DE10256489A1

DE10256489A1 - Flache metallische S-Dichtung

Info

Publication number: DE10256489A1
Application number: DE10256489A
Authority: DE
Inventors: John Loyd Spence; Stephen B Rowland
Original assignee: PerkinElmer Inc
Current assignee: Revvity Inc
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2003-07-03
Also published as: JP4440530B2; US20030107188A1; GB2382851A; SG103370A1; FR2833333A1; FR2833333B1; GB2382851B; GB0227834D0; JP2003185021A; US7004478B2

Abstract

Es ist eine metallische Dichtung vorgesehen, welche die verfügbare Last auf ein schmales Band konzentriert, um einen Dichtungsdamm über eine ausreichende Breite zu erzeugen, um eine Leakage auf einem Molekularniveau zu minimieren. Die metallische Dichtung hat einen ersten ringartigen Endabschnitt mit einer ersten ringartigen Dichtungsfläche, einen zweiten ringartigen Endabschnitt mit einer zweiten ringartigen Dichtungsfläche und einen ringartigen Mittelabschnitt, welcher zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Endabschnitt verläuft, um einen Ring mit einem Mitteldurchgang mit einer Mittellängsachse zu bilden. Der dritte ringartige Abschnitt ist ein kegelstumpfartiges Rohr, wobei der erste und der zweite ringartige Endabschnitt angrenzend angeordnet sind an gegenüberliegenden Enden des ringartigen Mittelabschnitts, so dass Dichtungslasten, angewandt im Wesentlichen senkrecht auf die erste und die zweite ringartige Dichtungsfläche, primär verformen infolge einer Torsionsbeanspruchung der metallischen Dichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine metallische Dichtung zum Erzeugen einer Dichtung zwischen einem Paar von Elementen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Dichtung, welche eine hoch zuverlässige Dichtung vorsieht durch Konzentrieren der verfügbaren Last auf ein schmales Band (kleine Dichtungsfläche entspricht großer Kontaktbeanspruchung) zum Erzeugen eines Dichtungsdamms von hoher Qualität auf einer ausreichenden Breite, um eine Leakage (bzw. ein unerwünschtes Austreten) auf einem Molekularniveau zu minimieren.
Eine typische statische Dichtungsanordnung hat ein erstes Element mit einer ersten Passfläche, eine Ringdichtung von geeignetem Dichtungsmaterial (beispielsweise ein metallener "O"- Ring), und ein zweites Element mit einer zweiten Passfläche. Eine mechanische Last wird aufgebracht auf die Dichtung durch die erste und die zweite Passfläche der Elemente. Typischerweise wird die mechanische Last erzeugt durch ein Abwärtsdrehen einer Vielzahl von Befestigungsvorrichtungen, so dass eine Verschiebung, ebenfalls bekannt als Kompression, zwischen den Dichtungsflächen auftritt. Die Nettolast der Kontaktflächen erzeugt die beiden Dichtungsdämme.
Die Niedrigleakageanforderung kann erreicht werden durch Komprimieren eines massiven Metallrings von rechteckigem Querschnitt mit ausreichender Kraft. Ein Problem bei einem massiven Metallring ist, dass die erzeugte Kraft von ausreichender Größe sein könnte, um eine plastische Verformung der Passflächen der Elemente zu bewirken. Diese plastische Verformung der Passfläche wird als Eindrücken bezeichnet. Sobald eine Eindrückung vorhanden ist, ist die Wahrscheinlichkeit eines richtigen erneuten Dichtens drastisch verringert, wenn die beschädigten Dichtungsflächen nicht zuerst repariert werden.
Die Gestaltungsanforderungen für ein statisches Dichten erfordern daher ein optimales Lastniveau und Flexibilität. Eine gute statische Dichtung muss, wenn sie zusammengedrückt wird, in der Lage sein, Lastniveaus zu erzeugen, welche groß genug sind, um zu dichten, welche jedoch nicht groß genug sind, um die Hohlraumflächen einzudrücken. Derzeit existieren viele Typen von metallischen Dichtungen im Stand der Technik.
Die metallischen "O"-Ringe stellten eine frühe Lösung dar, um diesen problematischen Gestaltungsanforderungen zu begegnen. Jedoch ist die Elastizität dieses Typs von Dichtung eher begrenzt, da der "O"-Ring, ob massiv oder hohl, gewöhnlich zu steif ist und in sich teuer ist. Die Entwicklung der C-förmigen Dichtung war eine Verbesserung des "O"-Rings. Insbesondere durch einfaches Weglassen eines Abschnitts des "O" wird die Reifhalt der Dichtung stark verringert, und die Dichtung wird flexibler. Jedoch können die Basis-"C"-Dichtungen typischerweise nicht das gewünschte Standardvakuumniveau von 1 × 10e^-9 cc/sec He Leakagerate erreichen, zumindest nicht ohne Modifikation und ohne Beschichtung mit sehr weichen Beschichtungsmaterialien. Einige frühere C-förmige Dichtungen wurden gestaltet, um dieses Niveau von Dichtungsintegrität zu liefern.
Zusätzlich zu den typischen "C"-Dichtungen umfassen andere frühere Dichtungen federerregte "C"-Dichtungen, federerregte "C"-Dichtungen mit Dreieckmerkmal (Deltadichtung), verformbare metallische Flachdichtungen, "E"-Dichtungen mit einer oder mehreren Faltungen. Manche dieser früheren Gestaltungen können das Niveau von Dichtungsintegrität liefern, welches durch die offenbarte Vorrichtung geliefert wird, bei vergleichbaren Lastniveaus oder physischen Einschränkungen.

