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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Armatur für fluide Medien, insbesondere mit einer Absperr-, Regel- oder Ventilfunktion, mit einem Armaturengehäuse und einem Anschlussteil für ein Rohr aus Metall und/oder Kunststoff. Die Erfindung betrifft weiter eine Verbindungsanordnung zum Verbinden einer Armatur für fluide Medien mit einem Rohr aus Metall und/oder Kunststoff und ein Verfahren zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen einer Armatur und einem Rohr aus Metall und/oder Kunststoff.
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Stand der Technik
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Armaturen wie z. B. Absperrhahnen, Sicherheits-, Regel- und Stellventile oder Pumpen für fluide, also flüssige oder gasförmige Medien bedürfen einer dichten und dauerhaften Verbindung mit den daran angeschlossenen Rohren. Herkömmlich werden zu diesem Zweck zusätzliche Verbindungselemente, sogenannte Fittings, eingesetzt, welche die Verbindung zwischen dem Anschlussstutzen der Armatur und einem Rohrende schaffen. Weil solche Fittings für jede gewünschte Kombination von Rohr und Armatur-Anschlussstutzen verfügbar sein müssen, werden jeweils eine grosse Anzahl unterschiedlicher Fittings beschafft und gelagert. Dies bedeutet einen hohen Aufwand und erzeugt erhebliche Kosten. Beim Herstellen der Verbindung müssen zudem eigentlich zwei Verbindungen, nämlich sowohl eine Verbindung zwischen dem Fitting und dem Anschlussstutzen als auch eine Verbindung zwischen dem Fitting und dem Rohr, hergestellt werden.
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Die
EP 0 343 395 B1 (Nussbaum/Viegener) zeigt eine Armatur mit einem Anschlussstutzen, in welchen ein Rohr einschiebbar ist. Der Anschlussstutzen weist auf seiner Aussenseite einen Ringwulst und auf seiner Innenseite eine in diesen hineinragende Ringnut auf, in welche ein Dichtring eingelegt wird. Mittels einer Zange wird der Anschlussstutzen bei dem Ringwulst auf das Rohr aufgepresst, so dass unter Verformung des Anschlussstutzens und des Rohrs eine dichte sowie dreh-, zug- und druckfeste Verbindung geschaffen wird.
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Die
DE 200 23 023 U1 (Kemper) beschreibt eine Armatur für fluide Medien, deren Armaturengehäuse kraftschlüssig wirkende Steckverbindungsanschlüsse für Rohre aufweist. Die Einzelteile der Anschlüsse sind in das Armaturengehäuse integriert. Auf Ihrer Innenseite umfassen die Steckverbindungsanschlüsse einen Dichtring zur Abdichtung des Rohrs gegenüber der Armatur.
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Weiter zeigt die
DE 297 21 224 U1 (SMB) eine durch radiale Verpressung herstellbare Verbindung von Verbund- und Metallrohrleitungen unter Verwendung einer als Rohrverbinder dienenden Stützhülse. Zwei Verbundrohre werden über eine Stützhülse durch direktes radiales Verpressen zu einer Rohrleitung verbunden.
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Bei diesen bekannten Armaturen mit integrierten Anschlüssen für Rohre werden die Armaturen mittels Dichtringen gegenüber den Rohren abgedichtet. Diese Dichtringe bilden in der Regel die schwächste Komponente der Verbindung. Weil die Abdichtung lediglich auf dem Dichtring beruht, bestimmt dieser letztlich die Lebensdauer der Verbindung.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Armatur zu schaffen, welche den Aufwand zur Herstellung einer Verbindung verringert und deren Verbindungen mit den angeschlossenen Rohren eine lange Lebensdauer besitzen.
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Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung ist die Armatur mit dem in den Anschlussteil geschobenen Rohr durch temporare Einwirkung radial nach innen gerichteter Presskräfte fluiddicht verbindbar, wobei eine direkte Abdichtung zwischen dem Anschlussteil und dem Rohr erfolgt.
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Durch die direkte Abdichtung zwischen dem Anschlussteil und dem Rohr kann ein Dichtring weggelassen oder lediglich unterstützend vorgesehen werden. Durch die Einwirkung der Presskräfte wird ein Element der Verbindungsanordnung verformt. Dadurch ergeben sich elastische Rückstellkräfte, welche aufgrund der Ausbildung des Anschlussteils die direkte Abdichtung bewirken. Im Rahmen der Verbindungsanordnung wird neben dem Rohr und der Armatur kein zusätzliches Element, wie z. B. ein Fitting, eingesetzt. Dadurch wird sowohl die Lebensdauer der Verbindung erhöht als auch deren Herstellung vereinfacht. Schliesslich lässt sich die erfindungsgemässe Verbindungsanordnung spaltfrei ausführen, d. h. ohne Zwischenräume, in welchen sich Bakterien oder andere Mikroorganismen ablagern könnten, welche eine Gefahr für die Hygiene darstellen.
