DE2948286A1

DE2948286A1 - Ganzmetallene verbindung

Info

Publication number: DE2948286A1
Application number: DE19792948286
Authority: DE
Inventors: David James Harra; William Carl Nystrom
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1978-12-04
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1980-06-26
Also published as: CA1110292A; IT1125885B; FR2443635A1; NL7908624A; GB2038972B; IT7927818A0; GB2038972A; FR2443635B1; NL188244C; NL188244B

Description

beiden zusammengehörigen Flanschen. Der Aufbau der einander gegenüberstehenden Flanschflächen ist so gewählt, daß, wenn die Verbindung auseinandergenommen wird, die Netto-Kraft, die dazu neigt, den Dichtungsring in seiner Position gegen eine der Flanschflächen zu halten, minimiert wird. Insbesondere ist jede Flanschfläche so konfiguriert, daß die restlichen Druckkräfte, die vorhanden sind, wenn der Flanschkopplungsmechanismus gelöst wird, über die Oberfläche der Dichtung verteilt, im Nettoeffekt 1m wesentlichen genauso groß sind wie oder größer sind als die Reibungs- und Binde-Kräfte, die dazu neigen könnten, den Dichtungsring in Kontakt mit einem der Flansche zu halten. Auf diese Welse neigt der Dichtungsring dazu, von den zusammengehörigen Flanschflächen wegzubrechen, wenn die Verbindung auseinandergenommen wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung für die Technik der gasdichten Flanschkupplung, und ist insbesondere anwendbar bei Hochvakuum- und Hochdruck-Flanschverbindungen.

Ganzmetallene Flanschverbindungen zur Verwendung in Anwendungsfällen, bei denen eine hohe Temperatur und/oder häufiges Ausheizen einer montierten Verbindung gefordert sind, sind bekannt. Insbesondere zeigt die US-PS 32 08 758 eine ganzmetallene Flanschverbindung, bei der eine gasdichte Abdichtung zwischen zusammengehörigen Flanschen dadurch erhalten wird, daß ein weichmetallenes Dichtungsmaterial in eine Ringnut fließt, die zwischen den einander zu weisenden Flanschoberflächen gebildet wird, wenn die beiden zusammengehörigen Flansche zusammengepreßt werden.

Bei der Flanschverbindung nach der US-PS 32 08 758 waren die einander gegenüberstehenden Flanschflächen so konfiguriert, daß eine weichmetallene Dichtung in einer Aussparung aufgenommen werden konnte, die zwischen diesen gebildet wurde, wenn die Flansche zusammengepreßt wurden. Korrespon-

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dierende Ringwülste waren auf den einander gegenüberstehenden Flanschflächen so vorgesehen, daß sie in die Aussparung in der Weise vorstanden, daß sie in verschiedene Seiten eines peripheren Bereiches der in der Aussparung angeordneten Dichtung eindringen. Auf diese Weise wurde veranlaßt, daß ein Teil des Dichtungsmaterials in eine Ringnut fließt, die die Peripherie der Aussparung zwischen den einander gegenüberstehendne Flanschflächen bildete. Diese Nut war so dimensioniert, daß ihr Volumen größer war als das Volumen des Dichtungsmaterials, das in die Nut fließen konnte, so daß verhindert wurde, daß das Dichtungsmaterial die Nut vollständig füllte. Wenn zugelassen wurde, daß ein Oberschuß an Dichtungsmaterial in die Ringnut eindrang, wurden die einander gegenüberstehenden Flanschflächen auseinandergedrückt werden. Eine einwandfreie Dimensionierung der Nut diente dazu, für eine Gasabdichtung nach Art eines zusammengepreßten O-Ringes zu sorgen, die Druckunterschieden standhalten konnte, die nur durch die Zugfestigkeit der Metalldichtung begrenzt waren.

Bei bekannten Flanschen der beschriebenen Art traten jedoch Schwierigkeiten beim Auseinandermontieren der Flanschverbindung nach Herstellung einer Dichtung auf. Typischerweise waren die bekannten Flansche dadurch gekuppelt, daß die beiden einander gegenüberstehenden Flansche zusammengebolzt wurden. Ein solches Bolzen oder anderes Kompressions-Kuppeln der zusammengehörigen Flanschflächen sorgte für eine Kompression der dazwischen angeordneten Dichtung und resultierte darin, daß das weiche Metall von der Peripherie der Dichtung in eine Ringnut extrudiert wurde, die an der Peripherie der Aussparung zwischen den einander gegenüberstehenden Flanschflächen gebildet war. Wenn die zusammengehörigen Flansche anschließend entbolzt wurden, um die Verbindung auseinanderzunehmen, blieb jedoch die metallene Dichtung häufig an der einen oder der anderen der Flanschflächen oder auch an beiden haften.