Beispiele dieser früheren Dichtungsringe sind offenbart im US- Patent Nr. 4 813 692 und im US-Patent Nr. 4 854 600. Jedoch richten. sich die Dichtungen dieser beiden Patente an halbdynamische Anwendungen, wo die beiden Dichtungsflächen sich relativ zueinander bewegen. Diese Patente sind verknüpft mit größeren Querschnitten, und das Verfahren einer Verformung verwendet sowohl Axialbiegung als auch Torsion.

Vor diesem Hintergrund wird Fachleuten auf diesem Gebiet klar sein, dass eine Notwendigkeit besteht für verbesserte metallische Dichtungsringe mit optimierten Dichtungsbereichen, welche bei hohen Temperaturen und Drücken verwendet werden können, während sie eine hohe Zuverlässigkeit und eine druckdichte Dichtung liefern. Diese Erfindung richtet sich an diese Notwendigkeit des Standes der Technik sowie an andere Notwendigkeiten, welche Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der vorliegenden Offenbarung deutlich werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hoch zuverlässige metallische Dichtung zu schaffen, welche relativ kostengünstig herzustellen ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Dichtung zu schaffen, welche einen geometrisch einfachen Querschnitt hat und mit existierenden Einrichtungen in großen Mengen bei engen Toleranzen hergestellt werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hoch zuverlässige metallische Dichtung zu schaffen, welche die verfügbare Last auf ein schmales Band konzentriert, welches die erforderliche Last zum Zusammendrücken der Dichtung minimiert durch Optimieren der Dichtungsdammbreite.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Dichtung zu schaffen, bei welcher der Dichtungsdamm sich während eines Zusammendrückens der Dichtung nicht bedeutend verschiebt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Dichtung zu schaffen, welche eine Leakagerate von weniger als 1 × 10^e-9 cc/sec He Leakagerate oder weniger aufweist.

Erfindungsgemäß werden die Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die obigen Aufgaben können im wesentlichen gelöst werden durch Vorsehen einer metallischen Dichtung, welche die verfügbare Last auf ein schmales Band konzentriert, um einen Dichtungsdamm über eine ausreichende Breite zu erzeugen, um eine Leakage zu minimieren, während die zum Zusammendrücken der Dichtung erforderliche Last optimiert wird. Die metallische Dichtung umfasst einen ersten ringartigen Endabschnitt, einen zweiten ringartigen Endabschnitt und einen ringartigen Mittelabschnitt. Der erste ringartige Endabschnitt hat eine erste ringartige Dichtungsfläche, welche in eine erste Richtung weist und in einer ersten Ebene liegt, um ein erstes Element zu kontaktieren zum Erzeugen eines ersten ringartigen Dichtungsdamms zwischen diesen. Der zweite ringartige Endabschnitt hat eine zweite ringartige Dichtungsfläche, welche in eine der ersten Axialrichtung entgegengesetzte zweite Richtung weist und in einer zweiten Ebene liegt, welche im wesentlichen parallel zur ersten Ebene ist, um ein zweites Element zu kontaktieren zum Erzeugen eines zweiten ringartigen Dichtungsdamm zwischen diesen. Der ringartige Mittelabschnitt verläuft zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Endabschnitt, um einen Ring mit einem Mitteldurchgang mit einer Mittellängsachse zu bilden. Der dritte ringartige Abschnitt ist ein kegelstumpfartiges Rohr, wobei der erste und der zweite ringartige Endabschnitt angrenzend angeordnet sind an gegenüberliegenden Enden des ringartigen Mittelabschnitts, so dass Dichtungslasten, angewandt im wesentlichen senkrecht auf die erste und die zweite ringartige Dichtungsfläche, primär verformen infolge von Torsionsbeanspruchungen der metallischen Dichtung.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleute auf diesem Gebiet anhand der nachfolgenden genauen Beschreibung deutlich, welche in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung offenbart.

