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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere zur Verwendung
als Druckschlauch in der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, umfassend
einen Metallbalg oder einen Metallwellschlauch, der von einem Geflecht
umgeben ist, wobei das Länge-Durchmesser-Verhältnis,
L'/D, des Leitungselements 10 oder mehr beträgt.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11 zum Schützen eines flexiblen Leitungselements,
umfassend einen Metallbalg oder Metallwellschlauch, der von einem
Geflecht umgeben ist, wobei das Länge-Durchmesser-Verhältnis,
L'/D, des Leitungselements 10 oder mehr beträgt,
gegen ein Knicken des Metallbalgs oder Metallwellschlauchs unter
dem Geflecht.
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Aus
der
europäischen
Patentanmeldung 1 927 803 A2 ist ein gattungsgemäßes
flexibles Leitungselement für Innendruck beaufschlagte
Leitungen bekannt, welches einen inneren, fluiddichten und mit Anschlussteilen
versehenen Wellschlauch aus Metall aufweist, der von einem Abstützungselement in
Form eines Geflechtsschlauchs aus sich kreuzenden Metalldrähten
umgeben ist. Letzterer ist so ausgelegt, dass die axiale Längung
des Leitungselements im Innendruck beaufschlagten Betriebszustand
verglichen mit dem Ausgangszustand bei Normaldruck weniger als 0,8%
beträgt.
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Im
Zuge ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung wirkt
auf die genannten flexiblen Leitungselemente nicht nur der vorstehend
erwähnte Innendruck, sondern eine kombinierte Last aus
pulsierender Innendruckbeaufschlagung und räumlichen Bewegungen,
welche unter bestimmten Umständen zu einem Versagen des
flexiblen Leitungselements im Betrieb führen kann.
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1 zeigt
schematisch ein vorbekanntes flexibles Leitungselement, welches
als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Das flexible
Leitungselement 1 umfasst einen Metallbalg oder Metallwellschlauch 2 (vgl. 2b),
nachfolgend verallgemeinernd auch als Innenschlauch bezeichnet,
der von einem Geflechtschlauch 3 umgeben ist. In den Darstellungen
gemäß 1 und 2a ist
nur der Geflechtschlauch 3, nicht jedoch der innenliegende Metallbalg
bzw. Metallwellschlauch zu erkennen.
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Das
flexible Leitungselement 1 weist an seinen Enden jeweils
ein Anschlussteil 4, 5 auf, welche zum Anschließen
des flexiblen Leitungselements 1 an weitere Komponenten
beispielsweise in der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs oder in einer
Wasserlöschanlage dienen. Weiterhin dienen die Anschlussteile 4, 5 zum
Festlegen des Geflechtsschlauchs 3 auf dem Metallbalg oder
Metallwellschlauch 2.
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Typischerweise
ist das flexible Leitungselement 1 bei Bezugszeichen 6 an
einem seiner Enden mehr oder weniger starr befestigt, während
sein anderes Ende diesbezüglich Relativbewegungen in insbesondere
allen drei Raumrichtungen X, Y, Z ausführt. Hierzu kommt
noch eine Druckbelastung, die bei typischen Anwendungen bis zu 200
bar mit Druckschwankungen Δp von 10 bar bis 150 bar betragen
kann.
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Das
Geflecht 3 dient dazu, eine übermäßige Längung
des Wellschlauchs 2 zu verhindern. Zum Schutz vor Verschleiß kann
darüber hinaus zwischen dem Geflecht 3 und dem
Wellschlauch 2 noch eine hier nicht dargestellte Zwischenlage
vorhanden sein, insbesondere aus Silikon. Die Nennweite des Wellschlauchs
kann zwischen 3 mm und 350 mm betragen.
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Unter
der beschriebenen kombinierten Last aus Druck und Bewegung kann
es zur Zerstörung des flexiblen Leitungselements kommen,
wenn sich Bewegungen lokalisieren können. Voraussetzung dafür
ist eine lokale radiale Aufweitung des Geflechts.