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Die Erfindung erstreckt sich auf alle Armaturen, die fluiddicht mit einem Rohr verbunden werden, z. B. Spindel- oder Membranventile, Kugel- und Reiberhahnen, Schieber, Klappen oder Pumpen. Die Armaturen können manuell oder elektrisch gesteuert sein. Die fluiden Medien umfassen insbesondere Trinkwasser und Gas, die erfindungsgemässe Verbindungsanordnung ist aber auch anwendbar in der Vakuum-, Hochdruck-, Hochtemperatur- und Kältetechnik.
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Erfindungsgemäss umfasst der Anschlussteil einen Nippel, welcher so ausgebildet ist, dass das Rohr darauf aufschiebbar ist. Der Innendurchmesser des Rohrs ist kleiner, gleich oder leicht grösser als der Aussendurchmesser des Nippels. Ist der Rohr-Innendurchmesser kleiner als der Aussendurchmesser des Nippels, ist beim Aufschieben ein (geringfügiges) Aufweiten des Rohrs notwendig. Dies lässt sich bei einem Kunststoffrohr, besonders bei kleineren Wandstärken, aber problemlos, ohne grossen Kraftaufwand erreichen. Der Nippel bildet einen Stützkörper, welcher das Rohr im Bereich der Verbindung unterstützt und so auch bei dünnen oder leicht verformbaren Rohren, z. B. Rohren für die Gasversorgung, dauerhafte Verbindungen erlaubt. Durch die Integration des Nippels in das Armaturengehäuse ergibt sich gleichzeitig eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem auf dem Nippel gehaltenen Rohr und der Armatur.
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Mit Vorteil ist der Nippel aus Kunststoff, insbesondere Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polysulphon (PSU), bevorzugt Polyphenylsulfon (PPSU), aus Metall, insbesondere Metallguss, bevorzugt Rotguss oder Edelstahlguss, oder einer Kombination aus Metall und Kunststoff gefertigt. Kunststoffe sind verhältnismässig einfach zu verarbeiten, und es sind Kunststoffe verfügbar, welche mit den üblichsten fluiden Medien chemisch praktisch nicht reagieren. Besonders PVDF ist praktisch mediumneutral und eignet sich somit auch für chemische Anwendungen. PPSU weist eine hohe Schlagfestigkeit auf, ist sehr dauerhaft, auch bei höheren Temperaturen formbeständig und zeigt eine geringe thermische Ausdehnung. PSU ist eine Alternative zu PPSU. Der Nippel kann auch aus einem Verbund von Kunststoffen hergestellt werden, indem z. B. ein Nippelkörper aus PPSU mit einer Schicht aus PVDF überzogen wird.
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Ein Nippel kann aber z. B. auch aus Metall aufgebaut und mit einem Kunststoffmantel (z. B. aus einem Polypropylen) umhüllt werden. Dadurch kann die Stabilität des Metalls mit den chemischen Vorteilen des Kunststoffs verbunden werden.
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Der Nippel kann auch ganz aus Metall, z. B. aus Rotguss, bzw. einer Rotguss-Legierung, Edelstahl oder Edelstahlguss, Messing oder Kupfer oder einem Sintermetall gefertigt werden. Bei der Auswahl des zu verwendenden Metalls ist insbesondere den zu transportierenden Medien Rechnung zu tragen, weil der Nippel zumindest mit seiner Innenseite in Kontakt zum Medium steht. Wird Trinkwasser transportiert, darf z. B. dessen Qualität nicht beeinträchtigt werden. Der Werkstoff muss zudem für die Anwendung korrosionsfrei sein und es sollten keine ökologisch bedenklichen Stoffe abgegeben werden. Gussmaterialien wie Rotguss oder Edelstahlguss bieten den Vorteil, dass sie rationell, mit wenig Restmaterial verarbeitet werden können und eine Vielzahl von Formen erlauben. Eine spanabhebende Bearbeitung erfolgt erst in einem letzten Schritt, wenn die Oberflächen des gegossenen Formkörpers endbearbeitet werden.
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Erfindungsgemäss umfasst der Anschlussteil eine Quetschzone, welche so ausgebildet ist, dass sie das Rohr umschliessend aufnehmen und bei der Einwirkung der radial nach innen gerichteten Presskräfte eine Dichtung mit dem Rohr schaffen kann. Das Material für die Quetschzone kann so gewählt werden, dass sich eine optimale Abdichtung mit dem Material des davon umschlossenen Rohrs ergibt. Durch die Integration der Quetschzone in das Armaturengehäuse entfallt ein zusätzliches Element wie eine spezielle Presshülse, ausserdem besteht automatisch eine Abdichtung zwischen der Quetschzone und dem Gehäuse. Der Innendurchmesser der Quetschzone ist dem Aussendurchmesser des Rohrs angepasst.
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Eine Armatur mit integriertem Nippel und Quetschzone, bei welcher das zu verbindende Rohr in den radialen Zwischenraum zwischen den Nippel und die Quetschzone eingeschoben wird, wobei die radiale Ausdehnung des Zwischenraums der Wandstärke des Rohrs entspricht, gewährleistet eine maximale Stützung des Rohrs. Auf diese Weise können auch dünnwandige Rohre stabil und sicher mit der Armatur verbunden werden.