Es erfolgt eine Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, welche Teil der vorliegenden Erstoffenbarung ist. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer flachen metallischen Dichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Dicke der Dichtung zu Veranschaulichungszwecken überproportional dargestellt ist;
Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten flachen metallischen Dichtung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht der flachen metallischen Dichtung, dargestellt in Fig. 1 und 2, längs einer Schnittlinie 3-3 von Fig. 2;
Fig. 4 ein vergrößertes Querschnittsprofil der in Fig. 1 bis 3 dargestellten flachen metallischen Dichtung vor einem Zusammendrücken der metallischen Dichtung, das heißt, unbelastet;
Fig. 5 eine Längsschnitt-Explosionsansicht der flachen metallischen Dichtung, dargestellt in Fig. 1 bis 4, zusammen mit einer Dichtungsanordnung mit einem Paar von Passelementen, welche durch Befestigungsvorrichtungen miteinander verbunden werden, um die metallische Dichtung in Axialrichtung zusammenzudrücken und somit eine ringartige Dichtung zwischen diesen zu erzeugen;
Fig. 6 eine Längsschnittansicht ähnlich Fig. 5 der Passelemente und der metallischen Dichtung, jedoch nach einem miteinander Verbinden der Passelemente durch die Befestigungsvorrichtungen zum Zusammendrücken der metallischen Dichtung, um eine ringartigen Dichtung zwischen diesen zu erzeugen; und
Fig. 7 eine Längsschnittansicht einer flachen metallischen Dichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 bis 4 ist eine flache metallische Dichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die flache metallische Dichtung 10 ist als kreisförmige Dichtung dargestellt. Jedoch wird es Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der vorliegenden Offenbarung klar sein, dass die flache metallische Dichtung 10 andere Typen von nicht kreisförmigen Ringformen aufweisen könnte und ferner in einer Vielzahl von Höhen erzeugt werden könnte. Ferner wurde die Dicke der metallischen Dichtung 10 in der beiliegenden Zeichnung zu Veranschaulichungszwecken überproportional dargestellt.
Der Zweck der metallischen Dichtung 10 ist es, eine Dichtung zu liefern zwischen zwei gegenüberliegenden Elementen, beispielsweise Metall auf Metall, Metall auf Keramik, Keramik auf Keramik oder eine beliebige geeignete Kombination von Materialien, welche gewöhnlich verwendet werden bei kritischen Flüssigkeits- und/oder Gasdichtungen. Außerdem kann die metallische Dichtung 10 verwendet werden zwischen Flanschen oder Komponenten für eine beliebige Flüssigkeitssteuerungsanwendung oder pneumatische Anwendung. Die metallische Dichtung 10 wird typischerweise verwendet in einer Vertiefung, Versenkung oder zwischen verhältnismäßig flachen Flächen, welche eine feste Trennung der Komponenten, welche zu dichten sind, vorsehen. Die metallische Dichtung 10 kann erzeugt werden in kreisartigen oder nicht kreisartigen Gestaltungen und kann ferner in einer Vielzahl von Höhen erzeugt werden.
Wie unten genauer erläutert, liefert die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung eine hoch zuverlässige Dichtung zwischen zwei Elementen durch Konzentrieren der verfügbaren Last auf ein schmales Band (kleine Fläche entspricht hoher Kontaktbeanspruchung). Diese schmalen Dichtungsbänder bzw. Flächen erzeugen einen Dichtungsdamm von hoher Qualität über eine ausreichende Breite zum Minimieren einer Leakage auf einem Molekularniveau. Durch Minimieren der Dichtungsdammbreite, auf welchen der enge Kontakt zwischen Dichtung und Passflächen benötigt wird, kann eine Hochleistungsdichtung erhalten werden ohne hohe Drucklasten. Anders ausgedrückt, ermöglicht die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung, dass ihre im wesentlichen parallelen Flächen der Dichtung 10 in engem Kontakt mit den beiden Hohlraumflächen sind, was zu einer kontrollierten Kontaktbeanspruchung führt (die Last ist aufgeteilt auf die Kreisringfläche).