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Wenn eine weichmetallene Dichtung stark gegen die Oberfläche eines härteren Metalls gepreßt war, tritt eine Oberflächen-Bindungserscheinung nach Art einer Schweißung auf. Zusätzlich neigt eine Friktions-Haitekraft, die vom Reibungskoeffizienten des weichmetallenen Dichtungsmaterials gegen die härtere Oberfläche des Flansches abhängt, dazu, einer Bewegung der Dichtung weg vom Flansch entgegenzuwirken.

Beim Stand der Technik war die Neigung der metallenen Dichtung, an einem der beiden, oder beiden, zusammengehörigen Flansche zu haften, kein unüberwindbares Problem beim Auseinandermontieren der Verbindung, wenn ausreichend Hebelwirkung möglich war, um eine externe Kraft zum Trennen der Flansche anzubringen. Wenn nach der Trennung der Flansche die weichmetallene Dichtung an dem einen oder anderen der Flansche haften blieb, konnte die Dichtung gewöhnlich ziemlich leicht mit einem Handwerkzeug entfernt werden, mit dem die Dichtung vom Flansch, an dem sie haftete, weggestemmt werden konnte. Bei der in letzter Zeit in starkem Umfang auftretenden Forderung nach Mini flanschen (d. h. Flanschen mit einem Dichtungsdurchmesser von weniger als etwa 1 Zoll = 25 mm) ist die Unzugänglichkeit von Miniflanschdichtungen hinsichtlich der Entfernung mit in der Hand zu haltenden Stemmwerkzeugen ein bedeutsames Problem geworden. Auch bei Flanschen mit großen Durchmessern (d. h. Durchmessern größer als 2 3/4 Zoll = 70 mm) traten Schwierigkeiten beim Auseinandermontieren von Flanschverbindungen wegen der großen Externkraft auf, die dazu erforderlich ist, die Dichtung von einer der beiden Flanschseiten zu trennen. In vielen Anwendungsfällen ist es auch vom Standpunkt der Systemkonstruktion _ her vorteilhaft, Flanschkupplungsöffnungen an Stellen unterzubringen, die relativ unzugänglich sind, und dementsprechend ist eine Flanschverbindung, die nicht leicht auseinanderzumontieren ist, eine ernsthaft Unbequemlichkeit.

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Es wird also eine ganzmetallene Flanschverbindung benötigt, bei der die Dichtung dazu neigt, von den zusammengehörigen Flanschflächen wegzubrechen, wenn die Verbindung auseinandermontiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ganzmetallene Flanschverbindung mit einem weichmetallenen Dichtungsring zwischen zusammengehörigen Flanschflächen verfügbar zu machen, bei der der Dichtungsring leicht entfernt werden kann, wenn die Verbindung auseinandermontiert wird.

Insbesondere soll durch die Erfindung eine ganzmetallene Verbindung zum Kuppeln von Miniflanschen (d. h. Flanschen mit einem Durchmesser von etwa 1 Zoll = 25 mm oder weniger) verfügbar zu machen, die aus einem weichmetallenen Dichtungsring besteht, der zwischen einander gegenüberstehenden Flächen der zusammengehörigen Miniflansche angeordnet ist, wobei der Dichtungsring leicht entfernbar ist, wenn die Verbindung auseinandermontiert wird.

Um diese Aufgaben zu lösen, sind die einander gegenüberstehenden Flächen der zusammengehörigen Flansche so konfiguriert, daß zwischen ihnen eine Aussparung geformt wird, in der eine weichmetallene Dichtung angeordnet werden kann, wenn die einander gegenüberstehenden Flanschflächen zusammengepreßt werden. Einander gegenüberstehend angeordnete Ringwülste auf den Stirnseiten der zusammengehörigen Flansche stehen in die Aussparung in der Weise vor, daß sie in die beiden Seiten eines peripheren Teils des Dichtungsringes eindringen. Die Kompression des Dichtungsringes, die durch das Zusammenpressen der einander gegenüberstehenden Flanschflächen hervorgerufen ist, sorgt dafür, daß ein Teil des Dichtungsmaterials in eine Ringnut extrudiert wird, die an der Peripherie der Aussparung zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Flanschflächen gebildet ist. Dieses