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Wird ein Rohr mit einer gewissen Stabilität, z. B. ein Rohr mit einer Wandstärke von mindestens 2 mm, verwendet, kann bei einer Verbindungsanordnung mit einer am Armaturengehäuse angeordneten Quetschzone auf einen Nippel verzichtet werden. Das Rohr erfüllt in diesem Fall durch seine Formstabilität gleichzeitig die Abstützfunktion. Ausserdem kann ein Rohr mit beliebigem Rohr-Innendurchmesser mit der Armatur verbunden werden, und es können auch nicht innengeglättete Rohre verwendet werden.
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Als Material für das Quetschelement, also die Quetschzone oder die Presshülse, geeignet ist Metall, insbesondere Metallguss, bevorzugt Rotguss oder Edelstahlguss, alternativ aber auch z. B. Messing. Die Quetschzone oder die Presshülse kann aber auch aus einer Kombination aus Metall und Kunststoff oder einer Kombination aus Metall und einem Elastomer wie Gummi, Kautschuk oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) gebildet sein. Die Zone oder die Hülse kann z. B. einen metallischen Kern aufweisen, welcher mit Elementen aus Kunststoff und/oder einem Elastomer ergänzt wird. Die nichtmetallischen Elemente können als (z. B. hülsen- oder ringförmige) Schichten innerhalb und/oder ausserhalb des Metallkerns ausgeformt sein.
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Der Querschnitt der Quetschzone oder der Presshülse bestimmt die Kraft, welche beim Verpressen aufgewendet werden muss. Eine Verbindungsanordnung mit einem dünnwandigen Quetschelement kann bereits mit einem einfachen, manuell betätigten Werkzeug verpresst werden. Ein Quetschelement mit grösserem Querschnitt bedingt zwar grössere Kräfte beim Verpressen, erlaubt aber auch dauerhafte Verbindungen bei Leitungen, in welchen ein Medium unter hohem Druck transportiert wird.
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Damit optisch festgestellt werden kann, ob eine Verbindung verpresst worden ist, kann die Quetschzone oder die Presshülse einen Indikator aufweisen, an welchem abgelesen werden kann, ob eine Verpressung stattgefunden hat. Ein solcher Indikator wird z. B. durch einen die Quetschzone umlaufenden Ring gebildet, welcher beim Einwirken der radial nach innen gerichteten Kräfte zerstört wird.
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Bei Metallrohren ist die Quetschzone bevorzugt derart ausgebildet, dass zwischen der Quetschzone und dem Rohr eine metallische Dichtung geschaffen werden kann. Dadurch erübrigt sich ein gesondertes Dichtelement. So wird sowohl die Lebensdauer der Verbindung erhöht als auch die Herstellung der Verbindung vereinfacht.
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Herkömmliche Verbindungen mit Dichtring scheinen überdies oft dicht zu sein, obwohl sie irrtümlich nicht verpresst wurden. Bei einer ersten Überprüfung nach Fertigstellen der Installationen, der sogenannten Druckprobe, werden also keine Mängel festgestellt. Erst später beginnen solche unverpressten Verbindungen zu lecken und bleiben oft längere Zeit unentdeckt, was zu erheblichen Schäden führen kann. Demgegenüber ergibt sich für eine erfindungsgemässe Verbindungsanordnung ohne Dichtring der Vorteil, dass eine irrtümlich nicht verpresste Verbindung mit Sicherheit undicht ist, weil ohne Verpressung keinerlei Abdichtung besteht. Mängel werden also schon bei der ersten Kontrolle entdeckt.
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Die Quetschzone kann an ihrer Innenseite mindestens eine radiale Ausnehmung zur Aufnahme mindestens eines Dichtrings aufweisen. Der Dichtring unterstützt sowohl die direkte Abdichtung zwischen dem Anschlussteil und dem Rohr als auch die axiale Sicherung des Rohrs. Die Sicherheit der Verbindung kann also noch zusätzlich gesteigert werden. Zu diesem Zweck lassen sich eine metallische Abdichtung und eine herkömmliche Abdichtung mit Dichtring kombinieren. Das Material des Dichtrings wird je nach dem zu transportierenden Medium gewählt, z. B. Teflon, EPDM für Trinkwasser oder NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) bzw. HNBR (hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk) für Gas. Durch Anordnung einer Mehrzahl von Dichtringen kann die Abdichtung noch weiter verbessert werden.
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Damit nicht verpresste Verbindungsstellen schnell entdeckt werden, kann der Dichtring und/oder die radiale Ausnehmung, in welcher der Dichtring aufgenommen ist, eine Ausnehmung oder einen Vorsprung aufweisen, so dass eine irrtümlicherweise nicht verpresste Verbindung mit Sicherheit undicht ist.
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Der Anschlussteil kann einstückig mit dem Gehäuse der Armatur ausgebildet sein. Dies erlaubt die Herstellung der wesentlichen Teile des Armaturengehäuses sowie des Anschlussteiles in demselben Arbeitsgang, z. B. durch Giessen, Pressen oder Spritzen. Der Nippel kann durch spanabhebende Verfahren bearbeitet werden. Es ergeben sich zudem keine chemischen oder mechanischen Probleme, wie sie an Übergängen zwischen unterschiedlichen Materialien auftreten können.
