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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Dichtungen
für Rohrverbindungen, wobei
ein inneres Einsteckende eines Rohrstückes in ein passendes, äusseres
Muffenende eines Rohrstückes
eingesetzt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Rohrstücke aus
thermoplastischen Werkstoffen einschliesslich Polyäthylen und
PVC werden in vielfältigen
Industrien eingesetzt. Zur Herstellung einer Verbindung zwischen
Rohrstücken
wird das innere oder Einsteckende in das äussere oder Muffenende eingeführt. Ein
Elastomerring oder eine ringförmige
Elastomerdichtung sitzt normalerweise in einer Nut des Muffenendes
des thermoplastischen Rohrstückes.
Beim Einführen
des Einsteckendes in das Muffenende gewährleistet der Elastomerring
das Hauptdichtungsvermögen
der Verbindung. Es ist wesentlich, dass die Dichtung sich beim Einführen des Einsteckendes
nicht verdrehen oder umkippen kann, da eine verdrehte oder eine
umgekippte Dichtung letztendlich die Dichtheit der Rohrverbindung
nachteilig beeinflussen kann. Gemäss früheren Versuchen zum Stabilisieren
des Dichtungsringes in seiner zugeordneten Nut wurden innere oder äussere Verstärkungsringe
oder -bänder
vorgesehen, die dem elastischen Dichtungsring eine zusätzliche
Steifigkeit verliehen.
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Versuche
wurden auch unternommen zum Verstärken der Rohrstücknut oder
der angrenzenden Rohrstückwand.
Um die Unversehrtheit der Rohrverbindungen unter den beanspruchenden
Bedingungen zu gewährleisten
wurde, gemäss
einem frühen Versuch,
eine örtliche
Verstärkung
des Nutteiles des Muffenendes durch eine grössere Wandstärke in diesem
Bereich des Rohrstückes
vorgesehen. In einigen Fällen
wurden auch Verstärkungshülsen angebracht.
Alle diese Vorschläge
waren weniger geeignet, und in einigen Fällen konnte die erforderliche
Unversehrtheit der Rohrverbindung nicht gewährleistet werden und darüber hinaus
erhöhten
diese Vorschläge öfters die
Komplexität
und den Aufwand des Herstellungsverfahrens. Selbst in Anwendungen
wo die Druckbedingungen nicht sehr gross sind, wie z.B. in Abwasserleitungen
oder Bewässerungsleitungen,
ist es erwünscht,
dass die Rohrdichtung in der richtigen Lage bleibt, um die Dichtheit
der Verbindung sicherzustellen.
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In
den frühen
1970ern wurde durch Rieber & Son
aus Bergen, Norwegen, eine neue Technologie entwickelt, die in der
Industrie als "Rieber-Verbindung" bekannt ist. Das
Rieber-System verwendete ein kombiniertes Formelement mit Dichtungsring zum
Abdichten einer Verbindung zwischen dem Muffenende und dem Einsteckende
zweier zusammengesetzter Rohrstücke
aus thermoplastischen Werkstoffen. Gemäss dem Rieber-Verfahren wird
die Elastomerdichtung in eine Innennut in dem Muffenende des äusseren
Rohrstückes
gleichtzeitig mit dem Formen des Muffen- oder Auf weitendes eingesetzt.
Das Einsetzen einer vorgespannten und verankerten Elastomerdichtung
während
dem Rohraufweitverfahren in der Rohrfabrik schafft ein verbessertes
Muffenende für
eine Rohrverbindung mit einer Abdichtung, die sich nicht verdreht
oder wendet oder sonstwie Verunreinigungen in die Dichtungsstellen
der Verbindung eindringen lässt,
und somit die Zuverlässigkeit der
Verbindung verbessert und die Leckgefahr oder die Beeinträchtigung
der Dichtwirkung durch Abrieb herabsetzt. Das Rieber-Verfahren ist
u.a. in den folgenden erteilten US Patentsschriften beschrieben: 4,120,521;
4,061,459 (auf welche die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruches
1 sich stützt); 4,030,872;
3,965,715; 3,929,958; 3,887,992; 3,884,612 und 3,776,682.