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Ein
erster Versagensmodus ist schematisch in 2a dargestellt,
wo es bei den Bezugszeichen 7 und 8 jeweils zur
Ausbildung eines Gelenks gekommen ist, was regelmäßig
zu einem vorzeitigen Ermüdungsbruch der Bauteile in diesem
Bereich führt.
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2b zeigt
einen weiteren Versagensmodus, der mit einem Ausknicken des Metallbalgs
oder Metallwellschlauchs 2 unter dem Geflecht 3 einhergeht.
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Der
Erfindung liegt angesichts dieser Nachteile des Standes der Technik
die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Leitungselement der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Leitungselement
vor Beschädigungen durch Knicken geschützt ist.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mit dessen Hilfe sich insbesondere bereits vorhandene flexible Leitungselemente
der eingangs genannten Art auch nachträglich gegen Beschädigung
durch Knicken schützen lassen.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines flexiblen Leitungselements
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen,
deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in
die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist
ein flexibles Leitungselement, umfassend einen Metallbalg oder einen
Metallwellschlauch, der von einem Geflecht umgeben ist, wobei das
Länge-Durchmesser-Verhältnis, L'/D, des Leitungselements 10 oder mehr
beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass außen an
dem Leitungselement wenigstens ein Knickschutzelement angeordnet
ist, welches lokal ein radiales Aufweiten des Geflechts verhindert.
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Entsprechend
ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schützen
eines flexiblen Leitungselements, umfassend einen Metallbalg oder
Metallwellschlauch, der von einem Geflecht umgeben ist, wobei das
Länge-Durchmesser-Verhältnis, L'/D, des Leitungselements 10 oder
mehr beträgt, gegen ein Knicken des Metallbalgs oder Metallwellschlauchs
unter dem Geflecht dadurch gekennzeichnet, dass außen an
dem Leitungselement lokal wenigstens ein Knickschutzelement angebracht
wird, um ein radiales Aufweiten des Geflechts zu verhindern.
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Die
Anmelderin hat erkannt, dass eine wesentliche Voraussetzung für
das beschriebene Knicken herkömmlicher flexibler Leitungselemente
der eingangs genannten Art eine zumindest lokale, radiale Aufweitung
des Geflechts ist. Zwar kann einer solchen Aufweitung durch eine
entsprechende Geflechtsvorspannung und/oder einen relativ kleinen Umflechtungswinkel
entgegengewirkt werden, allerdings sind solche Maßnahmen
vor allem bei großen Nennweiten und/oder flexiblen Metallbälgen
bzw. Metallwellschläuchen nicht ausreichend, um ein Knicken
sicher zu vermeiden.
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Daher
schlägt die Anmelderin vorliegend vor, von außen
an dem Leitungselement, das heißt an oder auf dem Geflecht
wenigstens ein Knickschutzelement derart anzuordnen, dass die beschriebene
radiale Aufweitung des Geflechts lokal verhindert wird.
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Ein
derartiges Knickschutzelement erhöht denjenigen Druck,
der zum Knicken von umflochtenen Metallbälgen bzw. Metallwellschläuchen
erforderlich ist (so genannter Knickdruck), und führt damit zu
einer Erhöhung des möglichen Einsatzdruckes und
der Verformbarkeit des flexiblen Leitungselements.
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Durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
sich auch bereits bestehende flexible Leitungselemente der eingangs
genannten Art nachträglich gegen eine Beschädigung
durch Knicken schützen, indem von außen an dem Leitungselement,
d. h. an oder auf dem Geflecht lokal wenigstens ein Knickschutzelement
angebracht wird, um eine radiale Aufweitung des Geflechts zu verhindern.
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Das
Knickschutzelement ist vorzugsweise ringförmig ausgeführt
und kann stoff-, form- und/oder kraftschlüssig auf dem
flexiblen Leitungselement bzw. dem Geflecht angebracht werden.