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Der Anschlussteil kann formschlüssig am Gehäuse der Armatur gehalten, insbesondere eingespritzt oder eingegossen sein. Dies erlaubt die Wahl unterschiedlicher Materialien für den Anschlussteil und das Armaturengehäuse. Trotzdem werden keine zusätzlichen Befestigungselemente benötigt. Ein metallisches Anschlussteil kann z. B. in ein Armaturengehäuse aus Kunststoff eingegossen sein, oder ein Anschlussteil aus Kunststoff kann in ein metallisches Armaturengehäuse eingespritzt werden.
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Der Anschlussteil kann auch mit dem Gehäuse der Armatur verschweisst sein. Dies empfiehlt sich für die Kombination eines Anschlussteils aus einem ersten Metall mit einem Armaturengehäuse aus einem anderen Metall.
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Alternativ kann der Anschlussteil z. B. mit dem Gehäuse verklebt sein.
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Ein auf den Nippel aufgeschobenes Ende des Rohrs kann aufgeweitet sein. In diesem Fall ist der Rohrinnendurchmesser des unbearbeiteten Rohrs kleiner als der Aussendurchmesser des Nippels. Durch das Aufweiten wird der Innendurchmesser in einem Endbereich des Rohrs derart vergrössert, dass das Rohr auf den Nippel aufgeschoben werden kann. Dadurch wird der effektive Rohrinnendurchmesser beim Nippel vergrössert und der Durchfluss des Mediums verbessert. Die radial nach innen wirkenden Presskräfte schaffen eine Abdichtung zwischen dem aufgeweiteten Rohr und dem Nippel.
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Der Nippel kann so ausgebildet sein, dass das Rohr beim Aufschieben gleichzeitig aufgeweitet wird. Dadurch erübrigt sich das vorgängige Aufweiten und ein Arbeitsschritt kann eingespart werden.
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In diesem Fall wird mit Vorteil ein Kunststoffrohr, insbesondere aus PE-X, eingesetzt. PE-X zeigt einen Memory-Effekt, d. h., es hat die Tendenz, wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Nach dem Aufschieben des Rohrs auf den Nippel und dem gleichzeitigen Aufweiten führt dieser Effekt dazu, dass sich das Rohr durch seinen Rückstelleffekt dicht um den Nippel schliesst und so eine Abdichtung stattfindet. Anstelle von PE-X können auch andere Materialien verwendet werden, welche einen derartigen Memory-Effekt zeigen.
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Bevorzugt weisen eines oder mehrere Elemente (Nippel, Quetschzone oder Presshülse) der erfindungsgemässen Verbindungsanordnung eine oder mehrere Bereiche mit Profilierungen, insbesondere mit Verzahnungen, auf. Einerseits wird dadurch die (insbesondere metallische) Abdichtung zwischen diesem Element und dem Rohr verbessert. Andererseits wirkt die Profilierung als axiale Sicherung, so dass das mit der Armatur fluiddicht verbundene Rohr nicht mehr abgezogen werden kann. Die Profilierung wird durch aus dem Element herausragende Zähne, Vorsprünge oder Zacken gebildet, welche z. B. einen dreieckigen, trapezförmigen, sägezahnartigen oder rechteckigen Querschnitt haben können. Beim Einwirken der radial nach innen gerichteten Kräfte dringen die Vorsprünge in das benachbarte (bevorzugt aus einem weicheren Material hergestellte) Element ein, wodurch die Verbindung der Elemente sowie die Abdichtung verbessert werden. Am Nippel oder an der Quetschzone können zudem nicht-rotationssymmetrische Profilierungen angebracht werden. Diese schaffen eine Verdrehsicherung, so dass das Rohr gegenüber der Armatur nicht gedreht werden kann. Am selben Element lassen sich rotationssymmetrische Profilierungen zur Abdichtung und axialen Sicherung mit nicht-rotationssymmetrischen Profilierungen zur Verdrehsicherung kombinieren.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen einer Armatur und einem Rohr aus Metall und/oder Kunststoff wird das Rohr auf oder in einen mit der Armatur fest verbundenen Anschlussteil geschoben, worauf temporär radial nach innen gerichtete Presskräfte auf das Rohr bzw. den Anschlussteil ausgeübt werden, so dass eine direkte Abdichtung zwischen dem Anschlussteil und dem Rohr erfolgt.
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Das Verpressen erfolgt mit einer elektrisch, pneumatisch oder manuell, vorzugsweise aber hydraulisch betätigten Zange oder Maschine. Die Presskraft wird so gewählt, dass eine dichte Verbindung geschaffen wird, ohne dass Elemente der Verbindungsanordnung so stark verformt werden, dass sie beschädigt werden.
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Erfindungsgemäss wird im Bereich des Anschlussteils ein Quetschelement derart angeordnet, dass es das Rohr umgibt, wobei es beim Einwirken der radial nach innen gerichteten Presskräfte zusammen mit dem Rohr deformiert wird, so dass die fluiddichte Verbindung geschaffen wird. Das Quetschelement kann als mit der Armatur fest verbundene Quetschzone oder als gesonderte Presshülse ausgebildet sein. Bei Quetschelementen mit einer geringen Wandstärke kann das Verpressen mit einer einfachen und kompakten, manuell betätigten Zange erfolgen. Dadurch können auch Engstellen gut erreicht werden.