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Eine
andere flexible Lippendichtung zeigt die US-A-3,179,446, Diese bekannte Dichtung ist
zwischen dem freien Ende eines Muffenendes eines Rohrstückes und
einer äusseren Dichtungshalte-
und Kompressionseinrichtung eingesetzt. Die Dichtung hat eine nach
hinten weisende vertikale Stufe und eine gleichförmig nach unten und nach hinten
geneigte äussere
Fläche,
die sich von der vertikalen Stufe zu der inneren oder hinteren Ecke
der Dichtung erstreckt zum Anpassen der Form der Dichtung an die
Form des Endes des Rohrstückmuffenendes.
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Das
Rieber-System schuf eine integrierend eingebaute Dichtung, die viele
der Nachteile der Dichtungen gemäss
dem Stand der Technik beseitigte hinsichtlich des Zurückhaltens
des Dichtungsringes in der richtigen Lage während dem Einbau und dem Einsatz.
Bei der Abkühlung
des Muffenrohrendes um die vorher angebrachte Dichtung wurde der Elastomerkörper der
Dichtung zwischen einem Stahlverstärkungsring und der in dem Muffenende
des Rohrstückes
geformten Nut zusammengedrückt. Beim
Einsetzen des Einsteckrohrstückes
zum Herstellen einer Rohrverbindung erfolgte ein weiteres Zusammendrücken der
Dichtung in Radialrichtung längs
einem inneren Kompressionsbereich der Dichtung.
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Trotz
den durch das Rieber-Verfahren erreichten Vorteilen wiesen die Kompressionsdichtgeometrien
in bestimmten Anwendungsfällen
Nachteile auf. In einigen Anwendungen, insbesondere bei grösseren Rohrdurchmessern,
war zum Einsetzen des Einsteckrohrendes in das Muffenrohrende eine hohe
Kraft erforderlich, die in einigen Fällen die Dichtung verformen
oder verlagern konnte. Auch bei Anwendungen mit dünner Rohrwandstärke, wie
z.B. Bewässerungsrohren,
kann durch die Kräfte,
die bei der Rohrherstellung gemäss
dem Rieber-Verfahren auftreten, das Rohrstück gedehnt werden, wodurch
die Wandstärke
in dem Dichtungsbereich auf unzulässige Werte vermindert wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Rohrdichtung zu schaffen
für verschiedene Systeme,
wie z.B. Abwasserrohre oder Bewässerungsrohre,
die unter Vermeidung der eingangs erwähnten in dem Stand der Technik
angetroffenen Probleme die Vorteile einer Rieber-Dichtung gewährleistet.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es eine Rohrdichtung zu schaffen
mit einem niedrigeren Profil und dementsprechend einer geringeren
Einführungskraft
für das
innere Einsteckende zum Einsatz in das Muffenende, um den Zusammenbau
der Rohrverbindung an der Arbeitsstelle zu vereinfachen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es ein Dichtungssystem der vorstehend
beschriebenen Bauform zu schaffen, wobei eine Dichtung in eine Nut eines
inneren Muffenendes eines thermoplastischen Rohrstückes eingesetzt
wird, wobei die Dichtung mit einem niedrigeren Profil versehen ist
zum Vereinfachen des Aufweitvorganges in einem Rieber-Verfahren
bei Rohrstücken
mit dünnerer
Wandstärke
und zum Verringern der Materialbeanspruchung in den Rohrwänden in
dem Bereich der Dichtungsnut, um dadurch eine unerwünschte Dehnung
und Herabsetzung der Wandstärke
zu vermeiden.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Dichtung zu
schaffen für
ein Dichtungssystem, wobei die Dichtung eine einzige, im Wesentliche
homogene Zusammensetzung aufweist, anstelle unterschiedlicher Abschnitte
aus verschiedenen Werkstoffen, wie z.B. Gummiabschnitte verschiedener
Härte oder
Teile aus Kunststoff und Gummi.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Dichtung
zu schaffen mit einem niedrigen Profil und gemäss der Lippenbauform, welche den
Zusammenbau der Rohrverbindung erlaubt ohne Abschrägung am
inneren Einsteckende des Rohrstückes.
