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Die Erfindung betrifft einen Kompensator für Rohrleitungen, insbesondere zur Entkopplung von Bewegungen und Schwingungen in Abgasleitungen, mit einem rohrförmigen Innenkörper aus Metall und mit einem metallischen, gasdichten und flexiblen Mantel, der einen flexiblen Abschnitt des Innenkörpers mit Spiel umgibt und an seinen Enden mit dem Innenkörper verschweißt ist.
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Der Kompensator ist ein flexibles Element zum Ausgleich von Bewegungen in Rohrleitungen, die beispielsweise durch Vibrationen oder thermische Dehnungen bzw. Verkürzungen entstehen. Der Kompensator, auf den die Erfindung sich bezieht, ist insbesondere für den Automotive-Bereich bestimmt und soll für den Einbau im Abgassystem eines von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeuges geeignet sein. Speziell soll der Kompensator im motornahen Vorrohrbereich einsetzbar sein. Er muss hohen Abgastemperaturen standhalten und für den Einbau unter beengten Platzverhältnissen kompakt ausgebildet sein. Er muss technisch gasdicht ausgeführt sein, Montagetoleranzen ausgleichen und thermische Dehnungen aufnehmen. Ferner sollen Schwingungen, die durch Motorvibrationen und/oder einen Abgasturbolader verursacht werden, entkoppelt werden.
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Aus der Praxis sind für die genannte Anwendung Kompensatoren bekannt, die einen Wellrohrmantel sowie einen vom Abgas durchströmten Innenkörper in Form eines metallischen Wickelschlauches aufweisen. Der Wickelschlauch weist konstruktionsbedingt eine unebene bzw. profilierte Innenfläche auf, die bei der Durchströmung der Abgase Strömungsverluste erzeugt, was sich nachteilig auf die Motorleistung auswirken kann.
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Aus der Druckschrift
DE 43 28 858 A1 ist ein Kompensator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Der Kompensator weist einen Innenkörper aus einem einteiligen Metallrohr mit einem durch einen fortlaufenden Schnitt zu einem Spiralband geformten flexiblen Rohrabschnitt und ein metallisches, gasdichtes und flexibles Wellrohr auf. Die bekannte Ausführung sieht keinen gesonderten Wärmeschutz vor.
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Bei dem in der Druckschrift
DE 297 07 908 U1 beschriebenen Leitungselement ist eine Füllung im Zwischenraum zwischen einer inneren Leitung und einer äußeren Hülle vorgesehen. Diese soll vorwiegend als Gestricke aus Metallfasern ausgeführt sein und dient vornehmlich der Dämpfung von Bewegungen der inneren und äußeren Rohrteile relativ zueinander. In einem Ausführungsbeispiel wird erwähnt, dass das Gestricke auch Zusatzwerkstoffe in Form von Keramikfasern, Kunststofffasern o. dgl. enthalten kann, um die Gebrauchseigenschaften des Gestrickes zu beeinflussen, beispielsweise im Hinblick auf Temperaturbelastung. Eine Schutzwirkung für andere Bauteile als das füllende Gestricke ist offensichtlich nicht vorgesehen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kompensator mit einem verbesserten Wärmeschutz anzugeben, der eine reibungsarme Durchströmung ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Kompensator nach Anspruch 1. Der Innenkörper des erfindungsgemäßen Kompensators besteht aus einem einteiligen Metallrohr, welches formstabile Anschlussenden sowie einen durch Laserschnitt erzeugten flexiblen Rohrabschnitt aus formschlüssig gekoppelten Ringelementen aufweist. Die Ringelemente werden durch Laserschnitt aus dem Material des Metallrohres gebildet und sind an den Trennfugen durch eine Vielzahl formschlüssig ineinander greifender Vorsprünge und Rücksprünge verkettet. Dabei ist das Spiel zwischen jedem Vorsprung und dem zugeordneten Rücksprung klein. In der Summe resultiert ein biegsamer und in Axialrichtung streckbarer bzw. längenveränderbarer Rohrabschnitt. Die Funktion ist unabhängig von der Wandstärke des Rohres, so dass sowohl dünnwandige als auch dickwandige Rohre mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten flexiblen Rohrabschnitt ausgebildet werden können. Die Trennfugen zwischen den Ringelementen sind im Vergleich zu konstruktiv bedingten Vertiefungen eines Wickelrohres schmal, so dass der Innenkörper sich nicht nur im Bereich der formstabilen Anschlussenden, sondern auch im Bereich des flexiblen Rohrabschnittes durch eine glatte innenseitige Oberfläche auszeichnet, die in einer Gasströmung keine Wirbelschleppen erzeugt. Der Innenkörper ist im Bereich des flexiblen Rohrabschnittes jedoch gasdurchlässig, sodass die geforderte Gasdichtigkeit durch den außenseitigen Mantel gewährleistet sein muss.