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Wenn zwischen dem Quetschelement und dem Rohr ein Dichtring angeordnet wird, können die Presskräfte in einem axialen Bereich des Dichtrings gleichmässig entlang des Umfangs des Quetschelements einwirken, und in anderen axialen Bereichen können entlang des Umfangs variierende Presskräfte auf das Quetschelement einwirken. Dies führt dazu, dass im Bereich des Dichtrings eine gleichmässige Verpressung erfolgt, welche zu einer dichten Verbindung führt. In anderen axialen Bereichen, d. h. in jenen Abschnitten, die vom Dichtring entfernt sind, ergibt sich aufgrund der variierenden Presskräfte ein unrunder, z. B. polygonaler, Querschnitt. Dieser stellt sicher, dass das Rohr bezüglich des Quetschelements nicht verdreht werden kann. Der Übergang zwischen dem Bereich mit rundem Querschnitt und dem unrunden Bereich wirkt zudem als axiale Sicherung. Die variierenden Kräfte werden mit Vorteil durch ein Werkzeug mit unrundem Innenquerschnitt, z. B. mit sechseckigen Pressbacken, auf das Quetschelement ausgeübt.
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Das Rohr kann vor dem Schieben in oder auf den Anschlussteil aufgeweitet werden. Dadurch wird der Rohrquerschnitt abschnittsweise vergrössert, so dass eine Engstelle bei der Verbindungsanordnung vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäss wird das Rohr auf einen Nippel des Anschlussteils geschoben und gleichzeitig aufgeweitet. Diese Verfahrensweise ist besonders dann von Vorteil, wenn das Rohr aus einem Material (z. B. PE-X) gefertigt ist, welches einen Memory-Effekt aufweist, also nach dem Aufweiten zumindest teilweise wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.
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Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
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1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Armatur mit Quetschzone;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemässen Armatur mit Quetschzone, welche den Einsatz vorhandener Presswerkzeuge erlaubt;
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3A eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur, mit Nippel, im unverpressten Zustand;
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3B eine schematische Darstellung der Armatur in verpresstem Zustand;
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel, auf welchen ein aufgeweitetes Rohr aufgeschoben ist;
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5 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemässen Armatur mit Nippel und Quetschzone;
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6 eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel und Presshülse;
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7 eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel, Presshülse und O-Ring.
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Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Armatur mit Quetschzone. Die Armatur 101 ist nicht näher dargestellt, die Erfindung ist für alle Armaturen, welche mit einem Rohr fluiddicht verbunden werden sollen, gleichermassen anwendbar. Die Armatur 101 umfasst ein Armaturengehäuse 102 und einen Anschlussteil 103, welcher als Quetschzone 104 ausgebildet ist. Die Quetschzone 104 weist auf ihrer Innenseite eine Profilierung 104a mit mehreren zackenförmigen Vorsprüngen auf.
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Das Armaturengehäuse 102 und der Anschlussteil 103 sind einstückig aus demselben Material, z. B. Rotguss, geformt. Innerhalb des Armaturengehäuses 102 ist ein Funktionselement 105 angeordnet, z. B. ein Absperr- oder Regelventil. Dieses Funktionselement 105 ist lediglich schematisch angedeutet. Seine Funktion ist an sich bekannt. Die Erfindung ist auch auf Armaturen mit einem anderen Funktionselement, z. B. einem Kugelhahn, einem Sicherheits- oder Spindelventil, einem Schieber, einer Klappe oder einer Pumpe, anwendbar. Das Funktionselement 105 kann manuell, elektrisch oder pneumatisch betätigt werden.
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Ein Rohr 106 aus Metall mit einer Wandstärke von 2 mm wird in den Anschlussteil 103 eingeschoben, wobei der Aussendurchmesser des Rohrs 106 im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Anschlussteils 103 entspricht.
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Mittels Pressbacken 107, 107' werden nun entlang des gesamten Umfangs des Anschlussteils 103 Presskräfte 108, 108' radial nach innen auf die Quetschzone 104 ausgeübt. Die in der 1 sichtbaren Pressbacken 107, 107' sind Teil eines (nicht dargestellten) Presswerkzeugs, welches weitere Pressbacken umfasst, so dass entlang des Umfangs des Anschlussteils 103 Presskräfte gleichmässig ausgeübt werden können. Dies führt zu einer gleichmässigen Verformung der Quetschzone 104 und in geringerem Mass des Rohrs 106. Durch den von den Pressbacken 107, 107' auf die Quetschzone 104 ausgeübten Druck ergibt sich eine rein metallische Dichtung zwischen der Quetschzone 104 aus Rotguss und dem metallischen Rohr 106, welche eine fluiddichte Verbindung zwischen der Armatur 101 und dem Rohr 106 gewährleistet.