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komprimierte Rauchmaterial in der Ringnut sorgt für eine gasdichte Abdichtung nach Art eines zusammengepreßten, metallenen O-Ringes in der Nut zwischen den Flanschflächen. Wie beim Stand der Technik ist die Ringnut so dimensioniert, daß ihr Volumen größer ist als das Volumen des Dichtungsmaterials, das in die Nut fließen kann. Auf diese Weise kann das Volumen der Nut das gesamte Dichtungsmaterial aufnehmen, das in die Nut hineinfließt, und jeder Oberschuß an Dichtungsmaterial, der sonst dazu neigen könnte, die zueinandergehörenden Flanschflachen voneinander wegzudrücken, wird daran gehindert, in die Nut einzudringen. Als Unterschied zum Stand der Technik ist die Konfiguration der einander gegenüberstehenden Flanschflächen nach der Erfindung so gewählt, daß die restlichen Kompressionskräfte, die vorhanden sind, wenn der Flanschkupplungsmechanismus gelöst wird, verteilt über die Oberfläche des Dichtungsringes, im wesentlichen ebenso groß sind wie oder größer sind als die Friktions- und Bindekräfte, die dazu neigen, den Dichtungsring in Kontakt mit einem der Flansche zu halten.

Insbesondere sind die Oberflächenteile der Flanschflachen, die die Ringnut definieren, in die das Dichtungsmaterial extrudiert werden kann, unter einem anderen als einem rechten Winkel mit Bezug auf die Grenzfläche zwischen den zueinandergehörenden Flanschflächen zueinander geneigt. Auf diese Weise hat die verteilte Kompressionskraft, die von jeder die Nut definierenden Oberfläche auf die Dichtung ausgeübt wird, eine Komponente, die dazu neigt, die Dichtung vom Kontakt mit der Flanschfläche weg zu schieben. Erfindungsgemäß neigt also die Dichtung dazu, von den zusammengehörigen Flanschflächen wegzubrechen, wenn die Verbindung auseinandermontiert wi rd.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

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Figur 1 einen Längsschnitt durch eine ganzmetallene Verbindung zwischen zwei zusammengehörigen Flanschen, die mittels einer Verschraubung gekuppelt sind, die aus einem Kupplungsteil mit Außengewinde auf einem Flansch und einem Kupplungsteil mit Innengewinde auf dem anderen Flansch besteht;

Figur 2 einen Teil der Verbindung zwischen dem zusammengehörigen Flansch gemäß Figur 1;

Figur 3 einen Schnitt durch einen Teil der Fläche eines der Flansche gemäß Figur 2;

Figur 4 einen Längsschnitt durch eine ganzmetallene Verbindung zwischen zwei zusammengehörigen Flanschen, die mit piner Schraubverbindung gekuppelt sind, die aus einem Kupplungsteil mit Außengewinde auf jedem Flansch und einem Kupplungs·¹· teil mit zwei Innengewinden zum Eingriff in beide andere Kupplungsteile besteht;

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer ganzmetallenen Verbindung zwischen zwei zusammengehörigen Flanschen, die durch Bolzen gekuppelt sind;

Figur 6 ein Kraftdiagramm, das die verteilten Kompressionskräfte zeigt, die von den Oberflächen einer Flanschfläche nach der Erfindung auf eine Dichtung ausgeübt werden, wenn der Flanschkupplungsmechanismus gelöst wird; und

Figur 7 ein Kraftdiagramm, das die verteilten Kompressionskräfte darstellt, die von den Oberflächen einer Flanschfläche nach dem Stand der Technik auf eine Dichtung ausgeübt werden, wenn der Flanschkupplungsmechanismus gelöst wird.

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Figur 1 zeigt eine ganzmetaTlene Flanschverbindung nach der Erfindung, bei der eine gasdichte Dichtung zwischen mit Flanschen versehenen Endteilen 10 und 20 von Rohren 11 bzw. 21 erhalten wird. Die Flansche 10 und 20 sind mittels einer Verschraubung gekuppelt, die aus einem Kupplungsteil 12 mit Außengewinde, der auf das Rohr 11 drUckt, und einem Kupplungsteil 22 mit Innengewinde besteht, der auf das Rohr 21 drückt.