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Erläuterung
der Erfindung
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Die
Erfindung schafft eine Rohrdichtung zum Einsatz in eine in einem
Muffenende eines thermoplastischen Rohrstückes geformte Nut, wobei die Dichtung
einen ringförmigen
Elastomerkörper
mit einer im wesentlichen homogenen Zusammensetzung aufweist, der,
im Schnitt betrachtet, versehen ist mit: einem vorderen Nasenbereich
und einer radial nach innen geneigten Hauptdichtfläche, die
eine Dichtlippe bildet zur Anlage an einem passenden Einschiebende
eines Rohrstückes
beim Einführen,
wobei die Hauptdichtfläche
an einer sekundären
Dichtfläche über einen
dazwischenliegenden Umfangsnutbereich angeschlossen ist, wobei die
sekundäre
Dichtfläche
einen flachen Umfangsbereich aufweist, der in einer inneren Ecke
der Dichtung endet, wobei die innere Ecke an einen äussersten
Wandbereich der Dichtung über
eine äussere,
nach oben geneigte Dichtfläche
angeschlossen ist, und wobei die Dichtung desweiteren eine äussere,
nach unten geneigte Dichtfläche
aufweist, die mit dem vorderen Nasenbereich verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, dass der äusserste
Wandbereich der Dichtung durch eine nach vorne weisende vertikale
Stufe an die äussere, nach
unten geneigte Dichtfläche
angeschlossen ist, und dass die äussere,
nach unten geneigte Dichtfläche
gleichförmig
nach unten von der vertikalen Stufe zu dem vorderen Nasenbereich
geneigt ist.
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Gemäss einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
sind die Abmessungen und die Geometrie der Dichtung ausgewählt, um
ein niedriges Profil zu erreichen, das die Einführungskraft beim Zusammenbau
der Rohrverbindung herabsetzt und auch bestimmte Probleme während dem
Herstellungsverfahren vermeidet, wobei die Elastomerdichtung in
eine innere Nut in einem Muffenende eines Rohrstückes eingesetzt wird, gleichzeitig
mit dem Formen des Muffenendes oder des Auf weitendes des Rohrstückes.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise Darstellung eines Rohrstückes gemäss der Erfindung, in Perspektive und
zum Teil aufgebrochen, wobei ein inneres Einsteckende in ein äusseres
Muffenende einzusetzen ist und das Muffenende eine Nut aufweist
zur Aufnahme der Rohrdichtung gemäss der Erfindung;
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2 zeigt
zum Vereinfachen der Zeichnung, eine Einzeldarstellung des Dichtungsringes gemäss der Erfindung
im Längsschnitt;
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3 ist
eine Darstellung der Dichtung gemäss der 2 im dem
zusammengedrückten
Zustand nach dem Einführen
des inneren Einsteckendes in das äussere Muffenende zur Herstellung
einer Rohrverbindung; und
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die 4–7 sind
vereinfachte, schematische Darstellungen des Rieber-Verfahrens gemäss dem Stand
der Technik zum Einsetzen einer Kompressionsdichtung in eine in
dem Muffenende eines thermoplastischen Rohrstückes geformten Nut.