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Der flexible Rohrabschnitt des Innenkörpers besteht aus einem durch einen fortlaufenden Schnitt erzeugten Spiralband, dessen Ränder die Form einer aus Vorsprüngen und Rücksprüngen gebildeten Mäanderlinie aufweisen, wobei die Vorsprünge und die hieran angepassten Rücksprünge Omega-förmig mit einem gerundeten Kopf und einem schmaleren Hals ausgebildet sind. Die als Mäanderlinien ausgebildeten beiden Ränder weisen zusammen eine Breite auf, die bezogen auf die Breite des Spiralbandes mindestens 50%, vorzugsweise mehr als 80%, betragen sollte. Je größer dieser Anteil ist, desto beweglicher ist der flexible Rohrabschnitt.
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Das Metallrohr ist vorzugsweise ein nahtloses Stahlrohr. Die gesamte Innenfläche des Metallrohres einschließlich des flexiblen Rohrabschnittes kann optional mechanisch bearbeitet werden, um die Oberflächengüte weiter zu verbessern.
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Der Innenkörper wird vorzugsweise in Strecklage, d. h. im gestreckten Zustand mit dem Mantel verbunden, so dass der flexible Rohrabschnitt im lastfreien Zustand des Kompensators seine größte Auslängung aufweist.
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Der Mantel des Kompensators besteht vorzugsweise aus einem metallischen Wellrohr, welches auf unterschiedliche Weise mit dem Innenkörper verbunden sein kann. Eine erste Ausführung sieht vor, dass das Wellrohr an seinen Stirnflächen an Ringscheiben befestigt ist, die auf die Anschlussenden des Innenkörpers aufgesteckt und umfangsseitig mit diesen verschweißt sind. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist das Wellrohr durch Umformung von Endwindungen gefertigte Bandflächen auf, die in Umfangsrichtung mit den Anschlussenden des Innenkörpers verschweißt sind.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kompensators ist im Innenraum zwischen dem Mantel und dem Innenkörper ein Wärmeschutzelement angeordnet, welches am Außenumfang des Innenkörpers befestigt ist, axiale Längenänderungen des Innenkörpers zulässt und den flexiblen Rohrabschnitt des Innenkörpers umgibt. Das Wärmeschutzelement ist zweiteilig ausgebildet und weist eine Schutzhülse sowie einen Muffenkörper auf. Die Schutzhülse ist an einem Ende an ein formstabiles Anschlussende des Innenkörpers angeschweißt und greift an seinem anderen, freien Ende in den Muffenkörper ein, der auf dem anderen Anschlussende des Innenkörpers mittels einer Schweißverbindung befestigt ist.
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Der erfindungsgemäße Kompensator kann zusätzlich noch ein Gewebe oder Gestricke aus Metallfilamenten aufweisen, welches den Mantel des Kompensators umgibt und diesen mechanisch schützt. Ein Gewirke oder Drahtkissen, welches am Umfang des Außenmantels angeordnet ist, kann auch eine Körperschall-Entkopplung vorteilhaft beeinflussen.
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Der erfindungsgemäße Kompensator ist primär zur Verwendung in Abgasanlagen an Verbrennungsmotoren, insbesondere für den Automotivebereich entwickelt worden. Andere Anwendungen sollen nicht ausgeschlossen sein. Es ergeben sich insbesondere weitere Einsatzmöglichkeiten in Rohrleitungen für Gase und Flüssigkeiten sowie in Schutzrohrsystemen, welche energieführende Leitungen mechanisch und vor Feuereinwirkung schützen sollen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es zeigen schematisch
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1 und 2 den grundsätzlichen Aufbau eines Kompensators für Rohrleitungen in unterschiedlichen Schnittdarstellungen,
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3 eine Einzelteilzeichnung eines Innenrohres des in den 1 und 2 dargestellten Kompensators,
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4 und 5 alternative Befestigungen zwischen einem als Wellrohr ausgebildeten Mantel und dem Innenrohr des Kompensators,
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6 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Kompensators,
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7 eine weitere Ausgestaltung des Kompensators.
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Der in den Figuren dargestellte Kompensator ist für Rohrleitungen bestimmt und dient insbesondere zur Entkoppelung von Bewegungen und Schwingungen in Abgasleitungen. Der Kompensator besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem rohrförmigen Innenkörper 1 aus Metall und einem metallischen, gasdichten und flexiblen Mantel 2, der einen flexiblen Abschnitt des Innenkörpers mit Spiel umgibt und an seinen Enden mit dem Innenkörper 1 verschweißt ist. Der Innenkörper 1 besteht aus einem einteiligen Metallrohr, welches formstabile Anschlussenden 4, 4' sowie einen durch Laserschnitt erzeugten flexiblen Rohrabschnitt 3 aus formschlüssig gekoppelten Ringelementen 5 aufweist.