Gemäß Figur 1 ist der Kupplungsteil 12 ringförmig mit Außengewinde und ist so angeordnet, daß er in Längsrichtung längs des Rohres verschiebbar ist. Der Innendurchmesser des Kupplungsteils 12 ist kleiner als der Außendurchmesser des Flansches 10, so daß der Kupplungsteil 12 daran gehindert ist, vom mit Flansch versehenen Ende des Rohrs 11 abzurutschen. In entsprechender Weise hat der Kupplungsteil 12 Ringform und Innengewinde und ist so angeordnet, daß er längs Rohr 21 verschiebbar ist. Der Kupplungsteil 22 hat einen Innendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Flansches 20, so daß der Kupplungsteil 22 daran gehindert wird, vom mit Flansch versehenen Ende des Rohrs 21 abzurutschen.

Wenn die einander gegenüberstehenden Flächen der Flansche 10 und in zusammenpassenden Kontakt gebracht werden, erstreckt sich das Kupplungsteil 22 über die Flansche 20 und 10 und greift in das Außengewinde des Kupplungsteils 12 ein. Auf diese Weise wird die Kupplung der mit Flansch versehenen Rohre 11 und 22 durch Anziehen des Kupplungsteils 22 um das Kupplungsteil 12 erreicht.

Die einander gegenüberstehenden Flächen der mit Flansch versehenen Enden 10 und 20 sind so konfiguriert, daß zwischen diesen eine Aussparung 30 gebildet wird, in der eine weichmetallne Dichtung 31 angeordnet werden kann. Die Dichtung 31 hat Ringform und besteht aus einem Material, das leichter verformbar ist als das Material, aus dem die mit Flanschen versehenen Enden 10 und 20 zusammengesetzt sind. Typischerweise bestehen die mit Flansch versehenen Enden 10 und

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aus rostfreiem Stahl, und in diesem Falle kann die metallne Dichtung zweckmäßigerweise ein ringförmiger Kupferring mit planarer Form sein. Andere geeignete Dichtungsmaterialien zur Verwendung in Verbindung mit zusammengehörigen Flanschen aus rostfreiem Stahl sind beispielsweise Nickel, Aluminium, verschiedene Legierungen und Kombinationen eines Grundmetalls, das mit einem weichen Metall beschichtet ist.

Wie näher in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Stirnseite des mit Flansch versehenen Teils 10 des Rohrs 11 so konfiguriert, daß ein Ringwulst 13 in die Aussparung 30 vorsteht. In ähnlicher Weise steht ein gegenüberstehender Ringwulst 23 auf der Stirnseite des Flanschteils 20 des Rohrs 21 von der entgegengesetzten Richtung in die Aussparung 30 vor, so daß die Wulste 13 und 23 in das weiche Metall von entgegengesetzten Seiten an der Peripherie des Dichtungsrings 31 eindringen. Die Kompression des Dichtungsrings 31 durch das Zusammenziehen der beiden Flansche 10 und 20 sorgt dafür, daß das Dichtungsmaterial in eine Nut extrudiert wird, die an der Peripherie der Aussparung 30 geformt ist.

Wie weiter aus Fig. 2 erkennbar ist, ist der Ringwulst 13 auf der Stirnseite des Flansches 10 durch den Schnitt von konischen Oberflächenbereichen 14 und 15 geformt, und ein ringförmiger Trog 16 ist durch den Schnitt von konischen Oberfl ä'chenbereichen 15 und 17 geformt. In ähnlicher Weise ist der Ringwulst 23 auf der Stirnseite des Flansches 20 durch den Schnitt von konischen Oberflächenbereichen 24 und 25 geformt, und ein ringförmiger Trog 26 ist durch den Schnitt von konischen Oberflächenbereichen 25 und 27 geformt. Wenn die Flansche 10 und 20 dicht zusammenpassen, formen die konischen Oberflächenbereiche 15, 17, 25 und 27 zusammen die Grenze der Ringnut, in die das weichmetallne Dichtungsmaterial extrudiert wird. Dieses extrudierte Dichtungsmaterial bildet das Äquivalent eines zusammengepressten metallnen O-Rings, der für eine gasdichte Abdichtung zwischen den Flanschen 10 und 20 sorgt.