Die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist derart gestaltet, dass sie verwendet wird in einem weiten Bereich von Dichtungsleistung. Die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Halbleitereinrichtungsindustrie, die Vakuumeinrichtungsindustrie, die Datenspeichervorrichtungsindustrie und auf beliebige andere Industrien, wo hohe Zuverlässigkeit und/oder extreme Dichtheit (1 × 10e^-9 cc/sec He Leakagerate oder weniger) benötigt werden. Die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist ferner anwendbar überall dort, wo die Grundgestaltung sich eignet für die Dichtungsstopfbüchsenmaße ("sealing gland dimensions") oder die verfügbare Schraubenlast. Beispielsweise kann die flache metallische Dichtung 10 verwendet werden in einer breiten Vielfalt von Anwendungen, welche in der Ultrahochvakuumindustrie (UHV-Industrie), der Raumfahrt, der Energieerzeugungsindustrie und in beliebigen anderen Industrien benötigt werden, welche die oben dargelegte Funktionalität erfordern.
Insbesondere liefert die flache metallische Dichtung 10 eine Hochdruck- und Hochtemperaturdichtung bei Raten von 0,1 SCFM pro Zoll des Durchmessers bei hoher Zuverlässigkeit und Druckdichtheit mit Raten von weniger als 1 × 10e^-9 cc/sec. Die flache metallische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung ist derart gestaltet, dass sie in einem großen Kraftbereich zur Kompression bzw. Pfund pro Umfangszoll (PCI) arbeitet.
Die flache metallische Dichtung 10 hat ein gleichmäßiges Querschnittsprofil, wie in Fig. 4 dargestellt. Der Begriff "Querschnittsprofil", wie hier und in den Ansprüchen verwendet, bezieht sich auf eine Teilquerschnittsform eines Abschnitts einer ringartigen Dichtung, definiert durch eine Längsebene, welche lediglich durch einen Punkt der ringartigen Dichtung verläuft.
Die flache metallische Dichtung 10 ist aufgebaut aus einer dehnbaren Legierung, welche pressgearbeitet ist, um ein ringartiges Element zu bilden, welches ein Querschnittsprofil wie in Fig. 4 dargestellt aufweist. Beispielsweise ist das Basismaterial der Dichtung 10 aufgebaut aus einer dehnbaren Legierung bzw. einem metallischen Element wie Zinn, Nickel, Aluminium, Kupfer, rostfreier Stahl, Inconel und andere nickelbasierte Legierungen, welche eine Dichtungsintegrität verbessern. Vorzugsweise besteht das Basismaterial der Dichtung 10 aus einer korrosionsfesten Legierung, welche aus der Gruppe von nickelbasierten Legierungen, kupferbasierten Legierungen, Zinn, aluminiumbasierten Legierungen und rostfreiem Stahl ausgewählt ist. Optional kann ferner eine weichere dehnbare Beschicht ung auf dem Basismaterial (dehnbare Legierung) verwendet werden. Beispiele derartiger dehnbarer Beschichtungen umfassen Zinn, Aluminium, Nickelindium, Silber, PFA, PTFE etc., ohne darauf beschränkt zu sein. Die dehnbare Beschichtung hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,001 Zoll bis 0,006 Zoll. Die dehnbare Beschichtung kann die gesamten Dichtungsflächen abdecken oder kann lediglich auf den Dichtungsflächen angeordnet sein. Andere Metallelemente und nichtmetallische Verbindungen können ebenso für die Beschichtung verwendet werden.
Die flache metallische Dichtung 10 berücksichtigt Dichtungshohlraumtoleranzen durch Bemessen der Dichtungssteifigkeit derart, dass sie über den kombinierten Toleranzbereich des Hohlraums plus Dichtung zulässig ist. Durch Gestalten des Querschnittsprofils der Dichtung wie in Fig. 4 dargestellt wird die Auslenkung des Abschnitts gesteuert. Durch Ändern des Querschnitts (Dicke, Krümmungsradius an der Dichtungsgrenzfläche, Winkel, Höhe und Radialbreite) kann die Last derart bemessen sein, dass die Dichtung in einer Vielzahl von Dichtungsstopfbüchsentiefen arbeitet, und mit verschiedenen Beschichtungen, jeweils mit ihren eigenen spezifischen Dehngrenzen, das heißt, dass mehr oder weniger Last erforderlich ist, um einen Zustand zu erzeugen, durch welchen sich die Beschichtung über eine gegebene Breite plastisch verformt.
Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich, ist eine Dichtungsanordnung 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, um die in Verwendung befindliche metallische Dichtung 10 zu zeigen. Genauer umfasst die Dichtungsanordnung 12 ein erstes Element 14 mit einer ersten Passfläche bzw. Kontaktfläche 16 und ein zweites Element 18 mit einer zweiten Passfläche bzw. Kontaktfläche 20 zum Kontaktieren der Dichtung 10. Das erste und das zweite Element 14 und 18 werden durch eine Vielzahl von Befestigungsvorrichtungen bzw. Bolzen 22 miteinander verbunden. Das erste und das zweite Element 14 und 18 können beliebige zwei Elemente bzw. Vorrichtungen sein, welche eine Dichtung zwischen diesen benötigen. Daher sind das erste und das zweite Element 14 und 18 ohne besondere Struktur dargestellt.
Beispielsweise kann eine Variante der metallischen Dichtung 10 derart aufgebaut sein, dass eine wirksame kostengünstige Dichtung erhalten werden kann für Hochtemperatur- und/oder Hochdruckpneumatikanwendungen. Diese Variante kann aufgebaut sein in einer ähnlichen Weise wie die hier dargestellte Version mit hoher Leckintegrität.
Die flache metallische Dichtung 10 ist ein einstückiges Einheitselement, gebildet aus einem einzigen Blattmaterial. Optional kann die metallische Dichtung 10 eine weiche Beschichtung aufweisen, welche auf dem Basismaterial liegt. Im wesentlichen kann das Querschnittsprofil der flachen metallischen Dichtung 10 geteilt werden in drei ringartige Abschnitte, das heißt, einen ersten ringartigen Endabschnitt 31, einen zweiten ringartigen Endabschnitt 32 und einen dritten ringartigen Mittelabschnitt 33. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben der erste und der zweite ringartige Endabschnitt 31 und 32 gekrümmte Querschnittsprofile, während der dritte ringartige Mittelabschnitt 33 ein geradliniges Querschnittsprofil hat. So sind die ringartigen Abschnitte 31 bis 33 derart gestaltet, dass ein leicht S-förmiger Querschnitt gebildet wird. Dieser S-förmige Querschnitt ist vorzugsweise gleichmäßig längs des Gesamtumfangs der metallischen Dichtung 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der dritte ringartige Mittelabschnitt 33 ein kegelstumpfartiger Abschnitt. Jedoch kann der dritte ringartige Mittelabschnitt 33 ein gekrümmtes Querschnittsprofil aufweisen und bei Betrachtung in der Axialrichtung ein nicht kreisförmiger Abschnitt sein. In jedem Fall ist der dritte ringartige Mittelabschnitt 33 kegelstumpfförmig. Der Begriff "kegelstumpfförmig", welcher hier und in den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf einen ringartigen Abschnitt mit einem ersten und einem zweiten ringartigen Ende, wobei eines der Enden einen Durchmesser bzw. ein Diagonalmaß aufweist, welche größer sind als der Durchmesser bzw. das Diagonalmaß des anderes Endes und der ringartige Abschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Ende ist nicht wellig.
Der erste ringartige Endabschnitt 31 hat eine erste ringartige Dichtungsfläche 34, welche in eine erste Axialrichtung A₁ weist und in einer ersten flachen Kontaktebene P₁ liegt. Die erste ringartige Dichtungsfläche 34 kontaktiert die erste Kontaktfläche 16 des ersten Elements 14 zum Erzeugen eines ersten ringartigen Dichtungsdamms D₁ zwischen diesen. Der zweite ringartige Endabschnitt 32 hat eine zweite ringartige Dichtungsfläche 36, welche in eine der ersten Axialrichtung A₁ entgegengesetzte zweite Axialrichtung A₂ weist und in einer zweiten flachen Kontaktebene P₂ liegt, welche im wesentlichen parallel zur ersten flachen Kontaktebenen P₁ ist. Die zweite ringartige Dichtungsfläche 36 kontaktiert die zweite Kontaktfläche 20 des zweiten Elements 18 zum Erzeugen eines zweiten ringartigen Dichtungsdamms D₂ zwischen diesen. Der ringartige Mittelabschnitt 33 verläuft zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Endabschnitt 31 und 32, um einen Ring mit einem Mitteldurchgang 38 mit einer Mittellängsachse C zu bilden.
