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Die Erfindung betrifft ein thermoisoliertes Doppelmetallrohr mit einem inneren Metallrohr, mit einem äußeren Metallrohr, welches das innere Metallrohr umgibt, und mit einer Thermoisolationsschicht zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr.
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In einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen, ist es erforderlich, einen Innenraum, beispielsweise ein Fluidleitungsvolumen, gegenüber einem Außenraum, beispielsweise der Umgebung, thermisch zu isolieren. Häufig kommen zu diesem Zweck doppelwandige Rohre zum Einsatz: Ein inneres Rohr ist von einem äußeren Rohr umgeben, so dass ein geschlossener Zwischenraum gebildet ist. Bereits in diesem Zwischenraum vorhandene Luft hat eine isolierende Wirkung. Derartige, so genannte luftspaltisolierte Rohre (LSI Rohre) sind in der Praxis weit verbreitet, beispielsweise für Abgasleitungen oder in Klimaanlagen von Fahrzeugen.
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Alternativ dazu sind auch verschiedene Doppelrohre bekannt, bei denen der gebildete Raum zwischen den Rohren mit einem Isoliermaterial, insbesondere einer Isolationsschicht, versehen ist. Im Dokument
DE 6607166 ist ein längsnahtgeschweisstes doppelwandiges Rohr, beispielsweise für Auspuffrohre von Kraftfahrzeugen, mit einer Zwischenschicht beschrieben, wobei ein Isoliermaterial auf Asbestbasis verwendet wird. Das Dokument
DE 25 25 045 betrifft ein Doppelwandrohr mit einer Zwischenlage aus Maschendraht. Gemäß Dokument
DE 40 04 072 A1 kann für ein Doppelwandrohr auch ein nicht-metallischer schalldämmender Werkstoff, zum Beispiel Bitumenfolie, als Isolationsschicht zum Einsatz gelangen. Das Dokument
DE 40 39 735 A1 betrifft schüttfähige Isolationsstoffe, zum Beispiel Glasfaserstücke oder feinkörnige, pulverartige Stoffe für die Isolierschicht eines Doppelwandrohres. Im Dokument
DE 103 34 307 A1 wird die Verwendung von mikroporösem Isoliermaterial oder von künstlichen Mineralfasern als Isolationsschicht eines doppelwandigen Abgasrohrs beschrieben.
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Des Weiteren wird im Dokument
DE 102 01 594 A1 beschrieben, dass bei der Herstellung doppelwandiger Rohre zunächst eine Distanzschicht aus Kunststoff oder einer niedrigschmelzenden Metalllegierung im Zwischenraum vorhanden ist. Die Distanzschicht wird nach der Rohrherstellung durch Verbrennung oder Herausschmelzen entfernt, so dass ein Luftspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr entsteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein thermoisoliertes Doppelmetallrohr zu schaffen, das stabil und konvektionsreduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein thermoisoliertes Doppelmetallrohr mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Ein erfindungsgemäßes thermoisoliertes Doppelmetallrohr weist ein inneres Metallrohr, ein äußeres Metallrohr, welches das innere Metallrohr umgibt oder umschließt, und eine Thermoisolationsschicht zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr auf, wobei die Thermoisolationsschicht aus einem metallischen ungeordneten Fasergut besteht.
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Ein Fasergut besteht aus einer Vielzahl von Fasern. Es ist in dem Sinne ungeordnet, wie es keine Ordnungsstruktur aufweist. Die erfindungsgemäße Thermoisolationsschicht ist insbesondere nicht gewebt (non-woven). Sie ist insbesondere kein Gewebe (kein Zweifadensystem), kein Gestricke, kein Gewirke, keine Maschenware und keine Webware. Das metallische ungeordnete Fasergut kann gekräuselte Fasern enthalten und dann auch als Wolle bezeichnet werden.
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Insbesondere kann eine Faser sich bei geringer Längsdruckbelastung reversibel verformen, bevor sie knickt. Hingegen bietet ein Stab bei Längsdruckbelastung eine im Vergleich zu einer Faser deutlich größere Steifigkeit bis zu einer maximalen Längsdruckbelastung, bevor er knickt. Eine Faser kann auch ein durch Drahtziehen erhaltener Draht sein.