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Die Ringnut, die durch die Oberflächenbereiche 15 und 17 am Flansch IO und die Oberflächenbereiche 27 und 25 am Flansch 20 begrenzt 1st, ist so dimensioniert, daß ihr Volumen größer ist als das Volumen des Dichtungsmaterials, das durch den Quetscheffekt der Wulste 13 und 23 auf die Dichtung 31 in dieses extrudiert werden kann. Die Menge an Dichtungsmaterial, die in die Ringnut eindringen kann, ist also klein genug, um eine Trennung der Flansche 10 und 20 zu verhindern.

In Fig. 3 sind die Orientierungen der Oberflächenbereiche 24, 25 und 27 mit Bezug auf einander auf der Stirnseite des Flansches 20 näher dargestellt. Entsprechende symmetrische Orientierungen der Oberflächenbereiche 14, 15 und 17 auf der Stirnseite des Flansches 10 sind in ähnlicher Weise vorgesehen.

Gemäß Fig. 3 neigt sich der Oberflächenbereich 25 vom Wulst 23 zum Trog 26 hin weg, und von dort erstreckt sich der Oberflächenbereich 27 zu der Grenzflächenebene zwischen den zusammengehörigen Flanschen 20 und 10. Der konische Oberflächenbereich 24 schließt einen spitzen Winkel ♦ mit der Grenzflächenebene der zusammengehörigen Flansche ein. In ähnlicher Weise schließt der Oberflächenbereich 25 einen spitzen Winkel θ mit der gleichen Grenzflächenebene ein. Der Winkel φ liegt vorzugsweise im Bereich von 60 bis 75° und der Winkel θ liegt vorzugs weise im Bereich von 15 bis 30°.

In symmetrisch ähnlicher Weise schließt der konische OberflächenbereiCh₁, 14 auf der Stirnseite des Flansches 10 einen spitzen Winkel ♦ mit der Grenzflächenebene zwischen den Flanschen 10 und 20 ein, und der konische Oberflächenbereich 15 einen spitzen Winkel θ mit der gleichen Grenzflächenebene. Die einander zu weisenden Flächen der Flansche 10 und 20 sind also symmetrisch zueinander angeordnet.

Sowohl der konische Oberflächenbereich 27 am Flansch 20 als auch der korrespondierende konische Oberflächenbereich 17 am Flansch 10 schHeBt

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einen spitzen Winkel β mit der Grenzflächenebene der zusammengehörigen Flansche 10 und 20 ein. Erfindungsgemäß 1st der Winkel ß ein spitzer Winkel. Beim Stand der Technik bestand keine Anregung, den Winkel β spitz zu machen.

Flg. 7 zeigt andererseits schematisch Flanschverbindungen nach de« Stand der Technik, wobei, unähnlich der Verbindung nach der Erfindung, die Abschlußwand 27' der Ringnut, in der das extrudierte Dichtung«» material eingefangen war, senkrecht zur Grenzfliichenebene zwischen

-1st den zusammengehörigen Flanschen/ Der Winkel ß nach der Erfindung 1st 1m Gegensatz zum Stand der Technik ein spitzer Winkel (vorzugsweise 1m Bereich von 60 bis 75°). Diese neuartige Konfiguration fUr die Abschlußwand der Ringnut (d.h. der Wand, die durch die Oberflächenbereiche 27 und 17 geformt 1st) zusammen mit der vorgeschriebenen Konfiguration fUr die Oberflächenbereiche 24 und 14 ermöglicht es, die Dichtung 31 erheblich leichter zu entfernen, wenn die Verbindung auseinandermontiert wird, als das beim Stand der Technik möglich war.

Der bequemen Herstellung halber können die konischen Flächen 24 und V auf der Stirnseite des Flansches 20 parallel zueinander sein, d.h. es 1st möglich, daß Φ = e, vorausgesetzt, daß θ ein spitzer Winkel UU Es 1st jedoch nicht notwendig fUr die Durchführung der Erfindung, daß Φ » B. Es ist erwünscht, daß der Winkel ß kleiner ist als 75°, so daß die Normale zum Oberflächenbereich 27 eine relativ große Komponente senkrecht zu der Grenzflächenebene zwischen den zusammengehörigen Flanschen hat. Wenn e jedoch zu klein wird, würde der Außendurchmesser der Flansche 10 und 20 entsprechend für übliche Konstruktionsüberlegungen unbequem groß werden. Es ist nicht erwünscht, daß φ erheblich kleiner ist als etwa 30°, weil die Erstreckung des Wulstes 23 in die Aussparung 30 kleiner wird, wenn Φ kleiner wird. Ein geeigneter Bereich für den Winkel φ liegt zwischen 60° und 75°, und ein geeigneter Bereich für den Winkel θ liegt zwischen 15° und 30°.