Die erste und die zweite Dichtungsfläche 34 und 36 sind vorzugsweise konvex gewölbte Flächen mit identischen Wölbungen, welche durch einen Bogen von etwa 60° verlaufen. Anders ausgedrückt, die erste und die zweite Dichtungsfläche 34 und 36 sind im wesentlichen ringartige Dichtungslinien 51 und 52 ohne Radialbreite vor einem Zusammendrücken der Dichtung 10. Durch Anziehen der Befestigungsvorrichtungen 22 wird die metallische Dichtung 10 belastet und somit zusammengedrückt, um die Dichtung primär durch Torsion plastisch zu verformen und das Paar von ringartigen Dichtungsdämmen D₁ und D₂ zwischen der metallischen 10 und dem ersten und zweiten Element 14 und 18 zu erzeugen. Eine Verformung der metallischen Dichtung 10 beträgt etwa 10% bis 25% der Axialhöhe der Dichtung 10 zwischen den Dichtungsflächen 34 und 36 davon. Sobald die Dichtung 10 zusammengedrückt ist, sind die erste und die zweite Dichtungsfläche 34 und 36 verformt, um flache Dichtungsflächen zu bilden, welche dem ersten und dem zweiten ringartigen Dichtungsdamm D₁ und D₂ entsprechen. Die minimalen wirksamen Breiten des ersten und des zweiten ringartigen Dichtungsdamms D₁ und D₂ der ersten und der zweiten Dichtungsfläche 34 und 36 liegen innerhalb des Bereichs von etwa 0,005 Zoll bis etwa 0,040 Zoll.
Die erste und die zweite Dichtungsfläche 34 und 36 sind in einem Abstand angeordnet durch eine erste Distanz bzw. Höhe d₁, gemessen parallel zur Mittellängsachse C, welche kleiner ist als eine zweite Distanz (d₂), gemessen senkrecht zur Mittellängsachse C zwischen der ersten und der zweiten Dichtungsfläche 34 und 36. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Distanz d₁ im wesentlichen gleich einer zweiten Distanz d₂.
Der dritte ringartige Abschnitt 33 ist ein kegelstumpfartiges Rohr. Der erste und der zweite ringartige Endabschnitt 31 und 32 sind angrenzend angeordnet an gegenüberliegenden Axialenden des ringartigen Mittelabschnitts 33, so dass Dichtungslasten, angewandt im wesentlichen senkrecht auf die erste und die zweite ringartige Dichtungsfläche 34 und 36, primär verformen infolge von Torsionsbeanspruchung der metallischen Dichtung 10. Anders ausgedrückt, die metallische Dichtung 10 wird verformt um weniger als 50% durch Kollabieren oder Axialbiegung, wie bei den S-förmigen Dichtungen, offenbart in den US-Patenten Nr. 4 813 692 und 4 854 600. Vorzugsweise erfolgt ein Kollabieren bzw. ein Biegen in Axialrichtung der metallischen Dichtung 10 um etwa 20%. Der ringartige Mittelabschnitt 33 fällt ab um etwa 45° relativ zu der ersten und der zweiten Ebene P₁ und P₂.
Die geometrischen Merkmale und die Maßmerkmale der Dichtung 10 sind insbesondere in Fig. 4 dargestellt. Bezugnehmend auf Fig. 2 kann der Außendurchmesser der Dichtung 10 eine beliebige gewünschte Form in Abhängigkeit von der Anwendung der Dichtung 10 aufweisen, das heißt, es existiert keine Einschränkung bezüglich des Außendurchmessers davon. Der Innendurchmesser der Dichtung 10 sollte mindestens etwa 0,150 Zoll oder mehr betragen. Die freie Axialhöhe d₁ der Dichtung 10 liegt typischerweise zwischen etwa 0,030 Zoll bis etwa 0,250 Zoll. Bei einem Beispiel der Dichtung 10 beträgt die Höhe d₁ 0,035 Zoll, der Außendurchmesser beträgt 0,315 Zoll, und der Innendurchmesser beträgt 0,245 Zoll.