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Effektiv
verringert das Knickschutzelement die für das Knicken relevante
freie Länge des flexiblen Leitungselements, was zu der
bereits erwähnten Erhöhung des Knickdrucks führt.
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Bei
symmetrischer Anordnung einer Anzahl n an Knickschutzelementen,
n = 1, 2, 3, ..., auf einem flexiblen Leitungselement der ursprünglichen
freien Länge L' gilt für die Abstände
Ii der Knickschutzelemente untereinander
bzw. von den Enden des flexiblen Leitungselements: Ii =
L'/(n + 1), i = 1, ..., n + 1.
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Funktionell äquivalent
zu der beschriebenen Anordnung von Knickschutzelementen ist eine
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der relativ kurze,
umflochtene Balg- oder Wellschlauchsegmente miteinander verbunden
werden, welche jeweils eine hinreichend kurze Länge entsprechend
dem obigen Abstand Ii aufweisen, so dass
ein Knicken der einzelnen Segmente von vornherein auszuschließen ist.
Die Segmente ergeben dann in ihrer Gesamtheit wiederum ein flexibles
Leitungselement insbesondere mit der oben genannten freien Länge
L'.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen flexiblen
Leitungselements sieht vor, dass das Knickschutzelement als geschlitzter
Ring ausgeführt und auf das flexible Leitungselement bzw.
das Geflecht aufgeschoben und aufgepresst ist.
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Vorteilhafterweise
wird der Schlitz bei der vorstehend beschriebenen Ausführung
des Knickschutzelements nach dem Aufpressen stoffschlüssig geschlossen.
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Nach
einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements weist das Knickschutzelement eine innere
Kontur auf, die formschlüssig in eine Wellung des Metallbalgs
bzw. Metallwellschlauchs eingreift, so dass das Knickschutzelement
insbesondere in axialer Richtung des flexiblen Leitungselements
fixiert ist. Auch eine komplementäre Ausgestaltung ist
möglich, bei der der Innenschlauch mit einem Wellenberg
in eine umlaufende Ausnehmung an der Innenseite des Knickschutzelements
eingreift.
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Nach
einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements kann das Knickschutzelement als ungeteilter
Ring ausgeführt sein, welcher in Längsrichtung
der Anordnung über das flexible Leitungselement geschoben wird.
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Wie
bereits erwähnt, kann das Knickschutzelement stoffschlüssig,
vorzugsweise durch Löten, mit dem Geflecht verbunden sein.
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Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen flexiblen
Leitungselements sieht schließlich vor, dass das Knickschutzelement
bereits in das Geflecht integriert, beispielsweise eingeflochten
ist.
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Im
Zuge einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist die Verwendung von Knickschutzelementen, die als
geschlitzte Ringe ausgeführt sind, besonders vorteilhaft,
da es auf diese Weise möglich ist, die Knickschutzelemente
seitlich auf ein bereits verbautes, herkömmliches flexibles
Leitungselement aufzuschieben, um dieses vor einer Beschädigung
durch Knicken zu schützen, ohne es zuvor ausbauen zu müssen.
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Das
erfindungsgemäße flexible Leitungselement eignet
sich insbesondere als Druckschlauch in einer Klimaanlage für
ein Kraftfahrzeug. Eine andere bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements betrifft den Einsatz als industrieller
Druckschlauch, zum Beispiel in Wasserlöschanlagen.
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Bei
allen Ausführungen des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements ist der Innenschlauch, das heißt
der Metallbalg bzw. Metallwellschlauch gewellt oder hydraulisch
geformt und in der Regel nicht mehrwandig ausgebildet. Es ergibt
sich so ein flexibles Element mit hoher Biegbarkeit, welches in
Verbindung mit den Knickschutzelementen der vorliegenden Erfindung
besonders enge Einbauradien ermöglicht.
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Wie
sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, können
die Knickschutzelemente entweder zusammen mit einem (erfindungsgemäßen)
flexiblen Leitungselement ausgeliefert oder bei bestehenden Leitungselementen
nachgerüstet werden.