Wenn die Flansche 10 und 20 zusammengepresst werden, gleichgültig, ob mit der Technik gemäß Fig. 1, bei der das Kupplungsteil 22 mit Innen-

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gewinde über das Kupplungsteil 12 mit Außengewinde angezogen wird, oder durch irgendeine andere geeignete Kupplungstechnik, wie sie noch in Verbindung mit Fig. 4 und 5 diskutiert werden, stehen die Wulste 13 und 23 in die weichmetallne Dichtung 31 vor und sorgen dafür, daß ein peripherer Teil derselben in die Ringnut extrudiert wird, die durch die Oberflächenbereiche 15, 17, 27 und 25 begrenzt ist. Bei der Flanschkupplungstechnik nach Fig. 4 ist der Kupplungsteil 22 mit Innengewinde nach Fig. 1 durch ein Kupplungsteil 42 mit Außengewinde ersetzt, das so angeordnet ist, daß es in Längsrichtung längs des Rohres 21 verschiebbar ist. Der Innendurchmesser des Kupplungsteils 42 ist kleiner als der Außendurchmesser des Flansches 20, so daß das Kupplungsteil 42 daran gehindert wird, vom Flanschende des Rohres 21 abzurutschen. Das Kupplungsteil 42 ist mit Außengewinde versehen, ebenso wie ein entsprechender Teil des Kupplungsteils 12 auf dem Rohr 11. Ein zylindrisches Kupplungsteil 52 mit Innengewinde kann gleichzeitig in die Außengewinde der Kupplungsteile 12 und 42 eingreifen, wenn die Flansche 10 und 20 in Berührung stehen. In der Praxis wird zunächst das Kupplungsteil 52 auf eins der Kupplungsteile mit Außengewinde (beispielsweise Kupplungsteil 42) fest angezogen, und dann wird das andere Kupplungsteil 12 in das Kupplungsteil 52 eingeschraubt und angezogen. Auf diese Weise werden die Flansche 10 und 20 in Berührungskontakt gebracht.

Eine andere Flanschkupplungstechnik ist in Fig. 5 dargestellt, wobei ein Flanschelement 10' durch eine geeignete Technik, beispielsweise durch Schweißen, an einem Ende des Rohres 11 befestigt ist. In ähnlicher Weise ist ein Flanschelement 20' an einem Ende des Rohres 21 befestigt. Die weichmetallne Dichtung 31 wird zwischen den einander gegenüberstehenden Flanschelementen 10' und 20' dadurch zusammengepresst, daß ein Flanschelement an das andere angebolzt wird. Gemäß Fig. 5 führt ein Bolzen durch ausgefluchtete Löcher in den Flanschen 10' und 20', und eine Mutter 62 ist auf das vorstehende Ende des Bolzens 61 aufgeschraubt. Der Bolzen 61 und die Mutter 62 sind repräsentativ für eine Vielzahl ähnlicher Bolzen und Muttern, die im Umfang um die zusammengehörigen Flansche 10' und 20' herum angeordnet sind, vorzugsweise in gleichförmigen Abständen.

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Wenn die Flanschteile 10 und 20 gemäß Fig. 1 und 4 (oder die Flanschelemente 10' und 20' der Ausflihrungsform nach Fig. 5) zusammengepresst werden, dringen die Wulste 13 und 23 der einander gegenüberstehenden Flanschflächen in die weichmetallne Dichtung 31 ein, so daß ein peripherer Teil des Dichtungsmaterials in eine Ringnut fließt, die am Außenumfang der Aussparung 30 zwischen den einander gegenüberstehenden Flanschflächen geformt ist. Diese Nut, die durch die Flächen 15 und 17 auf dem Flanschteil 10 und die Flächen 27 und 25 am Flanschteil 20 begrenzt ist, hat ein Gesamtvolumen, das größer ist als das Volumen des Dichtungsmaterials, das in die Nut extrudiert werden kann. Wie oben erläutert worden ist, können die einander berührenden Flächen der Flanschteile 10 und 20 durch das Dichtungsmaterial in der Nut nicht auseinandergedrückt werden, da weniger als das Gesamtvolumen der Nut von Dichtungsmaterial eingenommen werden kann. Das komprimierte Dichtungsmaterial in der Ringnut funktioniert als metallner O-Ring unter Kompression, um für eine gasdichte Abdichtung zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen der Flanschteile 10 und 20 zu sorgen.