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Insbesondere der Darstellung in 3 ist zu entnehmen, dass der flexible Rohrabschnitt 3 aus einem durch einen fortlaufenden Schnitt erzeugten Spiralband besteht, dessen Windungen die vorgenannten Ringelemente 5 bilden. Die Ränder des Spiralbandes weisen die Form einer aus Vorsprüngen 6 und Rücksprüngen 7 gebildeten Mäanderlinie 8 auf, wobei die Vorsprünge 6 und die hieran angepassten Rücksprünge 7 Omega-förmig mit einem gerundeten Kopf und einem schmaleren Hals ausgebildet sind. Die in 3 dargestellte Struktur des flexiblen Rohrabschnittes 3 lässt sich dadurch herstellen, dass ein formstabiles Rohr in einer Werkstückaufspannung dreht und durch eine darauf abgestimmte Bewegung eines Laserschneidwerkzeuges eine aus den Omega-förmigen Vorsprüngen und Rücksprüngen gebildete mäanderförmige Schnittlinie erzeugt wird. Durch einen Vorschub der Werkstückaufspannung und/oder des Laserschneidwerkzeuges in Achsrichtung des Rohres wird ein Spiralband gebildet, dessen Ränder durch die formschlüssig ineinander greifenden Vorsprünge 6 und Rücksprünge 7 verkettet sind. Die Trennfuge zwischen jedem Vorsprung und dem zugeordneten Rücksprung ist klein. In der Summe resultiert jedoch ein flexibler, d. h. biegsamer und axial streckbarer Rohrabschnitt 3.
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Das den Innenkörper 1 bildende Metallrohr 9 ist ein nahtloses Stahlrohr. Der Mantel 2 des Kompensators besteht in den Ausführungsbeispielen aus einem metallischen Wellrohr 10. Bei der Fertigung des Kompensators wird der Innenkörper 1 in Strecklage mit dem Mantel 2 verbunden, so dass der flexible Rohrabschnitt 3 im lastfreien Zustand des Kompensators seine größte Auslängung aufweist.
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Der Außenmantel 2 ist schweißtechnisch mit dem Innenkörper 1 verbunden. Dabei ist beim Schweißen zu berücksichtigen, dass das Wellrohr 10 sehr dünnwandig ist. In den 4 und 5 sind unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten dargestellt. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist das Wellrohr 10 an seinen Stirnflächen an Ringscheiben 11 befestigt, die auf die Anschlussenden 4, 4' des Innenkörpers 1 aufgesteckt und umfangsseitig mit diesen verschweißt sind. Gemäß dem Ausführungsbespiel in 5 weist das Wellrohr 10 durch Umformung von Endwindungen gefertigte Bundflächen 12 auf, die in Umfangsrichtung mit den Anschlussenden 4, 4' des Innenkörpers 1 verschweißt werden können.
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Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kompensators. Im Zwischenraum zwischen dem als Wellrohr 10 ausgebildeten Mantel 2 und dem Innenkörper 1 ist ein Wärmeschutzelement 13 angeordnet, welches am Außenumfang des Innenkörpers 1 befestigt ist, axiale Längenänderung des Innenkörpers 1 zulässt und den flexiblen Rohrabschnitt 3 des Innenkörpers 1 umgibt. Das Wärmeschutzelement 13 ist zweiteilig ausgebildet und weist eine Schutzhülse 14 sowie einen Muffenkörper 15 auf. Die Schutzhülse 14 ist an einem Ende an ein formstabiles Anschlussende 4 des Innenkörpers 1 angeschweißt und greift an seinem anderen, freien Ende in den Muffenkörper 15 ein, der auf dem anderen Anschlussende 4' des Innenkörpers 1 durch eine Schweißverbindung befestigt ist. Die Schutzhülse 14 sowie der Muffenkörper 15 wirken teleskopierend zusammen. Die Wandstärke und das Material der Schutzhülse 14 bzw. des Muffenkörpers 15 können so ausgelegt werden, dass die Wärmebelastung des Wellrohres 10 geringer ist. Die in 6 dargestellte Ausgestaltung ist für Anwendungen bestimmt, bei denen der Kompensator sehr hohen Betriebstemperaturen, insbesondere Temperaturen von mehr als 1.000°C, ausgesetzt ist.
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In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der als Wellrohr 10 ausgebildete Mantel 2 von einem zusätzlichen Gewebe oder Gestricke 16 aus Metallfilamenten umgeben. Die aus Metallfilamenten bestehende Umhüllung bewirkt einen zusätzlichen mechanischen Schutz und kann sich darüber hinaus vorteilhaft auf die Körperschallentkopplung auswirken.
