bereich, der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement eines fluidführenden Systems bildet, mit einer elastischen Beschichtung versehen ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement eines fluidführenden Systems bildende Bereich als geschlossene Dichtkante ausgebildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht die elastische Beschichtung aus mindestens einem Kautschuk der Norm DIN/ISO 1629. Dabei werden diese Elastomere gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als solche, oder in einer geschäumten Version zur Bildung einer elastischen Beschichtung verwendet.
Vorteilhafterweise wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Silikonmasse als Elastomer verwendet. Hier muss insbesondere keine extra Haftvermittlerschicht aufgebracht werden, um eine zuverlässige Haftung der Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche des Profilrings zu schaffen. Weiter ist Silikon eines, wenn nicht sogar das weichste Elastomer aus einer nachfolgend noch genannten Liste. Daher wird Silikon schon von daher erfindungsgemäß bevorzugt verwendet, weil es die beste Anpassungsfähigkeit an eine jeweilige Oberfläche aufweist.
Silikonkautschuke sind vorteilhafterweise zudem chemisch so einstellbar, dass sie einen hohen Festkörperanteil haben. Somit können Silikonkautschuke in einem vergleichsweise einfachen Beschichtungsverfahren, wie z.B. einem Walzenauftrag, mit einer Schichtdicke von ungefähr 15 µm ± 5 µm aufgetragen werden. Dieses Ziel kann alternativ auch bei Einsatz von Polyesterurethan bzw. AU und Polyetherurethan bzw. EU im Wesentlichen realisiert werden.
Durch Aufschäumen der Stoffe einer jeweiligen Beschichtung können auch bei nur einer aufgetragenen Schicht höhere Schichtdicken aufgebracht werden.
Ein Herstellungsverfahren baut grundsätzlich auf bekannten Verfahren zur Herstellung von profilierten Ringen bzw. Dichtungsringen aus Metall auf. Ein solches Herstellungsverfahren schließt diesen bekannten Verfahren mindestens einen Schritt zum Aufbringen der Beschichtung an. Der Vorgang der Beschichtung ist als mindestens einmaliges einseitiges Aufwalzen eines Elastomers ausgebildet. Es schließt sich eine Trocknung oder gar ein Vulkanisierungsvorgang mit einer Erhitzung auf ca. 200°C an. In der Regel sind je Profilring in aufeinander folgenden Prozessen insgesamt zwei Beschichtungen aufzutragen, da Beschichtungen an zwei Dichtkanten je Profilring aufzubringen sind. Bei einem Beschichtungsauftrag durch Walzen ist je Prozessschritt nur eine Dichtkante zugänglich.
Durch eine elastische Beschichtung der vorstehend beschriebenen Art für metallische Formringe wird eine Mikroabdichtung wesentlich verbessert und damit eine Kaltleckage insbesondere bei einem Abdrücktest direkt nach einem Zusammenbau eines fluidführenden Systems im Bereich der betreffenden Verbindungselemente deutlich vermindert.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
1a und 1b: einen Schnitt durch eine Flanschverbindung mit einer Ringnut vor und nach einem Zusammenbau über eine angedeutete Schraubverbindung und
2: eine Ausschnittsvergrößerung von 1b.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ausschließlich auf eine Anwendung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Ein Einsatz- und Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird dadurch aber ausdrücklich nicht auf Flanschverbindungen an Heißgasführenden Rohren beschränkt.
1a stellt einen Schnitt durch eine Flanschverbindung 1 mit einer ringförmigen Dichtungsnut bzw. Ringnut 2 dar, wie sie beispielsweise von Abgasablagen bei Kraftfahrzeugen her grundsätzlich bekannt ist. Zur Herstellung einer ausreichenden Dichtigkeit beim Start einer Verbrennungskraftmaschine, aber auch bei Betriebstemperaturen um 1.000°C ist eine V-förmige Profildichtung 3 in der Ringnut 2 der Flanschverbindung 1 zweier nicht weiter dargestellter Rohrstücke angeordnet. Freie Schenkel-Enden 4 der Profildichtung 3 sind nach innen zu einem inneren Druck p_i hin gerichtet, wobei der innere Druck p_i gegenüber einem in einem Außenbereich A herrschenden äußeren Druck p_a im laufenden Betrieb der höhere ist. Über eine nur angedeutete Schraubverbindung wird die skizzierte Flanschverbindung 1 zusammengepresst.