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Für
das Knickschutzelement ist grundsätzlich keine Mindestbreite
erforderlich, so dass bei entsprechender Verwendung bereits ein
einfacher Draht zum Erreichen des erfindungsgemäßen
Erfolgs ausreichen kann.
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Insbesondere
bei einer Verwendung mehrerer Knickschutzelemente werden diese vorzugsweise an
Stellen größter Krümmung des eingebauten
bzw. einzubauenden flexiblen Leitungselements angeordnet. Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass die Knickschutzelemente derart angeordnet
werden, dass sie mögliche Beschädigungspositionen
des flexiblen Leitungselements, beispielsweise Stellen größter
Krümmung, gerade eingrenzen.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung.
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1 zeigt
schematisch eine typische Einbau- und Belastungssituation für
ein herkömmliches flexibles Leitungselement;
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2a zeigt
schematisch einen ersten Versagungsmodus des vorbekannten flexiblen
Leitungselements gemäß 1;
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2b zeigt
schematisch einen zweiten Versagensmodus des vorbekannten flexiblen
Leitungselements gemäß 1;
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3 zeigt
schematisch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements mit einer Anzahl von Knickschutzelementen;
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4 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer ersten Ausgestaltung
des Knickschutzelements;
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5 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung
des Knickschutzelements; und
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6 zeigt
ausschnittsweise einen Längsschnitt durch eine weitere
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen flexiblen
Leitungselements.
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3 zeigt
eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen flexiblen
Leitungselements 1 mit Nennweite D, wobei unter Bezugnahme
auf die 1, 2a und 2b gleiche
bzw. gleichwirkende Elemente mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen
sind.
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Das
flexible Leitungselement 1 gemäß 3 einschließlich
der Anschlussteile 4, 5 hat eine Gesamtlänge
L und eine freie L', L > L'.
Die freie Länge L' bezeichnet denjenigen Abschnitt des
flexiblen Leitungselements 1, in dem Bewegungen des Geflechts 3 auftreten
können, welche zu einer Beschädigung des flexiblen
Leitungselements 1 gemäß den anhand von 2a und 2b beschriebenen
Versagungsmodi führen können. Für das
gezeigte flexible Leitungselement 1 beträgt das
Verhältnis von freier Länge L' zur Nennweite D
mehr als 10, d. h. L'/D > 10.
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Auf
dem erfindungsgemäßen flexiblen Leitungselement 1 sind
außen an bzw. auf dem Geflecht 3 eine Anzahl von
Knickschutzelementen 9 angebracht. Diese umgeben das flexible
Leitungselement 1 bzw. das Geflecht 3 straff anliegend
nach Art eines Rings und verhindern lokal ein radiales Aufweiten des
Geflechts 3, welches die wesentliche Ursache für Beschädigungen
des flexiblen Leitungselements 1 gemäß den 2a und 2b darstellt.
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Vorliegend
sind die Knickschutzelemente 9 derart auf dem Geflecht 3 angeordnet,
dass der Abstand der Knickschutzelemente 9 untereinander
gerade dem Abstand des jeweiligen Knickschutzelements 9 von
dem benachbarten Ende des Leitungselements 1, d. h. dem
entsprechenden Anschlussteil 4, 5 entspricht und
jeweils Ii beträgt. Eine solche
Anordnung lässt sich auch als „symmetrische Anordnung” der
Knickschutzelemente 9 bezeichnen, und es gilt der formelmäßige
Zusammenhang: Ii = L'/(n + 1), wobei n die
Anzahl der verwendeten Knickschutzelemente 9 bezeichnet
(i = 1, ..., n + 1).
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Wie
bereits ausgeführt, sind die Knickschutzelemente 9 dazu
vorgesehen, lokal ein radiales Aufweiten des Geflechts 3 zu
verhindern. Zu diesem Zweck sind die Knickschutzelemente 9 vorzugsweise ringförmig
ausgeführt und stoff-, form- oder kraftschlüssig
auf dem flexiblen Leitungselement 1 befestigt. Durch die
Knickschutzelemente 9 wird die für das Knicken
relevante freie Länge des Leitungselements 1 von
dem ursprünglichen Wert L' auf den Wert Ii verringert,
wodurch sich der für eine Beschädigung erforderliche
Knickdruck erhöht.