Die restlichen verteilten Kompressionskräfte F,, F„ ^und 'S» die vorhanden sind, wenn der Flanschkupplungsmechanismus gelöst wird, und die von den Oberflächenbereichen 27, 25 bzw. 24 des Flanschteils 20 auf die Dichtung 31 ausgeübt werden, sind in Fig. 6 durch Pfeile normal zu den jeweiligen Oberflächen dargestellt. Diese Kompressionskräfte neigen dazu, die Dichtung 31 aus dem Kontakt mit dem Flanschteil 20 wegzuschieben. Entsprechend symmetrisch wirkende verteilte Kompressionskräfte, die durch die entsprechenden Oberflächenbereiche 17, 15 und 14 des Flanschteils 10 auf die andere Seite der Dichtung 31 ausgeübt werden, neigen in ähnlicher Weise dazu, die Dichtung 31 aus dem Kontakt mit dem Flanschteil 10 wegzuschieben.

Wenn die Flansche 10 und 20 entkuppelt werden sollen, um die Verbindung auseinander zu montieren, ist es gewöhnlich auch erwünscht, die Dichtung 31 auszubauen. Beim Stand der Technik war es jedoch sehr oft schwierig, die Dichtung zwischen zwei zusammengehörigen Flanschen aufzubrechen,

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und zwar wegen der Binde- und Reibungs-Kräfte, die dazu neigten, die Dichtung im Kontakt mit den Stirnflächen der Flansche zu halten. Bindekräfte von der Art von Kaltschweißungen entwickeln sich durch die Kompression der Dichtung gegen die Flansche. Reibungskräfte entwickeln sich ebenfalls, die parallel zu den Oberflächen der Flansche in Richtungen entgegen den Kräften wirken, die dazu neigen, die Dichtung weg vom Kontakt mit den Flanschen zu schieben. Selbst nachdem die zusammengehörigen Flansche beim Stand der Technik getrennt waren, blieb die Dichtung häufig an dem einen oder anderen der Flansche haften. Erfindungsgemäß sind die Flächen der einander gegenüberstehenden Flansche in der Weise konfiguriert, daß die Kräfte minimiert werden, die dazu neigen,·die Entfernung der Dichtung zu verhindern, nachdem der Flanschkupplungsmechanismus gelöst worden ist (beispielsweise die Verschraubungen nach Fig. 1 und 4 entkuppelt sind oder die Muttern 62 gemäß Fig. 5 gelockert und entfernt sind).

Gemäß Fig. 6 ist die restliche Kompressionskraftkomponente F, die dazu neigt, die Dichtung 31 aus dem Kontakt mit dem Flansch 20 wegzuschieben, durch die folgende Gleichung gegeben:

F = F. cos e + F₂ cos θ + F, cos Φ

Diese Netto-Kompressionskraftkomponente F steigt, wenn die Winkel β, θ und φ kleiner werden. Es ist erwünscht, daß θ im Bereich von 15 bis 30° liegt, und daß φ im Bereich von 60° bis 75° liegt, so daß der Wulst 23 scharf genug in die Aussparung 30 vorsteht, um ein Extrudieren des Materials von der Peripherie der Dichtung 31 zu bewirken. Erfindungsgemäß ist der Winkel β in dem praktisch durchführbaren Maße minimiert, um für eine Komponente der Kompressionskraft F. 1n Richtung entgegen der Friktionskraftkomponente zu sorgen, die dazu neigt, die Dichtung 31 in Kontakt mit dem Oberflächenbereich 27 zu halten.

Eine leichte Demontage von ganzmetallnen Flanschverbindungen der Art, wie sie bei Hochdruck- und Hochvakuum-Anwendungsfällen verwendet werden,

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ist das Hauptziel der Erfindung. Der Durchmesser der zu verbindenden Flansche ist für die Definition der Erfindung nicht wesentlich, wenn auch die Erfindung besonders wertvoll mit Bezug auf Miniflansch-Verbindungen ist, die in Bereichen angeordnet sind, die zur Demontage mittels in der Hand zu haltenden Werkzeugen nicht leicht zugänglich sind.