Wie in 1a angedeutet, kann die Flanschverbindung 1 auch zu der Nut bzw. Ringnut 2 korrespondierend eine Feder 5 aufweisen. In jedem Fall wird die Profildichtung 3 in der Ringnut 2 beim Zusammenpressen der Flanschverbindung 1 selber auch deutlich zusammengedrückt. Das Eingreifen einer Feder 5 in die Ringnut 2 würde diese Verformung gegenüber der von 1b tendenziell noch verstärken. In jedem Fall legen sich die freien Schenkel-Enden 4 der Profildichtung 3 an jeweilige Wandungen der Flanschverbindung 1 an. Dabei nimmt eine radiale Länge r_A der Profildichtung 3 in der Ringnut 2 auf eine Länge r_A‘ zu, siehe 1a, 1b mit einem Vergleich der jeweiligen Außenradien im entspannten Zustand sowie nach dem Zusammenbau der Rohrflansch-Verbindung 1 mit r_A > r_A‘. Im Zuge des Zusammenpressens der Flanschverbindung 1 durch nicht weiter dargestellte Schraubverbindungen legen sich die Schenkel-Enden 4 an jeweils angrenzende Bereiche der Flanschverbindung 1 an. Die Schenkel-Enden 4 bilden damit in einem Kontaktbereich eine geschlossene Dichtkante 6 aus, die die eigentliche Dichtungsfunktion ausübt.
Eine z.B. durch Rollieren gebildete Oberfläche der Dichtkante 6 weist eine hohe Oberflächengüte auf. Hingegen ist insbesondere eine Oberflächengüte im Bereich der Ringnut 2 relativ gering, insbesondere dann, wenn die Ringnut 2 durch Drehen in der entsprechenden Hälfte des Flansches 1 hergestellt worden ist. Hier treten regelmäßig Rauigkeiten von ca. 15μm Tiefe auf. Eine Metall-zu-Metall-Dichtung kann auch unter der vorstehend beschriebenen Verspannung zur Ausbildung einer geschlossenen Dichtkante 6 von sich aus nicht in der Lage sein, derartige Rauigkeiten einzuebnen oder in sonstiger Weise abzudichten. Zusätzliche Arbeitsschritte einer Oberflächenbearbeitung zur deutlichen Erhöhung der Oberflächengüte im Bereich der Dichtkante 6, wie z.B. Schlichten, Schleifen oder gar Läppen, sind jedoch zeitaufwändig und verursachen noch zusätzliche Kosten.
Dennoch muss eine Dichtigkeit nach einem Zusammenpressen der Flanschverbindung 1 in einem nicht temperierten Zustand erhöht werden. Andernfalls kann in einem sog. Abpresstest nach dem Zusammenbau eines Abschnitts des gesamten, hier nicht weiter dargestellten fluidführenden Systems in einem kalten Zustand bzw. unter Umgebungstemperatur einer jeweiligen Fertigungsstätte kein ausreichend genauer Rückschluss auf etwaig sonstige Leckagestellen geführt werden. Damit könnten Leckage- und Fehlerstellen übersehen werden, die sogar Risiken in einem späteren Regelbetrieb darstellen können.
Als Abhilfe ist in den Abbildungen der 1a und 1b eine Lösung in Form einer Beschichtung 7 eingezeichnet. Diese Beschichtung 7 ist an den freien Schenkel-Enden 4 der V-förmigen Profildichtung 3 aufgetragen worden, und zwar an beiden Außenbereichen der Profildichtung 3, die die Dichtkanten 6 der Profildichtung 3 bilden.