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Aufgrund der zackenförmigen Profilierung 104a ist die Kontaktfläche zwischen der Quetschzone 104 und dem Rohr 106 vergrössert. Die Verzahnung wirkt gleichzeitig als Sperre gegen ein Austreten von Stoff aus dem Rohr 106 und bildet eine Art Kralle, wodurch eine axiale Sicherung geschaffen wird. Nach Herstellung der Verbindung ist das Rohr 106 fest an der Armatur 101 gehalten und kann nicht mehr zurückgezogen werden.
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Die 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemässen Armatur mit Quetschzone, welche den Einsatz vorhandener Presswerkzeuge erlaubt. Der Aufbau der Armatur 201 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in der 1 dargestellten Armatur 101: Auch die Armatur 201 wird durch ein Armaturengehäuse 202 mit einem Funktionselement 205 und einem Anschlussteil 203 zur Aufnahme eines Rohrs 206 gebildet. Der Anschlussteil 203 ist wiederum als Quetschzone 204 ausgebildet, welche auf ihrer Innenseite eine Profilierung 204a aufweist. An ihrer Aussenseite weist die Quetschzone 204 entlang ihres Umfangs eine wulstförmige Erhebung 204b auf, welche im Bereich der Profilierung 204a angeordnet ist. Die wulstförmige Erhebung 204b weist einen ungefähr halbrunden Querschnitt auf. Deren Geometrie entspricht damit der Aussenform einer herkömmlichen Armatur mit einem O-Ring, welcher in einer umlaufenden Nut verläuft. Dadurch lassen sich bestehende Presswerkzeuge mit bestehenden Pressbacken 207, 207' ohne Anpassung auch für die O-Ring-lose Verbindungseinrichtung einsetzen. Ähnlicherweise lässt sich eine Armatur durch Wahl einer bestimmten Form der Quetschzone oder Presshülse auch an unrunde, z. B. polygonale Innenquerschnitte von bestehenden Presswerkzeugen oder verfügbaren Pressbacken anpassen.
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Die Erhebung 204b stellt überdies eine axiale Führung für das Presswerkzeug dar und stellt sicher, dass an der richtigen Position verpresst wird. Sie kann deshalb in der dargestellten oder einer anderen Form auch dann vorgesehen werden, wenn nicht bestehende Pressbacken verwendet werden sollen.
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Die 3A ist eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur, mit Nippel, im unverpressten Zustand.
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Der Nippel 309 bildet den Anschlussteil 303 der Armatur 301 und ist einstückig mit dem Armaturengehäuse 302 aus Edelstahl ausgebildet. Der Nippel 309 erstreckt sich senkrecht zum Armaturengehäuse 302 und umfasst mehrere radiale Wülste 309a. Das Rohr 306, z. B. ebenfalls aus Edelstahl, ist auf den Nippel 309 aufgeschoben. Der Innendurchmesser des Rohrs 306 entspricht dem grössten Aussendurchmesser des Nippels 309 bei dessen radialen Wülsten 309a, so dass das Rohr 306 bereits im dargestellten, noch unverpressten Zustand bei den Wülsten 309a unmittelbar auf dem Nippel 309 allseitig aufliegt.
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Ausgehend von der in der 3A dargestellten Situation werden nun die Pressbacken 307, 307', welche eine dem Nippel 309 angepasste Form aufweisen, radial nach innen bewegt, bis sie das Rohr 306 allseitig umschliessen. Dies geschieht mit einem an sich bekannten Presswerkzeug. Sobald nun die Pressbacken 307, 307' weiter nach innen gedrückt werden, wirken radial nach innen wirkende Kräfte 308, 308' auf das Rohr 306 ein. Dadurch wird das Rohr 306 verformt, wobei aufgrund der axial und tangential gleichmässigen Kräfte und aufgrund der dem Nippel 309 angepassten Form der Pressbacken 307, 307' die Verformungskräfte im gesamten Pressbereich gleichmässig auftreten. Das Rohr 306 wird deshalb gleichmässig verformt, seine Wanddicke ist entlang des Pressbereichs konstant und die Kräfte zwischen dem Rohr 306 und dem Nippel 309 sind nach Ausführung des Pressvorgangs im gesamten Pressbereich ungefähr gleich gross. Der Nippel 309 ist so ausgelegt, dass er höchstens geringfügige Verformungen erfährt.
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Die 3B ist eine schematische Darstellung der Armatur in verpresstem Zustand.
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Die Pressbacken 307, 307' sind wieder entfernt, das Rohr 306 schliesst dicht an den Nippel 309 an und folgt dessen Wülsten 309a und dazwischenliegenden engeren Abschnitten. Dadurch ergibt sich neben der fluiddichten Verbindung eine axiale Sicherung des Rohrs 306 auf dem Anschlussteil 303. Die Verbindung zwischen dem Rohr 306 und der Armatur 301 ist zudem spaltfrei, d. h. es sind keine Zwischenräume vorhanden, in welchen sich Bakterien oder andere Mikroorganismen ablagern könnten.
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Die 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel, auf welchen nun ein aufgeweitetes Rohr aufgeschoben ist. Die Armatur 401 mit dem Armaturengehäuse 402 und dem Anschlussteil 403 in Form des Nippels 409 entspricht im Prinzip der Armatur 301 in der 3A.