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Das Doppelmetallrohr kann insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt und/oder einen konstanten Querschnitt aufweisen. Insbesondere können jeweils das innere Metallrohr und/oder das äußere Metallrohr einen kreisförmigen und/oder konstanten Querschnitt aufweisen. Das innere und das äußere Metallrohr sind bevorzugt abstandsgleich entlang des Längsverlaufs des Doppelmetallrohrs.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines metallischen ungeordneten Faserguts als Isolationsschicht wird unter anderem aufgrund der vorteilhaften Verwendung eines metallischen Werkstoffs, insbesondere aufgrund seiner geringen Kompressibilität, eine hohe Stabilität des Doppelmetallrohrs erreicht. Gleichzeitig weist das Fasergut eine labyrinthartige Strukturierung auf, so dass der Aufbau von eine Wärmeübertragung bewirkenden Konvektionsströmungen im Raum zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr verhindert wird.
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Während verbreitet zum Einsatz gelangenden thermoisolierte Doppelmetallrohre, insbesondere luftspaltisolierte Doppelmetallrohre, Metallwandstärken im Millimeterbereich aufweisen, ist es dank dem erfindungsgemäßen Aufbau möglich, die Wandstärke ohne Verlust der Gesamtstabilität zu reduzieren. In Konsequenz der erfindungsgemäßen Vorgehensweise können dünne Wandstärken zwischen 0,3 mm bis 0,5 mm, sogar etwa 0,1 mm Wandstärken gefertigt werden.
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Die aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus erhaltene Stabilität vermindert darüber hinaus die Gefahr des Auftretens von Schwingungsrissen, da Vibrationen reduziert werden.
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Die reversible Verformbarkeit bei gleichzeitig geringer Kompressibilität des metallischen ungeordneten Faserguts ist auch von Vorteil bei der Umformung des erfindungsgemäßen Doppelmetallrohrs, insbesondere bei dessen Biegung: Der Abstand zwischen innerem Metallrohr und äußerem Metallrohr bleibt im Wesentlichen erhalten, so dass eine Volumenfixierung des Zwischenraums erreicht wird.
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In konkreten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen thermoisolierten Doppelmetallrohrs ist das metallische ungeordnete Fasergut ein metallisches Vlies oder ein metallisches Filz oder eine Metallwolle. Das metallische ungeordnete Fasergut kann insbesondere isotrop sein.
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Das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende metallische ungeordnete Fasergut kann konkret aus diverse Werkstoffen gefertigt sein: Das metallische ungeordnete Fasergut kann einen oder mehrere der Werkstoffe aus der Gruppe der Werkstoffe Stahl, Edelstahl, Aluminium oder Titan aufweisen. Alternativ dazu kann das metallische ungeordnete Fasergut aus einem dieser Werkstoffe bestehen.
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Zusätzlich zum metallischen ungeordneten Fasergut können sich in bestimmten Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Doppelmetallrohrs zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr noch ein Drahtgelege, insbesondere Metalldrahtgelege, oder ein Drahtgeflecht, insbesondere ein Metalldrahtgeflecht, befinden. Beispielsweise kann das metallische ungeordnete Fasergut ein derartiges Gelege oder Geflecht umschließen oder auf einem derartigen Gelege oder Geflecht angebracht sein oder zwischen wenigstens zwei derartigen Gelegen oder Geflechten aufgenommen sein. Ein Gelege oder Geflecht erleichtert die Handhabbarkeit des Faserguts.
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Die Metallrohre können aus Metallblechen, welche mittels Längsschweißung von sich gegenüberliegenden Rändern zu einem Rohr umgeformt werden, gefertigt werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist das erfindungsgemäße thermoisolierte Doppelmetallrohr mit niedrigen oder dünnen Wandstärken der Metallrohre ausgeführt. Die Wandstärke des inneren Metallrohrs und/oder die Wandstärke des äußeren Metallrohrs können kleiner oder gleich 1,5 mm sein, bevorzugt unter 0,6 mm liegen. Insbesondere kann die Wandstärke zwischen 0,5 mm und 0,3 mm liegen. In besonderen Ausführungsformen kann die Wandstärke unter 0,3 mm liegen, zum Beispiel etwa 0,1 mm betragen.
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Auch das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende innere Metallrohr und/oder das erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende äußere Metallrohr können konkret aus diversen Werkstoffen gefertigt sein: Das innere Metallrohr und/oder das äußere Metallrohr können aus einem oder mehreren der Werkstoffe der Gruppe der Werkstoffe Stahl, Edelstahl (bevorzugt), Aluminium oder Titan bestehen oder einen dieser Werkstoffe aufweisen. Darüber hinaus können eines der Metallrohre oder beide Metallrohre auf der Innenseite und/oder der Außenseite beschichtet sein.