Die elastische Beschichtung besteht aus mindestens einem Kautschuk der Norm DIN/ISO 1629. Dabei werden diese Elastomere gemäß als solche, oder vorteilhafter Weise auch in einer geschäumten Version zur Bildung einer elastischen Beschichtung 7 verwendet.
Als im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Kautschuke der Norm DIN/ISO 1629 werden u.a. verwendet:

ACM: – Copolymer aus Ethylacrylat oder anderen Acrylaten und einem geringen Anteil eines Monomers, welches die Vulkanisation erleichtert. Dieser Stoff wird üblicherweise als Acrylat-Kautschuk bezeichnet;
AEM: – Copolymer aus Ethylacrylat oder anderen Acrylaten und Ethylen;
EPDM: – Terpolymer aus Ethylen, Propylen und einem Dien mit dem ungesättigten Teil des polymerisierten Diens in der Seitenkette;
NBR: – Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, üblicherweise als Nitril-Kautschuk bezeichnet;
HNBR: – hydrierter NBR mit einem ungesättigten Anteil;
AU: – Polyesterurethan und
EU: – Polyetherurethan.

Vorzugsweise werden aber Stoffe aus der folgenden Gruppe eingesetzt:

FKM: – Fluorkautschuk;
FMQ: – Siliconkautschuk mit Methyl- und Fluor-Gruppen an der Polymerkette;
FVMQ: – Siliconkautschuk mit Methyl-, Vinyl- und Fluor-Gruppen an der Polymerkette;
MQ: – Siliconkautschuk mit ausschließlich Methyl-Gruppen an der Polymerkette, wie Polydimethylsiloxan;
PMQ: – Siliconkautschuk mit Methyl- und Phenyl-Gruppen an der Polymerkette;
PVMQ: – Siliconkautschuk mit Methyl-, Vinyl- und Phenyl-Gruppen an der Polymerkette und
VMQ: – Siliconkautschuk mit Methyl- und Vinyl-Gruppen an der Polymerkette.

Ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl von Elastomeren besteht darin, dass keine separate Haftvermittlerschicht extra aufgebracht werden muss, um eine zuverlässige Haftung der Beschichtung 7 auf einer metallischen Oberfläche des Profilrings 3 im Bereich der Dichtkante 6 zu schaffen. Vorteilhafterweise kommt insbesondere eine Silikonmasse ohne eine derartige Haftvermittlerschicht aus. Weiter ist Silikon eines, wenn nicht sogar das weichste Elastomer aus einer vorstehend genannten Liste. Daher wird Silikon schon von daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet, weil es die beste Anpassungsfähigkeit an eine jeweilige Oberfläche aufweist.
Silikonkautschuke sind vorteilhafterweise zudem chemisch so einzustellen, dass sie einen hohen Festkörperanteil haben und somit in einem einfachen Beschichtungsverfahren, wie z.B. Walzenauftrag, mit der entsprechenden Schichtdicke von ungefähr 15 µm ± 5 µm aufgetragen werden können. Dies kann grundsätzlich auch bei Verwendung von Polyesterurethan bzw. AU oder aus Polyetherurethan bzw. EU anstelle einer Silikonmasse als Elastomer für die Beschichtung 7 realisiert werden.
Die anderen Stoffe können i.d.R. nicht mit demselben Festkörperanteil wie Silikonkautschuke gelöst werden, wodurch ein einfaches Beschichten vergleichsweise schwieriger wird. Insbesondere sind dann mehrere Schritte von Auftrag und Trocknung bzw. Vulkanisierung aufeinander folgend zu durchlaufen, was den Herstellungsprozess verlängert und auch verteuert.