In der Praxis kann die Erfindung mit vielen verschiedenen Kupplungstechniken verwendet werden, mit denen die einander gegenüberstehender) Stirnflächen der zu verbindenden Flansche zusammengebracht werden. Insbesondere bildet die Kupplungstechnik gemäß Fig. 4 (d.h. die Verwendung einer Verschraubung mit einem Kupplungsteil mit Außengewinde an jedem Flansch und einem Kupplungsteil mit Innengewinde, das mit jedem der anderen Kupplungsteile zusammenwirkt),eine bequeme Möglichkeit, eine Anzahl von Abschnitten von mit Flanschen versehenen Rohren zu verbinden, ohne daß die Bauteile so angeordnet werden müßten, daß zusammenpassende Verschraubungs-Kupplungsteile mit Innen- bzw. Außengewinde auf den jeweiligen Enden der zu verbindenden Flansche ange* ordnet werden müssen. In geeigneten Fällen könnte ein Heliumgas-Zugangsloch durch einen oder beide zusammenpassende Flansche zum peripheren Bereich der dazwischen gebildeten Aussparung vorgesehen sein,so daß die gasdichte Integrität der Flanschverbindung durch bekannte Techniken überwacht werden könnte. Die Art der zu verbindenden Verrohrung kann je nach der Systemart variieren, in der die Verrohrung verwendet wird. Es wird in Betracht gezogen, daß eine Flanschverbindung nach der Erfindung dazu verwendet werden kann, Rohre von beliebigem Durchmesser und beliebiger Form zu kuppeln, einschließlich Rohren mit dehnbaren "Balgen"-Abschnitten. Andere Verwendungen für eine ganzmetallne Verbindung nach der Erfindung ergeben sich für den Fachmann von selbst.

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Claims

Vl P503 D

Patentansprüche

(1. yGanzmetallene Verbindung bestehend aus zwei Flanschelementen, von denen jedes eine Stirnseite hat, die so konfiguriert ist, daß sie einer entsprechenden Stirnseite des anderen Flanschelementes gegenübersteht, wenn die Flanschelemente vereinigt sind und diese Flanschelemente in einer Verbindungsebene miteinander in Berührung stehen, wobei die Stirnseite jedes Flanschelementes wenigstens drei Oberflächenbereiche aufweist, von denen der zweite und dritte einander derart schneiden, daß ein Wulst gebildet wird, der einen Abstand von der Verbindungsebene hat,und der zweite und der erste Oberfl ä'chenbereich einander auf der Stirnseite jedes Flansches schneiden, und der Keil an einem der Flansche dem Keil auf dem anderen Flansch im Abstand gegenübersteht, so daß eine ringförmige Aussparung zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnteilen der Flanschelemente gebildet wird, wenn die Flanschelemente vereinigt sind, deren peripherer Teil durch den ersten und zweiten Oberflächenbereich jedes der Flanschelemente begrenzt ist, und einer Dichtung aus weichem Metall, die so konfiguriert ist, daß sie in der Aussparung aufgenommen wird, der Wulst auf der Stirnseite jedes Flansches in einen peripheren Bereich der Dichtung eindringt, wenn die Flanschelemente vereinigt werden, so daß Dichtungsmaterial in den peripheren Bereich der Aussparung extrudiert und den ersten Oberflächenbereich auf der Stirnseite jedes Flanschelementes berührt·, wenn die Flanschelemente vereinigt sind, und der erste und der zweite Oberflächenbereich auf der Stirnseite jedes der Flanschelemente so konfiguriert ist, daß das Volumen des peripheren Teils der Aussparung größer ist als das Volumen des Dichtungsmaterials, das in diesen peripheren Bereich der Aussparung extrudiert werden kann, wenn die Flanschelemente vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Oberflächenbereiche der beiden Flanschelemente miteinander einen Winkel einschließen, der kleiner ist als 180°, so daß die distributive Kompressionskraft, die von jedem der drei Oberflächenbereiche auf der Stirnseite jedes Flanschelementes auf das

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Dichtungsmaterial innerhalb des peripheren Bereichs der Aussparung ausgeUbt wird, eine Komponente senkrecht zu der Verbindungsebene hat.
2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenbereich auf der Stirnseite jedes der Flanschelemente die Verbindungsebene unter einem spitzen Winkel im Bereich von 60° bis schneidet und der dritte Oberflächenbereich auf der Stirnseite jedes der Flanschelemente die Verbindungsebene unter einem spitzen Winkel im Bereich von 60° bis 75° schneidet.

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