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Das Kunststoffrohr 406, z. B. aus Polyethylen, ist nun vor dem Aufschieben auf den Nippel 409 aufgeweitet worden, d. h. sowohl der Innen- als auch der Aussendurchmesser eines Abschnitts 406b wurden gegenüber dem ursprünglichen Rohrdurchmesser im Hauptteil 406a des Rohres 406 aufgeweitet. Die Änderung des Durchmessers erfolgt in einem Übergang 406c, welcher so positioniert ist, dass die Länge des aufgeweiteten Abschnitts 406b des Rohrs 406 der Länge des Nippels 409 entspricht, so dass das Rohr 406 genau bis zum Armaturengehäuse 402 aufgeschoben werden kann.
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Dadurch, dass das Rohr aufgeweitet worden ist, ergibt sich im Abschnitt 406b ein gegenüber dem Hauptteil 406a des Rohrs 406 vergrösserter Querschnitt. Die zusätzliche Querschnittsfläche nimmt den Nippel 409 auf, so dass der verbleibende Querschnitt, welcher für den Transport des Mediums zur Verfügung steht, ungefähr dem freien Rohrquerschnitt entspricht. Durch das Aufweiten kann also bei der Armatur 401 mit Nippel 409 eine Engstelle vermieden werden. Der Durchfluss des Mediums wird deshalb durch die Verbindungsanordnung nicht behindert.
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Das vordere, vom Armaturengehäuse weg gerichtete Ende eines Nippels kann überdies so geformt sein, dass ein Rohr beim Aufschieben auf den Nippel gleichzeitig aufgeweitet wird. Dadurch erübrigt sich ein vorgängiges Aufweiten und der entsprechende Arbeitsschritt kann eingespart werden.
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Die 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemässen Armatur mit Nippel und Quetschzone.
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Prinzipiell ist der Aufbau der Armatur 501 derselbe wie der in der 3A dargestellte, mit dem Unterschied, dass das Armaturengehäuse 502 nun aus Kunststoff hergestellt ist und dass der Anschlussteil 503 koaxial und ausserhalb des Nippels 509 auch eine Quetschzone 504 aus Messing umfasst. Diese Quetschzone 504, welche ihrer Form und Funktion nach der Quetschzone 104 in der 1 entspricht, ist mit einem Endteil 504b formschlüssig am Armaturengehäuse 502 gehalten. Dazu ist der Endteil 504b nach innen abgekröpft und zapfenförmig. Gehalten wird er in einer Ringnut 502a des Armaturengehäuses 502. Dies lässt sich durch Einpressen der metallischen Quetschzone 504 bei der Herstellung des Armaturengehäuses 502 erreichen.
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Der radiale Abstand zwischen dem Nippel 509 und der Quetschzone 504 entspricht der Wandstärke des Rohrs 506. Dieses kann also zwischen den Nippel 509 und die Quetschzone 504 praktisch spielfrei in den Anschlussteil 503 eingeschoben und anschliessend mittels der Pressbacken 507, 507' verpresst werden. Der Nippel 509 stützt das Rohr 506 sowohl während des Pressvorgangs als auch später, beim Einsatz der Armatur 501. Dadurch können auch Rohre aus einem weicheren Material oder Rohre mit einer Wandstärke von weniger als 2 mm, z. B. Gasrohre, verpresst werden. Die Sicherheit der Verbindung wird ausserdem durch den beidseitigen Einschluss des Rohrs 506 weiter verbessert.
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Die 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel und Presshülse.
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Auf das Rohr 606 ist eine bezüglich ihrer Achse rotationssymmetrische Presshülse 610 aus Messing aufgeschoben. Der Innendurchmesser der Presshülse 610 ist geringfügig grösser als der Aussendurchmesser des Rohrs 606, so dass die Presshülse ungehindert auf das Rohr aufgeschoben werden kann.
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Beim Verpressen der Verbindung mittels der Pressbacken 607, 607' wirken die nach innen gerichteten Presskräfte 608, 608' zunächst auf die Presshülse 610 und weiter auf das Rohr 606. Beide Elemente werden entsprechend der Form des Nippels 609 verformt. Damit die Verformung in axialer Richtung gleichmässig erfolgt, haben die Pressbacken 607, 607' eine dem Nippel 609 angepasste Form. Wenn die Verpressung abgeschlossen ist, ist das Rohr 606 zwischen der Presshülse 610 und dem Nippel 609 eingeschlossen, wobei die Form des Nippels 609 und der verformten Presshülse 610 ein axiales Rutschen des Rohrs 606 verhindern. Die Presshülse 610 wirkt ausserdem während dem Pressvorgang als Schutz für das Rohr 606. Gegenüber einer fest an der Armatur angeordneten Quetschzone hat die Presshülse 610 den Vorteil, dass mit derselben Armatur verschiedene Rohre mit gleichem Innendurchmesser aber anderer Wandstärke verbunden werden können. Auch Rohre aus unterschiedlichem Material können an dieselbe Armatur angeschlossen werden. Es muss lediglich die passende Presshülse 610 ausgewählt werden.