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In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen thermoisolierten Doppelmetallrohrs kann die Thermoisolationsschicht fixierungsfrei zum inneren Metallrohr und/oder zum äußeren Metallrohr zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr angeordnet sein. Alternativ dazu können Fixierungen, beispielweise durch Schweißen, punktuell oder kleinflächig vorgesehen sein. Der Fertigungsaufwand ist dadurch gering gehalten.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn in konkreten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen thermoisoliertes Doppelmetallrohr die Thermoisolationsschicht das Volumen zwischen dem inneren Metallrohr und dem äußeren Metallrohr vollständig ausfüllt. Mit anderen Worten, in diesen Ausführungsformen liegt die Thermoisolationsschicht sowohl unmittelbar an der Außenfläche des inneren Metallrohrs als auch an der Innenfläche des äußeren Metallrohrs an. Auf diese Weise wird das gesamte Volumen zwischen den Metallrohren stabilisiert. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Thermoisolationsschicht kraftschlüssig am inneren Metallrohr und/oder am äußeren Metallrohr anliegen, insbesondere direkt oder unmittelbar kontaktieren.
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Die Metallrohre des erfindungsgemäßen thermoisolierten Doppelmetallrohrs können zu verschiedenen Zwecken unterschiedlich ausgeführt sein. Das innere Metallrohr und/oder das äußere Metallrohr können glatt oder strukturiert oder perforiert, insbesondere mikroperforiert mit Perforationen kleiner als 0,5 mm Durchmesser, sein. Ein perforiertes, insbesondere mikroperforiertes Metallrohr kann zwischen 2% und 10% Perforationen aufweisen.
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Eine Lochung oder Perforation des inneren Metallrohrs kann insbesondere für die Luftschalldämpfung und die hierdurch reduzierbare Dimensionierung eines gegebenenfalls nachfolgenden Schalldämpfers vorteilhaft sein.
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Auch die Geometrie von Ausführungsformen des Doppelmetallrohrs kann unterschiedlich ausgeprägt sein: In verschiedenen Ausführungsformen kann das Doppelmetallrohr verzweigungsfrei sein oder eine oder mehrere Verzweigungen aufweisen. Für den Fachmann dieses technischen Gebiets ist aus dieser Darstellung unmittelbar und eindeutig klar, dass der beschriebene Aufbau oder die beschriebene Topologie der Isolation nicht auf Doppelmetallrohre in Geometrien beschränkt ist, die geläufig als Rohre bezeichnet werden, sondern sich allgemeiner auf thermoisolierte Doppelmetallbauteile oder Doppelmetallwerkstücke bezieht. insbesondere ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, wenn auch in typischen Anwendungen gegeben und damit erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Doppelmetallwerkstück nicht einfach zusammenhängend ist. Der in dieser Darstellung benutzte Ausdruck Doppelmetallrohr kann sich in dieser Hinsicht auf Doppelmetallbauteile beziehen beziehungsweise diese einschließen.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen thermoisolierenden Doppelmetallrohrs mit einem oder mehreren der in dieser Darstellung beschriebenen Merkmale in einem Bauteil für ein Fahrzeug oder für ein stationäres Aggregat. Mit anderen Worten, ein erfindungsgemäßes Bauteil für ein Fahrzeug oder für ein stationäres Aggregat weist wenigstens ein thermoisoliertes Doppelmetallrohr mit einem oder mehreren der in dieser Darstellung beschriebenen Merkmale auf. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug oder ein Automobil, ein Seefahrzeug (Schiff oder Unterseeboot) oder ein Luftfahrzeug (Flugzeug) sein. Das stationäre Aggregat kann ein Motor, ein Stromgenerator, eine Anlageninstallation (beispielsweise für chemische Produktion), ein Kraftwerk, eine Klimaanlage eines Gebäudes oder eine Heizungsanlage eines Gebäudes sein. Das erfindungsgemäße Bauteil kann insbesondere eine Komponente eines Antriebs (beispielsweise für einen Schiffsmotor), einer Klimaanlage (beispielsweise für ein Flugzeug oder für ein Gebäude), einer Heizungsanlage (beispielsweise eines Gebäudes), einer Abgasableitung (beispielsweise für ein Automobil oder einen Motor), einer Abgasaufbereitungsanlage (beispielsweise für ein Automobil oder ein Kraftwerk), eines Kamins (beispielsweise für eine Heizungsanlage eines Gebäudes) oder eines Abgaskamins (beispielsweise für eine Anlageninstallation) sein.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermoisolierten Doppelmetallrohrs.