Die Abbildung von 2 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung von 1b. Hier ist ein kleiner Bereich eines freien Schenkel-Endens 4 der Profildichtung 3 stark vergrößert dargestellt, der eine fertigungsbedingt relativ hohe Oberflächengüte aufweist. Demgegenüber weist eine nach dem Zusammenbau angrenzende Oberfläche der Flanschverbindung 1 eine hohe Rauigkeit und somit eine geringe Oberflächengüte auf. Diese Rauigkeit der Oberfläche der Flanschverbindung 1 wird nun durch die Beschichtung 7 mit dem Effekt einer deutlich erhöhten Mikro-Dichtigkeit in einem kalten Zustand nach einem Zusammenbau für einen Abdrücktest im Wesentlichen ausgefüllt. Damit wird bei geringem Mehraufwand in der Fertigung von Profilringen die Möglichkeit einer Leckagesuche mit dem Auffinden fehlerhafter Stellen und Undichtigkeiten als Kaltleckagen durch erfindungsgemäß ausgebildete Profilringe wesentlich verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Flanschverbindung / Verbindungselement
2: Ringnut / ringförmige Dichtungsnut
3: Profilierter Ring / Profildichtring / Profildichtung
4: freies Schenkel-Ende der V-förmigen Profildichtung 3
5: Feder
6: Dichtkante
7: Beschichtung
A: Außenbereich von Flanschverbindung 1
p_i: innerer Betriebsdruck
p_a: in einem Außenbereich A herrschender äußerer Druck
r_A: Außenradius der Profildichtung 3 im entspannten Zustand
r_A‘: Außenradius der Profildichtung 3 nach dem Zusammenbau der Rohrflansch-Verbindung 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/113954 A1 [0002]
DE 102009033135 A1 [0002, 0002]
DE 19755391 A1 [0002]
DE 102004060845 A1 [0002]
DE 102006045584 A1 [0002]
EP 2020541 B1 [0002]
GB 1369312 A [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN/ISO 1629 [0008]
Norm DIN/ISO 1629 [0023]
Norm DIN/ISO 1629 [0024]

Claims

Profilierter Ring, insbesondere ein Profildichtring, wie er in C-, V- oder U-Querschnittsform oder als sog. Falten- oder Federbalg hergestellt und zum Einsatz zwischen Verbindungselementen eines fluidführenden Systems zur Abdichtung insbesondere im Bereich einer Flanschverbindung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Ring (3) mindestens an einem Bereich, der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement (1) eines fluidführenden Systems bildet, mit einer elastischen Beschichtung (7) versehen ist.
Profilierter Ring nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement (1) eines fluidführenden Systems bildende Bereich als geschlossene Dichtkante (6) ausgebildet ist.
Profilierter Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Beschichtung (7) aus mindestens einem Kautschuk der Norm DIN/ISO 1629 besteht.
Profilierter Ring nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer in einer geschäumten Version zur Bildung einer elastischen Beschichtung vorgesehen ist.
Profilierter Ring nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer eine Silikonmasse ist, oder aus Polyesterurethan bzw. AU oder aus Polyetherurethan bzw. EU besteht.
Verfahren zur Herstellung eines profilierten Rings, insbesondere einen Profildichtring mit C-, V- oder U-Querschnittsform oder eines Falten- oder Federbalgs, der zwischen Verbindungselementen eines fluidführenden Systems zur Abdichtung insbesondere im Bereich einer Flanschverbindung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Ring (3) mindestens an einem Bereich, der in einer Einbaulage einen Dichtbereich in Kontakt mit einem Verbindungselement (1) eines fluidführenden Systems bilden, mit einer elastischen Beschichtung (7) versehen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) auf dem profilierten Ring (3) durch einen Walzenauftrag aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) mit einer Schichtdicke von ungefähr 15 µm ± 5 µm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (7) geschäumt wird, wobei als Elastomer vorzugsweise eine Silikonmasse, Polyesterurethan bzw. AU oder Polyetherurethan bzw. EU verwendet wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Aufbringen der Beschichtung (7) ein Schritt der Trocknung und/oder des Vulkanisierens anschließt.