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die erste und die zweite Richtung A₁ und A₂ der ersten und der zweiten Dichtungsfläche 34 und 36 in Richtungen, welche im wesentlichen parallel zur Mittellängsachse C sind. Alternativ ist, wie aus Fig. 7 ersichtlich, eine Dichtung 110 dargestellt mit der ersten und der zweiten Dichtungsfläche 134 und 136, welche im wesentlichen senkrecht zur Mittellängsachse C weisen. Anders ausgedrückt, die erste und die zweite Dichtungsfläche 134 und 136 sind konzentrische Dichtungsflächen, welche entweder hin zur Mittellängsachse C oder weg davon weisen. Die metallische Dichtung 110 ist beinahe identisch mit der Dichtung 10, welche oben beschrieben ist, außer dass der Querschnitt gedreht wurde. In Anbetracht der Ähnlichkeiten zwischen der Dichtung 110 und der Dichtung 10, welche oben beschrieben ist, wird die Dichtung 110 hier nicht im Detail beschrieben bzw. dargestellt. Im wesentlichen hat die metallische Dichtung 110 einen ersten ringartigen Endabschnitt 131, einen zweiten ringartigen Endabschnitt 133 und einen ringartigen Mittelabschnitt 133.
Obwohl lediglich ein Abschnitt der metallischen Dichtung 110 hier dargestellt ist, wird Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der vorliegenden Offenbarung klar sein, dass die Dichtung 110 ein durchgehender Ring ist, welcher entweder kreisförmig oder nicht kreisförmig sein kann. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Dichtung 110 gleichmäßig.
Die Ausdrücke des Grads, wie etwa "im wesentlichen", "etwa" und "annähernd", welche hier verwendet werden, bedeuten einen angemessenen Betrag einer Abweichung des modifizierten Ausdrucks, so dass das Endergebnis nicht bedeutend geändert wird. Diese Ausdrücke sollten als eine Abweichung von mindestens ± 5% des modifizierten Ausdrucks beinhaltend betrachtet werden, wenn diese Abweichung die Bedeutung des Worts, welches modifiziert wird, nicht verfälscht.
Zusammenfassend ist eine metallische Dichtung vorgesehen, welche die verfügbare Last auf ein schmales Band konzentriert, um einen Dichtungsdamm über eine ausreichende Breite zu erzeugen, um eine Leakage auf einem Molekularniveau zu minimieren. Die metallische Dichtung hat einen ersten ringartigen Endabschnitt mit einer ersten ringartigen Dichtungsfläche, einen zweiten ringartigen Endabschnitt mit einer zweiten ringartigen Dichtungsfläche und einen ringartigen Mittelabschnitt, welcher zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Endabschnitt verläuft, um einen Ring mit einem Mitteldurchgang mit einer Mittellängsachse zu bilden. Der dritte ringartige Abschnitt ist ein kegelstumpfartiges Rohr, wobei der erste und der zweite ringartige Endabschnitt angrenzend angeordnet sind an gegenüberliegenden Enden des ringartigen Mittelabschnitts, so dass Dichtungslasten, angewandt im wesentlichen senkrecht auf die erste und die zweite ringartige Dichtungsfläche, primär verformen infolge einer Torsionsbeanspruchung der metallischen Dichtung.
Während lediglich ausgewählte Ausführungsbeispiele gewählt wurden, um die vorliegende Erfindung zu erläutern, wird Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der vorliegenden Offenbarung klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen daran gemacht werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, definiert in den beiliegenden Ansprüchen, abzuweichen. Mögliche Änderungen der beschriebenen Dichtung 10 umfassen einen Bereich von Durchmessern, Formen, Höhen, Beschichtungen, Basismaterialien, gewählt für Wärmeausdehnungskoeffizienten- Übereinstimmungen (bzw. "coefficient of thermal expansion matches"), Druck- oder Vakuumdichtung, wobei eine beliebige Flüssigkeit gedichtet wird durch Auswählen kompatibler Materialien, oder eine beliebige andere Variation, welche typischerweise verwendet wird, um die Dichtung 10 für eine gegebene Anwendung zu gestalten. Ein weiterer Vorteil des Querschnitts ist die Fähigkeit zum Dichten auf dem Innen- und Außendurchmesser und kann auf andere Verwendungen und Industrien erweitert werden. Ferner dient die obige Beschreiben der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung und hat nicht den Zweck, die Erfindung, welche durch die beiliegenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist, einzuschränken.

