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Diese Erfindung bezieht sich auf Rohrkupplungen und
insbesondere auf Rohrkupplungen der Art, die zugerichtet sind,
um ein flach (gerade) endendes Rohr mit einem anderen Rohr
zu verbinden.
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Es soll so verstanden werden, daß der Ausdruck "Rohr", wie
er hier gebraucht wird, Rohr und Schläuche als solche
einschließt und auch rohrartige Stücke und Fittings für ein
Rohnetz, wie Bogen, Knie, "T"-Verbinder, Flansch-Adapter
und Teile und Objekte, die an das Rohrnetz anzubringen
sind, wie Ventile und Pumpen. Solche Rohre können
Unterschiede in der Enden-Ausbildung haben und können z. B.
gerade endend oder flanschartig endend sein.
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Rohrkupplungen von der vorbezeichneten Art tragen
gewöhnlich eine ringförmige Hülse, die das Ende des gerade
endenden Rohres überlagert, ein Dichtungsstück, das im
Gebrauch in einer ringförmigen Anordnung an einem Ende der
Hülse um das gerade endende Rohr gelegt ist, und einen
ringförmigen Druckflansch, der an einem Ende der Hülse
angeordnet ist und zwar so, daß er axial gegen das
Dichtungsstück durch Zusammenziehmittel gezogen wird, damit
das Dichtungsstück in Dichtkontakt zwischen die Hülse und
die äußere Peripherie des ebenendigen Rohres, das
innerhalb der Hülse angeordnet ist, gezwungen wird.
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Solche Rohrverbinder können beispielsweise hergestellt
werden aus vorwiegend bearbeitbarem Eisen, Stahl oder
Kunststoffmaterial; die Dichtungen bestehen aus einem
geeigneten elastischen Material.
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Rohrverbinder dieser Art werden oft zum Verbinden zweier
gerade endenden Rohre verwendet, wobei Dichtungsstücke und
Kompressionsflansche an beiden Enden der Hülse vorgesehen
sind, und die Dichtziehmittel stellen gewöhnlich eine
Verbindung zwischen den Flanschen her. Gewöhnlich sind solche
Rohrobjekte zwei Rohre selbst oder z. B. ein Rohr und das
gerade Ende eines Flansch-Adapters.
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Die Paare der Druckflansche solcher Kupplungen können mit
Zusammenziehmitteln versehen sein, die die Flansche
zusammenziehen, und können Bolzen umfassen, die sich entlang
der Länge der Hülse erstrecken und durch Öffnungen
erstrecken, die in äußeren radialen Ausläufern der Flansche
herum verteilt eingebracht sind, wobei jene Schraubbolzen an
einem Ende mit einem Kopf versehen sind und am anderen
eine Mutter tragen, so daß die Flansche zusammengezogen
werden, wenn die Muttern auf den Bolzen angezogen werden.
Alternativ können die Gegenflansche in oder auf die Enden
der Hülse geschraubt sein.
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Während solche Rohrkupplungen weit verbreitet sind, war
historisch eine bestimmte Kupplungsgröße nur geeignet für
einen begrenzten Außendurchmesserbereich von gerade
endenden Rohren eingesetzt zu werden und zwar wegen der
Beschränkungen die der Gebrauch eines axialverschieblichen
ringförmigen Dichtungsstückes zwischen der inneren
Wandfläche der Hülse und der äußeren Wandfläche des
ebenendigen Rohres, die durch die Kupplung verbunden und
abgedichtet werden sollten, mit sich bringt.