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In der 1 ist schematisch der Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermoisolierten Doppelmetallrohrs gezeigt, wie es bevorzugt für Abgasableitungen, beispielsweise Abgaskrümmer, von einem Verbrennungsmotor zu einem Auspuff eines Automobils zum Einsatz gelangt. Das Doppelmetallrohr 10 weist ein inneres Metallrohr 12 aus Edelstahl und ein das innere Metallrohr 12 umschließendes, konzentrisch angeordnetes äußeres Metallrohr 14 aus Edelstahl auf. Der Raum zwischen dem inneren Metallrohr 12 und dem äußeren Metallrohr 14 ist vollständig durch eine Thermoisolationsschicht 16 ausgefüllt, die erfindungsgemäß aus einem metallischen ungeordneten Fasergut besteht. Die Thermoisolationsschicht 16 kontaktiert direkt sowohl das innere Metallrohr 12 als auch das äußere Metallrohr 14.
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In bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen gelangt als Material für diese Thermoisolationsschicht Edelstahlwolle zum Einsatz. Diese weist eine Nenndicke von 10 mm und ein Flächengewicht von 1050 g/mm2 auf. Die Faserstärke liegt zwischen 70 und 100 μm. Es handelt sich um im Strang unendliche Stapelfasern, wobei circa 10% unter 0,2 m lang sind. Der Faserverlauf ist kreuzvernadelt.
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Ein erster verwendeter Typ von Edelstahlwolle hat eine Dichte von circa 7,7 g/cm2, eine Wärmeleitfähigkeit von circa 25 W/mK und eine Temperaturbeständigkeit von 800 Grad Celsius. Ein zweiter verwendeter Typ von Edelstahlwolle hat eine Dichte von circa 7,9 g/cm2, eine Wärmeleitfähigkeit von circa 14 W/mK und eine Temperaturbeständigkeit von 1000 Grad Celsius.
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Das Doppelmetallrohr 10 kann wie folgt gefertigt werden: Ein längsgeschweißtes Edelstahlrohr dient als späteres inneres Metallrohr 12. Dieses wird mit dem metallischen ungeordneten Fasergut, hier der Stahlwolle, als Thermoisolationsschicht 16 belegt. Optional kann diese punktuell fixiert und/oder längsgeschweißt werden. Das äußere Metallrohr 14 wird durch Biegung aus einem Metallblech erhalten, indem das Metallblech um das mit dem Fasergut belegte innere Metallrohr 12 derart geschmiegt wird, dass sich abgewandte Ränder des Metallblechs gegenüberliegen. Durch Schweißen entlang der zusammengelegten Ränder entsteht das äußere Metallrohr 14. Schließlich wird der von der Thermoisolationsschicht 16 ausgefüllte Raum dadurch geschlossen, dass das innere Metallrohr 12 und das äußere Metallrohr 14 jeweils an den die Rohröffnung aufweisenden Enden miteinander verschweißt werden.
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Der konkrete Verlauf eines erfindungsgemäßen Doppelmetallrohrs 10 wird durch Biegung erreicht. In der Regel erfolgt Biegeumformung, gegebenenfalls eine Hochdruckumformung. Die Erhaltung des Abstandes zwischen äußerem Metallrohr 14 und innerem Metallrohr 12 wird durch die Thermoisolationsschicht 16, welche hierbei quasi die Funktion eines Permanentsteges übernimmt, erreicht. Auch wird die Erhaltung des Abstandes zwischen den beiden Metallrohren 12, 14 dadurch positiv beeinflusst, dass eine Kugel oder ein Dorn bei zum vorgesehenen Biegepunkt in das innere Metallrohr 12 eingeführt wird.
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Typische Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser derartiger Doppelmetallrohre 10 liegen zwischen 40 mm und 160 mm vorzugsweise zwischen 60 mm und 80 mm.
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In bestimmten Verwendungen kann ein mit dem metallischen ungeordneten Fasergut als Thermoisolationsschicht 16 belegtes inneres Metallrohr 12 als Einschubhülse zum Einsatz gelangen: In einer ersten Variante wird die besagte Einschubhülse in ein äußeres Metallrohr 14 eingeführt, wobei der Einschub kraftschlüssig anliegen kann. In einer zweiten Variante umfasst die Einschubhülse bereits ein äußeres Metallrohr 14. Das heißt, ein erfindungsgemäßes Doppelmetallrohr wird in ein weiteres Außenrohr eingeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Doppelmetallrohr
- 12
- inneres Metallrohr
- 14
- äußeres Metallrohr
- 16
- Thermoisolationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 6607166 [0003]
- DE 2525045 [0003]
- DE 4004072 A1 [0003]
- DE 4039735 A1 [0003]
- DE 10334307 A1 [0003]
- DE 10201594 A1 [0004]