Claims

1. Metallische Dichtung, umfassend:
einen ersten ringartigen Endabschnitt mit einer ersten ringartigen Dichtungsfläche, welche in eine erste Richtung weist und in einer ersten Kontaktebene liegt, um ein erstes Element zu kontaktieren, um einen ersten ringartigen Dichtungsdamm zwischen diesen zu erzeugen;
einen zweiten ringartigen Endabschnitt mit einer zweiten ringartigen Dichtungsfläche, welche in eine der ersten Axialrichtung entgegengesetzte zweite Richtung weist und in einer zweiten Ebene liegt, welche im wesentlichen parallel zur ersten Kontaktebene ist, um ein zweites Element zum Erzeugen eines zweiten ringartigen Dichtungsdamms zwischen diesen zu kontaktieren; und
einen ringartigen Mittelabschnitt, welcher zwischen dem ersten und dem zweiten ringartigen Endabschnitt verläuft, um einen Ring mit einem Mitteldurchgang mit einer Mittellängsachse zu bilden, wobei der dritte ringartige Abschnitt kegelstumpfförmig ist, wobei der erste und der zweite ringartige Endabschnitt angrenzend angeordnet sind an gegenüberliegenden Enden des ringartigen Mittelabschnitts, so dass die Dichtungslasten, angewandt im wesentlichen senkrecht auf die erste und die zweite ringartige Dichtungsfläche, primär verformen infolge einer Torsionsbeanspruchung der metallischen Dichtung.

2. Metallische Dichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Richtung der ersten und der zweiten Dichtungsfläche im wesentlichen parallel zur Mittellängsachse angeordnet sind.

3. Metallische Dichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Richtung der ersten und der zweiten Dichtungsfläche derart angeordnet sind, dass sie im wesentlichen in Radialrichtung bezüglich der Mittellängsachse weisen.

4. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und die zweite Dichtungsfläche in Abstand angeordnet sind um eine erste Distanz, gemessen parallel zur Mittellängsachse, welche im wesentlichen gleich einer zweiten Distanz, gemessen senkrecht zur Mittellängsachse zwischen der ersten und der zweiten Dichtungsfläche, ist.

5. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste und die zweite Dichtungsfläche konvex gewölbte Flächen sind.

6. Metallische Dichtung nach Anspruch 5, wobei die konvex gewölbten Flächen von einem freien Ende der Dichtung zum ringartigen Mittelabschnitt verlaufen.

7. Metallische Dichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die konvex gewölbten Flächen durch einen Bogen von etwa 60° verlaufen.

8. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der ringartige Mittelabschnitt eine Neigung von etwa 45° bezüglich der Mittellängsachse aufweist.

9. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Dichtung aus einer korrosionsfesten Legierung gebildet ist.

10. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dichtung aus einem Material gebildet ist, welches aus der Gruppe von nickelbasierten Legierungen, kupferbasierten Legierungen, Zinn, aluminiumbasierten Legierungen und rostfreiem Stahl gewählt ist.

11. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste und der zweite ringartige Endabschnitt im wesentlichen identische Querschnittsprofile aufweisen, welche umgekehrt sind.

12. Metallische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der ringartige Mittelabschnitt ein geradliniges Querschnittsprofil aufweist.