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Bestes Ausführungsbeispiel
zur Durchführung
der Erfindung
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Die
Vorteile, welche durch die Rohrdichtung gemäss der Erfindung mit der verbesserten
Dichtungsgeometrie erreicht werden sind am besten verständlich mit
Bezug auf die bekannten Dichtungen, die gemäss dem Rieber-Verfahren hergestellt
sind. Die 4–7 zeigen
das Rieber-Verfahren zum Einsetzen eines Kompressionsdichtungsringes
gemäss
dem Stand der Technik in eine Nut in dem Muffenende eines Rohrstückes.
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Die 4 zeigt
einen Dichtungsring 11 aus Elastomerwerkstoff mit einem
Stahlverstärkungsring 13 auf
der im Wesentlichen zylindrischen, äusseren Arbeitsfläche 15 eines
Dornes 17, der in dem Aufweitverfahren eingesetzt wird.
Der Elastomerdichtungsring 11 kann z.B. aus Gummi hergestellt
sein und ist ein ringförmiger
Umfangsbauteil mit einem unteren Kompressionsbereich 19 und
einem freiliegenden Nasenteil 21, der, wie in 4 gezeigt,
an einer Stütz- oder Formhülse 23 anliegt.
Die Formhülse 23 hat
eine erste, im Wesentlichen zylindrische Ausdehnung 25,
die an eine zweite, im Wesentlichen zylindrische Ausdehnung 27 in
einem Schulterbereich 29 anschliesst, wobei die zweite
Ausdehnung 27 einen grösseren äusseren
Durchmesser als die erste zylindrische Ausdehnung 25 aufweist,
wie in 4 dargestellt.
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Gemäss dem Verfahren
des Standes der Technik wird der stahlverstärkte Elastomerring 11 auf die
Arbeitsfläche
des Dornes 17 aufgebracht und in eine Stellung gedrückt, damit
er an der Stütz-
oder Formhülse 23 anliegt.
In dieser Stellung ist der Dichtungsring fest mit der Dornoberfläche verankert.
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In
dem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Muffenende 33 des
thermoplastischen Rohrstückes 31 erhitzt
und über
den Stahldorn 17, den Dichtungsring 11 und die
Stützhülse 23 geschoben.
Das Muffenende wird aufgeweitet infolge der thermoplastischen Eigenschaft
des Rohrstückes.
Verschiedene thermoplastische Werkstoffe, wie z.B. Polyäthylen, Polypropylen
und Polyvinylchlorid (PVC) sind in dem Stand der Technik bekannt
und haben die erforderlichen Dehnungseigenschaften, je nach der
Endverwendung der Rohrverbindung.
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Das
Muffenende 33 gleitet über
die erste, zylindrische Ausdehnung 25 der Stützhülse 23 und stösst gegen
den Schulterbereich 29 in dem zweiten Schritt des Verfahrens.
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In
dem nächsten
Schritt dieses Verfahrens (6) bewegen
sich der Dorn und das Rohrstück von
der Stützhülse 23 weg
und das Muffenende 33 des Rohrstückes zieht sich infolge der
elastischen Kräfte
des thermoplastischen Werkstoffes um den Dorn und den Dichtungsring 11 zusammen.
Es ist auch üblich über die
Bohrungen 35, 37, welche die Dornarbeitsfläche mit
einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbinden, einen Unterdruck
anzulegen.
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Im
letzten Schritt des Verfahrens (7) wird
das Muffenende 33 durch ein Wassersprührohr 39 mit Sprühdüsen 41 gekühlt. Beim
Abkühlen schrumpft
das Muffenende 33 des Rohrstückes um den Dichtungsring 11 und
drückt
dabei den Gummikörper
des Dichtungsringes zusammen zwischen dem Stahlverstärkungsring 13 und
der Muffennut zum Erzielen einer festen Dichtung. Da der Dichtungsring
gegenüber
dem Muffenende unter geregelten Bedingungen in der Fabrik abgedichtet
wird besteht keine Gefahr, dass während der Lagerung, dem Transport
oder dem Zusammenbau, Sand oder andere Verunreinigungen in die kritische
Dichtzone der Dichtung gelangen können.