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Wie
der Fachmann erkennt, ist die vorliegende Erfindung keinesfalls
auf die in 3 gezeigte symmetrische Anordnung
der Knickschutzelemente 9 beschränkt. Grundsätzlich
kann eine beliebige Anzahl von Knickschutzelementen 9 an
quasi beliebigen Positionen auf dem flexiblen Leitungselement 1 zum
Einsatz kommen.
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4 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch das flexible Leitungselement 1 gemäß einer Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung auf Höhe eines Knickschutzelements 9.
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Letzteres
ist vorliegend als einstückig-geschlossener Ring ausgeführt,
welcher auf das Geflecht 3 geschoben wird, und zu diesem
Zweck zunächst einen Innendurchmesser d aufweist, für
den gilt: d > D, wenn
D den Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements 1 (hier
einschließlich Geflechtummantelung gemäß 3)
bezeichnet. Anschließend wird das Knickschutzelement 9 beispielsweise
durch Verpressen gemäß den radial nach innen gerichteten
Pfeilen V in 4 auf dem Geflecht 3 fixiert.
Zusätzlich oder alternativ zu der beschriebenen kraftschlüssigen
Fixierung des Knickschutzelements 9 auf dem Geflecht 3 ist
jedoch auch eine stoff- und/oder formschlüssige Fixierung
möglich, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.
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Das
Knickschutzelement 9 besteht vorzugsweise aus einem metallischen
Werkstoff, so dass es einerseits die bei der vorstehend beschriebenen
Fixie rung geforderte Duktilität und andererseits die bei vielen
Anwendungen erforderliche Temperatur- und Witterungsbeständigkeit
aufweist.
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In 5 ist
eine alternative Ausgestaltung des ringförmigen Knickschutzelements 9 aus 4 dargestellt,
welches nicht einstückig-geschlossen ausgeführt
ist, sondern bei Bezugszeichen 10 einen Schlitz aufweist.
Nach Aufbringen auf das Geflecht 3 kann das in 5 dargestellte
Knickschutzelement 9 somit durch Schließen des
Rings in Richtung des Doppelpfeils S auf dem Geflecht 3 fixiert
werden.
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Es
ist in diesem Zusammenhang auch möglich, die Breite des
Schlitzes 10 derart zu wählen, dass das Knickschutzelement 9 in
seinem geöffneten Zustand von der Seite her auf das flexible
Leitungselement 1 bzw. das Geflecht 3 aufbringbar
ist, woraufhin dann das bereits beschriebene Fixieren auf dem Geflecht 3 durch
Schließen in Richtung des Doppelpfeils S erfolgt.
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6 zeigt
im Längsschnitt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
flexiblen Leitungselements 1, insbesondere des Knickschutzelements 9.
Dieses weist auf seiner Innenseite eine besondere Formgebung seiner
Innenkontur in Form eines umlaufenden Vorsprungs 11 auf,
welcher im verpressten Zustand des Knickschutzelements 9 zumindest
teilweise formschlüssig in eine Wellung (Wellental) 12 des
Wellschlauchs 2 eingreift und auf diese Weise das Geflecht 3 lokal
festlegt. Bezugszeichen LA bezeichnet die Längsachse des
flexiblen Leitungselements 1.
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Die
durch die vorliegende Erfindung erreichbare Erhöhung des
Knickdrucks vergrößert das Einsatzgebiet bestehender
flexibler Leitungselemente, insbesondere durch „Nachrüsten” der
beschriebenen Knickschutzelemente. Weiterhin wird auch der Einsatz
weicherer Innenschläuche ermöglicht, was eine höhere
Flexibilität im Einsatz und/oder eine Verringerung der
Baulänge ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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