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Versuche wurden unternommen, um den Bereich der Rohre zu
erweitern, die von bestimmten Kupplungen verbunden werden
konnten, durch Kupplungsentwürfe, die ringförmige
Dichtungen mit großen Dichtungsvolumina hatten, so daß
durch deren axiale Kompression eine beachtliche radial
Verformung und Ausdehnung entstehen konnte, um einen
abzudichtenden Ringraum beachtlicher Größe zwischen dem
Inneren der Kupplung und dem abzudichtenden und zu
verbindenden Rohr zu überbrücken. Jedoch Kostenbeschränkungen für
das Dichtungsvolumen und Grenzen der vernünftig möglichen
anwendbaren Druckkräfte auf die Dichtungen bringen immer
noch eine merkliche Einschränkung des Bereichs der
Rohrgrößen, die mit einer jeden Kupplung angepaßt werden kann,
wogegen ein stets wachsender Bedarf für solche Kupplungen
besteht, die für einen größeren Größenbereich von Rohren
zugebrauchen sind. Außerdem treten technische Probleme
zunehmend während er axialen Kompression durch ungleiche
radiale Bewegung der Dichtungen und damit des Flansches um
die Rohrachse auf, was zu ernsten Verbindungs- und
Dichtigkeitsschwächen führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
vorstehenden Probleme zu überwinden oder zumindest merklich zu
mindern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Rohrverbinder
vorgesehen, der eine ringförmige Hülse umfaßt, die beim
Gebrauch mit einem ihrer freien Enden so angeordnet ist,
daß sie ein Ende eines gerade endenden Rohres überlagert,
damit sie durch eine Kupplung damit verbunden wird; das
freie Ende der Hülse ist zu seinem Ende hin radial nach
außen abgewinkelt; ein elastisches ringförmiges
Dichtungsstück ist zumindest teilweise innerhalb des abgewinkelten
freien Endes der Hülse angeordnet und dort mittels eines
ringförmigen Druckflanschstückes gehalten; der
Druckflansch hat einen Schildabschnitt vom freien Ende der
Hülse axial weggerichtet liegend, und er erstreckt sich
radial nach innen, und ein axial zur Hülse gerichtetes und
deren freies Ende überlagerndes (Überwurf) Kragenteil
erstreckt sich davon; das Dichtungsstück beinhaltet unter
Entspannungsbedingung eine axial nach außen liegende
Rückfläche, die im Gebrauch so angeordnet ist, daß sie eine
axial nach innen gerichtete Stirnseite des sich
ringförmigen radial nach innen erstreckenden Abschnittes des
Flanschstückes berührt; eine radial innere Oberfläche
erstreckt sich im wesentlichen axial nach innen in die
Kupplung von der Dichtungsferse zur Dichtungsfußspitze, und
eine geneigte Oberfläche erstreckt sich im wesentlichen
zwischen den beiden vorgenannten Oberflächen des
Dichtungsstückes, und diese ist im Gebrauch so angeordnet, daß
sie die geneigte Oberfläche des freien Endes der
ringförmigen Hülse berührt; die geneigte Oberfläche des
Dichtungsstückes hat in der entspannten Stellung einen kleineren
Winkel als die geneigte Oberfläche des freien Endes der
Hülse in Bezug auf die Längsachse der Kupplung, und die
Rückfläche der Dichtung kann radial nach innen gleiten auf
der axial inneren Oberfläche des Schildabschnittes des
Flansches, wobei deren radiale Einwärtsbewegung oder deren
Tendenz sich zu bewegen durch einen Anschlag zwischen
einem Absatzteil auf der Rückseite der Dichtung und der
axial nach innengerichteten Fläche (Stufe) des Flanschstückes
begrenzt ist, und Zusammenziehmittel sind mit dem
Druckflanschstück verbunden, um in Gebrauch die Druckkraft auf
die Dichtung auszuüben, um die Dickheit der Dichtung
sicherzustellen.
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Beim Gebrauch der Kupplung gemäß der Erfindung gibt es
folgende Betriebsfolgen wenn eine Verbindung mit einem
Rohr großen Außendurchmessers im Anwendungsbereich der
Kupplung hergestellt wird:
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Die Zusammenziehmittel erzeugen einen zunehmenden axialen
Druck auf den Flansch, der diesen auf die Dichtung
überträgt. Vermöge der verschiedenen Winkel zwischen der
geneigten Oberfläche des freien Endes der ringförmigen Hülse
und der geneigten Oberfläche der Dichtung neigt und
deformiert die fortschreitende Bewegung die Dichtung (in dem
seine Fußspitze axial und radial nach innen entlang der
geneigten Oberfläche der Hülse gleitet), so daß dessen
geneigte Oberfläche parallel zu geneigten Oberfläche der
Hülse gerichtet ist, wenn genügend Bewegung möglich ist
bevor die Fußspitze der Dichtung auf dem Rohr trägt. Wenn
danach die Fußspitze der Dichtung immer noch nicht auf dem
Rohr trägt, gleitet ihre geneigte Oberfläche herunter von
der nun komplementär geneigten Oberfläche der Hülse bis
die Fußspitze der Dichtung auf dem Rohr trägt, und
gleichzeitig verformt sich die Ferse der Dichtung radial und
axial nach innen, und die Dichtung gleitet radial nach
innen an der inneren Oberfläche des Schildabschnittes
herunter (um sich möglicherweise mit einem größeren
Rohrdurchmesser zu dehnen), bis die radial innere Oberfläche der
Dichtung mit der Fußspitze und mit der Ferse der Dichtung
auf dem Rohr kontaktiert. Danach wird jede weitere axiale
Kraft, die durch die Zusammenziehmittel aufgebracht wird,
durch den Flansch einen dauernden "Quetsch"-Druck auf die
Dichtung ausüben, damit sie zwischen den betreffenden
Teilen der Kupplung und der äußeren Oberfläche des Rohres mit
dem großen Durchmesser abdichtet.
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Mit einem Rohr von kleinem Außendurchmesser in einer
Kupplungsart ist die betriebliche Folge gewöhnlich, wie
oben mit Bezug auf einen großen Außendurchmesser
beschrieben, ausgenommen, daß in diesem Fall nach dem
Neigen, Gleiten und Verformen der Dichtung, so daß deren
ge
neigte Oberfläche parallel zur geneigten Oberfläche der
Hülse ist, eine merklich größere radiale einwärts
gerichtete Bewegung der Spitze der Dichtung durch eine
beträchtliche Bewegung der Zusammenziehmittel und des Flansches,
wobei die geneigte Oberfläche der Dichtung an der
komplementär geneigten Oberfläche der Hülse herabgleitet,
erzeugt wird. Zur gleichen Zeit während dieser axialen und
radial einwärtigen Bewegung der Fußspitze der Dichtung
gleitet die Rückseite der Dichtung auf der inneren
Oberfläche des Schildteiles in einem größeren Maße nach innen
als bei einem Rohr mit großem Außendurchmesser, und die
Bewegung kann so sein, daß sie fortdauert, bis eine
weitere Bewegung durch eine Berührung zwischen dem Absatz an
der Rückseite der Dichtung und der axial inneren
Oberfläche (Stufe) des Flanschstückes verhindert ist. Danach wird
unter fortdauernder Kompression die Fußspitze der Dichtung
auf die äußere Oberfläche des Rohres mit niedrigem
Durchmesser unter ansteigenden Kontaktdruck gezwungen.
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Der Betrieb der Verbinders reduziert ergänzend zur
Ermöglichung einer Abdichtung in einer beachtlichen
Bereichsbreite von Außendurchmessern ganz wesentlich die Gefahr
einer ungleichen axialen und radialen Bewegung der
Dichtung während der Flanschzusammenziehung, weil die
anfängliche Bewegung (die die überwiegende Bewegung ist) der
Dichtung sowohl axial als radial unter der
Flanschzusammenziehung bei begrenztem Reibungswiderstand
verhältnismäßig leicht ist, wenn die Dichtung sich neigt sowohl radial
und axial nach innen gleitet, bevor sie schwerer wird,
sobald die zueinandergehörigen geneigten Oberflächen der
Hülse und der Dichtung parallel sind, wonach die radial
einwärts gerichtete Bewegung der Ferse der Dichtung
möglich wird. Diese Ereignisfolge führt unausweichlich zu
einem viel geringeren Risiko ungleiche endgültige
Positionen der Dichtung und damit der Flansche bei einer fertigen
Verbindung zu erreichen.
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Es wird aus dieser Funktionsbeschreibung leicht entnommen,
daß die verschieden geneigten Oberflächen der Dichtung und
der Hülse und die Leichtigkeit der nach innen gerichteten
radialen Bewegung der Ferse der Dichtung wichtige Aspekte
der vorliegenden Erfindung sind.
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Weiterhin unterstützen die gegenseitig sich berührenden
Absätze auf der Rückseite der Dichtung und dem Schildteil
des Flansches stark die allgemeine Zentrierung der
Dichtung innerhalb der Kupplung, wodurch sie die
Zentrierung der Kupplung selbst auf einem Rohr stattfindet; dies
wird besonders offensichtlich auf einem Rohr geringen
Außendurchmessers einer Kupplungsart. Dies hat den Vorteil,
daß jeglicher unannehmbar plazierter Dichtungsaustritt an
irgend einem Punkt um die Dichtung zwischen dem Flansch
und dem zu koppelnden Rohr vermieden wird, welcher
Austritt ansonsten unausweichlich zu einem Frühausfall der
Kupplung führen würde.
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Die Verbinder nach der Erfindung sind zur Verbindung
zweier gerade endenden, aneinanderstoßenden Rohre
vorgesehen und sollten deshalb Druckflansche, Dichtungspackungen
und Dichtmittel an jedem Ende einer doppelendigen Hülse
umfassen, die beidendig nach außen ansteigende Enden hat.
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Die Erfindung umfaßt in ihrem Aspekt einen Rohverbinder,
wie hier definiert, der auf mindestens ein gerade endendes
Rohr montiert ist.
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Wenn der Verbinder für zwei aneinanderstoßende gerade
endende Rohre vorgesehen ist, umfassen die Dichtziehmittel
Bolzen und Schrauben, sie sich zwischen radial nach außen
gerichteten Abschnitten der Druckflansche erstrecken, die
an jedem Ende der endseitig offenen Hülse sitzen.
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Die im wesentlichen axiale Oberfläche der Dichtung, die
das Rohr berührt, kann mit einer Vielzahl von Rippen
versehen sein, um eine Vielzahl von Hochdruck-Kontaktlinien
zur Unterstützung des Dichtens zu bieten.
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Damit die Erfindung noch besser verstanden wird, wird nun
eine Ausführung beispielhaft mit Bezug auf die anliegende
Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Kupplung nach der Erfindung, die auf
der linken Seite eine Verbindung mit einem Rohr in
ihrem Verbindungsbereich mit großem
Außendurchmesser bildet und auf der rechten Seite
eine Verbindung mit in ihrem Verbindungsbereich
einem Rohr kleineren Außendurchmessers bildet;
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Fig. 2a) und b) veranschaulichen schematisch einen Teil
der Verfahrensfolge des Verbindens auf einem großen
Rohr;
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Fig. 3a), b) und c) zeigen schematisch einen Teil der
Verbindungs-Verfahrensfolgen auf einem kleinen
Rohr.
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Betrachtet man die Figuren sieht man eine Kupplung 1, die
eine beidseitig offen endige Hülse 2 umschließt, die
auswärts gerichtet ausgestellte Enden 13, 14 hat und sich
über die gegeneinander gerichteten zu verbindenden zwei
Rohre 3, 4 erstreckt. Das Rohr 3 zur linken hat einen
großen Außendurchmesser im Bereich der mit den
Erfindungsmitteln zu verbindenden Rohre, während das Rohr 4 rechts
einen kleinen Außendurchmesser im Bereich der Rohre hat,
die mittels der Kupplung der speziell gezeichneten Größe
zu verbinden sind.
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An beiden Seiten der Hülse 2 ist ein Druckflanschstück 5,
6 vorgesehen, das jeweils einen radial nach innen
gerichteten Schildbereich 7, 8 umfaßt, dessen innere Front mit
der Rückfront einer Dichtung 9, 10 in Berührung steht, wie
weiter beschrieben ist. Jedes Flanschstück umfaßt auch
einen axial nach innen sich erstreckenden Kragenteil
(Überwurf) 11, 12 mit ringförmiger Gestalt, das die auswärts
geneigten Enden 13, 14 der Hülse 2 überlagert. Endlich
gibt es einen radial nach außen gerichteten Bereich 15, 16
an jedem Flanschstück, das mit einer Anzahl von Bohrungen
17, 18 (eine ist an jedem Ende nur gezeigt) versehen ist,
durch die Bolzen 19 zum Zusammenziehen mit den Muttern 20
gesteckt sein können, um axialen Druck auf die Kupplung zu
bringen, um die Verbindung herzustellen.
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In dem Spalt zwischen dem Rohr 3, 4 ist an jedem Ende 13,
14 der Hülse 2 und der axial inneren Oberfläche 21, 23 des
Schildes 7, 8 des Flansches je eine Dichtung 9, 10
angeordnet, die allgemein gesprochen den Querschnitt eines
rechtwinkligen Dreiecks hat, obwohl im Detail wesentliche
Abweichungen von dieser Gestalt bestehen, wie beschrieben
ist.
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Jede Dichtung 9, 10 hat eine Rückseite 23, 24, die, obwohl
sie grundsätzlich senkrecht zu Kupplungsachse steht die
Gestalt zweier Stufen hat, die durch einen Absatz 25, 26
abgesetzt sind. Axial nach innen erstreckt sich von der
rückwärtigen Fläche und zwar von deren radial inneren
Kante (der Ferse der Dichtung) eine Rohranlagefläche 27,
28, die vier ringförmige, nach innen gerichtete Rippen 29
für einen verbesserten Dichtungskontakt mit dem Rohr 3, 4
aufweist, das dadurch abgedichtet werden soll. Die
Rückseitenfläche der Dichtung wendet sich an seinem radial
äußeren Ende in eine sich im wesentlichen axial erstreckende
Oberfläche 30, 31, die weiter in eine geneigte Oberfläche
32, 33 übergeht und in eine Fußspitze der Dichtung an
deren axial inneren Ende endet.
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Nach dem Zusammenstecken der Hülse 2 und der Dichtungen 9,
10 und der Druckflanschstücke 5, 6 um die zwei Rohre 3, 4,
die mit der Kupplung 1 der Erfindung verbunden werden
sollen, und nach dem Anziehen der Muttern 20 und der
Schrauben 19, die da herum verteilt sind, ist die Verbindung 2
um die zwei Rohre 3, 4 merklich verschieden an jedem Ende.
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Die wesentliche Verfahrensfolge des Verbindens beim Bilden
der Verbindung mit dem Rohr großen Durchmessers und dem
Rohr kleinen Durchmessers ist ganz allgemein vorstehend
beschrieben.
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Betrachtet man die Dichtung am linken Ende der Fig. 1 und
bezieht sich auf Fig. 2a) und b), die die Verfahrensfolge
zeigen, um diese Stellung zu erreichen mit dem gerade
endenden Rohr 3 großen Außendurchmessers, kann man in Fig.
2a) sehen, daß das ansteigende Ende 13 der Hülse, die
einen Winkel in der Größenordnung von 40º zur Kupplungsachse
aufweist, die Fußspitze 34 der geneigten Oberfläche 32 der
Dichtung 9 berührt, die eine Neigung in der Größenordnung
von 30º zur Kupplungsachse hat. Von dem derartigen
Unterschied der Neigungen wird nachweislich erbracht, daß durch
die axiale Kraft des Schildabschnittes 7 des
Flanschstückes die Dichtung 9 durch das geneigte Ende 13 der Hülse
2 infolge der Axialkraft die von dem Flanschstück 5 auf
die Dichtung ausgeübt wird, axial und radial nach innen
geneigt und gequetscht wird bis die Dichtungsfußspitze 34
auf dem Rohr 3 trägt, wie in Fig. 2b) gezeigt ist. Danach
wird die Ferse der Dichtung entlang dem Schildabschnitt 7
des Flansches radial nach innen gedrückt, was wieder
dessen Tragen auf dem Rohr 3 an diesem Ende verstärkt. Die
Abdichtung der Dichtung um das Rohr ist also ohne große
Bewegung der Dichtung 9 zusätzlich durch die
Kompressionsbewegung erreicht worden, die von der darauf einwirkende
Druckkraft herrührt.
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Die Lage, die die Dichtung am rechten Ende der Kupplung in
Fig. 1 zeigt, ist jedoch völlig anders. In Bezug auf Fig.
3a) sieht man, daß die axiale Kraft, die auf die Rückseite
24 der Dichtung von der axial inneren Fläche 22 des
Schildabschnittes 8 des Flanschstückes 6 rührt, die
Dichtung zuerst neigt und die Spitze 35 der Dichtung an der
geneigten Fläche der Hülse radial und axial nach innen
herabgleiten läßt bis die Neigung der geneigten Fläche 33
der Dichtung 10 gleich der des geneigten Endes 14 der
Hülse ist (s. Fig. 3b)), wonach die Dichtung 10 mit der
Rückseite 24 radial nach innen wandert, wobei sie auf der
axial inneren Seite des Schildes 8 radial nach innen gleitet
(wie in Fig. 3c) gezeigt) bis die Fußspitze 35 der
Dichtung 10 auf dem Rohr 4 aufliegt und der Absatz 26 der
Dichtung 10 auf einer axial nach innen gerichteten Stufe
36 des Schildabschnittes des Flanschstückes 6 aufliegt,
die jede weitere radial nach innen gerichtete Bewegung der
Rückseite 4 der Dichtung 10 begrenzt und außerdem jede
Neigung hindert aufgrund von Druck in dem Rohr die
Dichtung durch den Spalt herauszudrücken, der das radial
innere Ende des Schildes 8 von der äußeren Oberfläche des
Rohres 4 trennt. Der Flansch 5 hat eine entsprechende
Schulter (Stufe) 37. In der gezeigten Anordnung bringt die
Abdichtung zwischen der Spitze 35 der Dichtung 10 und dem
Rohr 4 gleichermaßen eine dichte Verbindung mit der
Kupplung, so daß insgesamt eine befriedigend dichte Verbindung
zwischen den zwei aneinanderstoßenden Rohren 3, 4 und der
Kupplung 1 erreicht ist.
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Es versteht sich, daß das vorstehende nur beispielhaft für
Kupplungen und Verbindungen ist, die damit nach der
Erfindung gebildet werden und daß Änderungen einfach daran
vorgenommen werden können, ohne von der Anspruchsbedeutung
abzuweichen. So können zum Beispiel die ansteigenden Enden
der Hülse Abschnitte umfassen, die verschiedene
Neigungswinkel haben, oder teilweise gerundet sind, um eine
veränderliche Neigung zu bieten.