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Das
vorstehend beschriebene Rieber-Verfahren findet seit den frühen 1970ern
eine kommerzielle Anwendung und ist u.a. in den eingangs erwähnten US
Patentschriften beschrieben. Dieses Verfahren ist somit dem Fachmann
auf dem Gebiet der Abdichtungen für thermoplastische Rohrstücke allgemein
geläufig.
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Die 1 zeigt
eine Dichtung gemäss
der Erfindung, allgemein mit 43 bezeichnet, die in eine Nut 45 in
einem Muffenende 47 eines thermoplastischen Rohrstücks eingebaut
ist. Die Dichtung 43 hat ein niedriges Profil und eine
verbesserte Dichtungsgeometrie, damit das innere Einsatzende 49 eines Rohrstückes in
das äussere
Muffenende 47 mit minimaler Kraft eingesetzt werden kann
unter Aufrechterhaltung der erwünschten
Dichtungseigenschaften der Rohrverbindung. Die Dichtung gemäss der Erfindung
ist geeignet für
verschiedene Anwendungen, einschliesslich Abwasserrohre und Bewässerungsrohre.
Insbesondere bei Bewässerungsrohren
werden Infiltrationsprobleme angetroffen gegenüber Aussicherungsproblemen
wie sie in vielen Hochdruckanwendungen auftreten. Die Dichtung gemäss der vorliegenden
Erfindung gewährleistet
das erforderliche Dichtungsvermögen
sowohl für
Abwasserrohre als auch für
Bewässerungsrohre.
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Die
verbesserte Geometrie der Dichtung gemäss der Erfindung ist am besten
zu verstehen mit Bezug auf die Schnittdarstellung gemäss der 2 der
Zeichnungen, wobei die Rohrdichtung gemäss der Erfindung insgesamt
mit 73 bezeichnet ist. Die Dichtung besteht aus einer im
Wesentlichen homogenen Zusammensetzung, wie z.B. einem geeigneten
Gummiwerkstoff, anstatt eines Elastomerbereiches, der mit einem
starren Kunststoffbereich verbunden ist. Ein Natur- oder synthetischer
Gummi mit einer A55 Durometerhärte,
wie z.B. ein Gummi der "SBR" Handelsgüte hat die
bevorzugte Verformbarkeit der Dichtung. Die Dichtung 73 hat
einen vorderen Nasenbereich 75, der mit einer radial nach
innen geneigten Hauptdichtfläche 77 verbunden
ist, welche eine Dichtlippe bildet zur Anlage an einem zusammenpassenden
Einsteckende während
dem Zusammenbau. Die Hauptdichtfläche 77 ist über einen
dazwischen liegenden Umfangsnutbereich 81 mit einer sekundären Dichtfläche 79 verbunden.
Die sekundäre
Dichtfläche 79 hat
einen flachen Umfangsbereich, der in einer inneren Ecke 83 der
Dichtung endet.
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Die
innere Ecke 83 ist über
eine äussere Dichtfläche an einen äussersten
Wandbereich der Dichtung angeschlossen. Die äussere Dichtfläche, mit 85 in 2 bezeichnet,
beginnt als eine gleichförmig
geneigte Fläche
an der inneren Ecke 83. Die Neigung der Fläche bildet
einen Winkel β von
etwa 54 Grad mit Bezug auf eine Vertikalachse 86. Die äussere Dichtfläche 85 dreht
in einem Winkel zum Formen einer ersten Knickstelle 87 mit
einer ersten radialen Verlagerung auf der äusseren Dichtfläche in Bezug auf
die horizontale Rohrstückachse 89 (1).
Die äussere
Dichtfläche
erstreckt sich weiter zu einer zweiten Knickstelle 91 mit
grösserer
relativer radialer Verlagerung als die erste Knickstelle, um einen
abgewinkelten Radialbereich 88 zu bilden. Die zweite Knickstelle 91 schliesst
an eine vertikale Stufe 92 an, die zu einer abwärts geneigten
Aussenfläche 90 der Dichtung
führt,
welche mit dem Nasenbereich 75 verbunden ist.