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Die 7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Armatur mit Nippel, Presshülse und O-Ring, welche insbesondere mit einem Rohr 706 aus Kunststoff verbunden werden soll. Wiederum ist eine Presshülse 710 auf das Rohr 706 aufgeschoben worden. Der Nippel 709 der Armatur 701 weist aber im Gegensatz zum Nippel der in der 6 dargestellten Armatur keine Wülste auf, sondern seine Aussenfläche ist im Wesentlichen der Innenfläche des zu verpressenden Rohrs 706 angepasst. Lediglich in der Mitte des Nippels 709 ist tangential umlaufend eine Nut 709b angeordnet, in welche ein O-Ring 711 eingesetzt ist, und parallel dazu sind beidseitig zwei leere Nuten 709c, 709d angeordnet. Das Verpressen erfolgt mit Pressbacken 707, 707', welche eine glatte Innenfläche aufweisen. Die Presshülse 710 weist eine glatte Aussenfläche auf, so dass beim Verpressen gleichmässig Presskräfte 708, 708' auf die Presshülse 710 ausgeübt werden. Auf ihrer Innenseite weist die Presshülse 710 zwei umlaufende Vorsprünge 710a, 710b auf, welche mit den leeren Nuten 709c, 709d zusammenwirken. Beim Verpressen drücken die Vorsprünge 710a, 710b das Rohr in die leeren Nuten 709c, 709d und dringen gleichzeitig in das Rohr 706 ein, bewirken so eine doppelte Verpressung und führen zu einer dauerhaften, axial gesicherten Verbindung zwischen dem Rohr 706 und der Presshülse 710.
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Das Verpressen führt auch dazu, dass das Rohr 706 auf den Nippel 709 gedrückt wird. Dies führt dazu, dass die Verbindung durch den O-Ring 711 fluiddicht abgeschlossen wird.
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Die Profilierungen, also Wülste, Zacken, Vorsprünge oder Verzahnungen, an den verschiedenen Elementen der Verbindungsanordnungen, d. h. an der Quetschzone oder Presshülse bzw. am Nippel, führen zu einer Vergrösserung der Kontaktfläche zwischen angrenzenden Elementen. Dadurch wirkt dieser Abschnitt als Sperre gegen ein Austreten von Stoff aus dem Rohr und verbessert die Abdichtung zwischen dem profilierten Element und dem Rohr. Gleichzeitig bildet die Profilierung eine Art Kralle und schafft dadurch eine axiale Sicherung, so dass nach Herstellung der Verbindung das Rohr fest an der Armatur gehalten ist und nicht mehr zurückgezogen werden kann. Nicht rotationssymmetrische Profilierungen dienen ausserdem zur Verdrehsicherung.
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Neben den dargestellten Wülsten (3–6) und Ausnehmungen (7) des Nippels, den Verzahnungen der Quetschzone (1, 2) und den Vorsprüngen der Presshülse (7) sind weitere Profilierungen möglich. Beispielsweise kann auf der Aussenseite eines Nippels mit radialen Wülsten zusätzlich eine Verzahnung mit einer Vielzahl von Zacken mit dreieckigem Querschnitt vorgesehen werden, wobei die Zacken jeweils auf der ansteigenden Flanke der Wülste angeordnet sind. Beim Verpressen werden die Verzahnungen in das Rohr eingetrieben und verbessern so die Abdichtung und die axiale Sicherung des Rohrs auf dem Nippel.
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Die Form und die Dimension der einzelnen Vorsprünge oder Zacken richtet sich insbesondere nach dem Material des Rohrs und dem Material jenes Elements, welches die Verzahnung aufweist. Eine Verzahnung, welche die Abdichtung zwischen zwei Elementen verbessern soll, wird bevorzugt an jenem Element ausgebildet, dessen Material die grössere Härte besitzt. Üblicherweise wird eine Verzahnung also an den metallischen Elementen der Verbindungsanordnung angebracht. Mehrere Verzahnungen an denselben oder verschiedenen Elementen können ausserdem kombiniert werden.
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Bei jeder der dargestellten Ausführungen der Erfindung kann der Anschlussteil einstückig mit dem Armaturengehäuse ausgebildet sein. Der Anschlussteil kann aber ganz oder teilweise auch aus einem anderen Material als das Armaturengehäuse gefertigt und mit dem Armaturengehäuse fest verbunden, z. B. verschweisst, verklebt oder formschlüssig eingespritzt oder eingegossen sein. Eine mögliche und vorteilhafte Materialkombination wäre z. B. ein edelstahlbeschichtetes Armaturengehäuse aus Rotguss mit einem Nippel aus Kunststoff und einer Presshülse bzw. Quetschzone aus Edelstahl.
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Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemässen Verbindungsanordnungen erstreckt sich insbesondere auf Kunstoffrohre, Metallrohre und Verbundrohre, wobei Verbundrohre aus mehreren unterschiedlichen Kunststoffen oder aus Kunststoffen und Metallen gefertigt sein können.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung eine Armatur für fluide Medien, eine Verbindungsanordnung zum Verbinden der Armatur mit einem Rohr sowie ein Verfahren zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen einer Armatur und einem Rohr schafft, welche mit geringem Aufwand eine Verbindung mit grosser Lebensdauer herstellen.