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Ein
Verstärkungselement,
wie z.B. ein Metallring 95, ist in dem ringförmigen Elastomerkörper an
einer Umfangsstelle eingeschlossen.
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Die
Dichtung 73 gemäss
der Erfindung hat eine Länge
zwischen dem Nasenbereich 75 und der inneren Ecke 83 und
hat eine Gesamtbreite zwischen der Knickstelle 91 des äussersten
Wandbereiches und der innersten Erstreckung (97 in 2)
des Lippenbereiches. In 2 ist die Gesamtlänge mit "L1" und die Gesamtbreite
mit "W1" bezeichnet. In dem dargestellten,
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist L1 etwa 28,8 mm und W1 etwa 15 mm. Demgemäss ist das bevorzugte Verhältnis der
Länge zur
Breite mindestens etwa 2:1. Die Dichtung hat auch eine "mittlere Dichtungsbreite" W2, dargestellt
durch den Abstand zwischen den Knickstelle 91 und der Achse 99 in 2.
Die mittlere Dichtungsbreite beträgt 11,25 mm für das besondere
Ausführungsbeispiel der
Dichtung gemäss 2.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
gemäss 2 hat
der Nutbereich 81 der Dichtung eine Innenwand 101,
die einen spitzen Winkel α von
etwa 40 Grad mit der Nutfläche 81 bildet.
Der Nutbereich hat auch eine Aussenwand 103, die einen
stumpfen Winkel mit dem restlichen Teil des Nutbereiches bildet.
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Die
vorstehend beschriebenen Winkel und Abmessungen schaffen eine Dichtung
mit einer verbesserten Geometrie, insbesondere für dünnwandige Kunststoffrohrstücke und
in Anwendungen wo Infiltration eine grösseres Problem als die Aussickerung
darstellt. Die Dichtung gemäss
der Erfindung hat auch ein niedrigeres Profil, welches den Zusammenbau
der Rohrverbindung erleichtert und auch den Aufweitprozess in einem
Herstellungsverfahren gemäss
des Rieber-Typs vereinfacht.
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Obschon
das innere Einsteckende 49 gemäss 1 eine Abschrägung 50 aufweist,
erlaubt die erfindungsgemässe
Dichtung mit niedrigem Profil und der Lippenbauform den Zusammenbau
der Rohrverbindung mit einem nicht abgeschrägten Einsteckende. Dies ist
vorteilhaft wenn im Feld das Einsteckende des Rohrstückes durchzutrennen
ist.
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Eine
Erfindung mit vielen Vorteilen wurde geschaffen. Das Dichtsystem
gemäss
der Erfindung stellt eine integrierend geformte Dichtung bereit
in einer Nut, die in dem Muffenende eines thermoplastischen Rohrstückes geformt
ist und eine verbesserte Geometrie aufweist, und welche besonders
vorteilhaft ist in Abwasser- und Bewässerungsrohranlagen. Die Doppelzweckdichtung
gemäss
der Erfindung behebt Probleme des Standes der Technik durch Herabsetzung
der aufzuwendenden Einführungskraft
für diese
Anwendungsfälle
unter Beibehaltung der erforderlichen Dichtwirkung. Die Dichtung
der Erfindung behebt auch bestimmte Probleme, die im Stand der Technik
beim Aufweiten des Rohrstückes
angetroffen wurden und wobei die Rohrwandstärke ein einschränkender
Zwang war hinsichtlich der Fähigkeit des
gleichzeitigen Formens der Dichtungsnut und des Anbringes des Dichtungsringes.
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Obschon
die Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben
wurde, ist sie nicht darauf eingeschränkt sondern es können vielen Abänderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden ohne dadurch den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen.