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Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen Körper zur Förderung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen umfassend eine Vielzahl von zueinander konzentrisch angeordneten Schichten. Mindestens eine Schicht ist eine Trägerschicht und mindestens zwei weitere Schichten sind je eine Festigkeitsschicht.
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Rohrförmige Körper, insbesondere Schläuche finden in sehr vielen Gebieten Einsatz. Beispielsweise werden diese als Hydraulik- oder Waschgeräteschläuche eingesetzt. Ebenso können solche für die Förderung von Lebensmittel, Mineralöl, Dampfheißwasser, Chemikalien, Industriewasser, Pressluft oder Gas eingesetzt werden. Schläuche müssen eine gewisse Flexibilität aufweisen, um die Biegebeanspruchung sowie einem Innendruck standzuhalten. Rohre hingegen sind in der Regel nicht biegbar, jedoch ist es auch denkbar, Rohre die sich aufgrund eines Innendrucks ausdehnen, bereitzustellen. Daher werden derartige rohrförmige Körper aus elastischen Materialien gebildet, um diese Flexibilitäten aufzuweisen. Jedoch muss ein rohrförmiger Körper in der Regel Beanspruchungen sowohl von Innen als auch von Außen standhalten, weshalb ein rohrförmiger Körper oft Einlagen aufweist, die die Festigkeit stärken. Eine Einlage kann auch die nötige Querschnittsstabilität erhöhen. Um den statischen und dynamischen Drücken im Inneren eines rohrförmigen Körpers standzuhalten, können derartige Einlagen aus mehreren Schichten bestehen. Es ist bekannt mehrere Geflechtschichten in einem rohrförmigen Körper konzentrisch zueinander anzuordnen, um dem Innendruck standzuhalten. Jedoch werden diese einzelnen Schichten je nach Lage unterschiedlich belastet. Somit weisen einzelne Schichten frühzeitig Ermüdungsbrüche auf, was die Stabilität des gesamten rohrförmigen Körpers beeinträchtigt und somit zu Verschleißerscheinungen führt.
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Die
WO 2009/109609 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohrs aus Kunststoff, bei welchem mindestens ein Kunststoffband auf ein Trägerbauteil aus Kunststoff aufgebracht wird, wobei das Kunststoffband nach der Aufbringung mit dem Trägerbauteil verschweißt ist.
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Die
WO 2009/108289 A2 betrifft einen Schlauch bestehend aus Nylon- und Polyesterfasern, die in verschiedenen Schichten angeordnet sind.
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Die
US 3,212,528 bezieht sich auf die Herstellung eines flexiblen, faserverstärkten Gummischlauches, speziell ausgelegt für hohe Drücke, umfassend wenigstens zwei Lagen von Fäden.
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Die
US 3,107,698 bezieht sich auf ein Rohr, aufgebaut aus mehreren Schichten, wobei die Schichten fest verbunden sind.
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Der Artikel ”Optimal strength of a flexible high-pressure hose with two steel braids” (C. M. J. Hogenbirk, B. A. van den Horn, E. E. R. Jager, M. Kuipers; Journal of Engineering Mathematics 22: 253–265, 1988) offenbart einen flexiblen Hochdruckschlauch, bestehend aus einem Gummirohr, welches mit zwei Stahl-Gewebeschichten verstärkt ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen rohrförmigen Körper bereitzustellen, der gegen erhöhte Innendrücke standhält und eine längere Lebensdauer aufweisen kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen rohrförmigen Körper gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der erfindungsgemäße rohrförmige Körper dient zur Förderung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen und umfasst eine Vielzahl von konzentrisch zueinander angeordneten Schichten. Mindestens eine Schicht ist eine Trägerschicht und mindestens zwei weitere Schichten sind je eine Festigkeitsschicht die aus fadenförmigen und/oder drahtförmigen und/oder länglichen Komponenten gebildet ist, welche je eine Struktur bildet, die einen definierten Strukturwinkel aufweist. Mindestens zwei Festigkeitsschichten unterscheiden sich in ihrem Strukturwinkel. Die fadenförmigen und/oder drahtförmigen und/oder länglichen Komponenten der Struktur können aus diversen Textilien wie Nylon, Stahldraht oder einer Kombination dieser Materialien gebildet sein. Erfindungsgemäß kann eine Festigkeitsschicht sowohl von einer Trägerschicht umgeben sein, als auch eine Trägerschicht umgeben. Der Strukturwinkel wird durch die Symmetrieachse des rohrförmigen Körpers und die Ausrichtung der Struktur hierzu gebildet. Die Festigkeitsschichten nehmen insbesondere den Innendruck, welcher senkrecht zur Strukturfläche angreift, auf und unterstützen somit die Festigkeit bei Ausdehnung des rohrförmigen Körpers. Weisen zwei Festigkeitsschichten unterschiedliche Strukturwinkel auf, so können diese, entsprechend ihrer inneren oder äußeren Lage, die durch den Innendruck verursachten Spannungen gleichermaßen aufnehmen. Die gleichmäßige Beanspruchung mindestens zweier Festigkeitsschichten führt zu keiner einseitigen Belastung und verhindert die Ausbildung von Schwachstellen im rohrförmigen Körper, welche zu einem Bruch oder einem Platzen führen könnten. Somit ist die Lebensdauer des rohrförmigen Körpers enorm erhöht. Es können zudem erhöhte Innendrücke beauftragt werden. Erfindungsgemäß weist die Struktur eine spiralförmige Konfiguration auf.
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Erfindungsgemäß weisen die Trägerschichten des rohrförmigen Körpers einen rückstellfähigen Werkstoff auf. Vorzugsweise weist mindestens eine Trägerschicht einen flexiblen, insbesondere visco-elastischen Werkstoff auf. Somit unterstützt die Trägerschicht die Drucknachgiebigkeit des rohrförmigen Körpers und erfüllt die Anforderungen eines Schlauches auch in Bezug auf Biegung.
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Erfindungsgemäß sind die Festigkeitsschichten von mindestens einer inneren Trägerschicht und/oder mindestens einer äußeren Trägerschicht umgeben. Eine innere Trägerschicht ist beispielsweise ein inneres Bauteil und Kontaktelement zu dem zu fördernden Gut und kann die hierfür erforderlichen Eigenschaften bezüglich Beständigkeit, Hygiene und Stabilität aufweisen. Eine äußere Trägerschicht ist beispielsweise ein Schutz vor äußerem Einfluss/-flüssen und/oder eine Schicht mit dekorativem Zweck. Die Festigkeitsschichten sind vorzugsweise zwischen diesen beiden Trägerschichten angeordnet, sie können zudem auch weitere Zwischenschichten, wie beispielsweise eine dritte Trägerschicht, aufweisen. Die Festigkeitsschichten sind somit vor Einflüssen durch das zu fördernde Gut oder die Umwelt geschützt und können somit besonders nach den Kriterien der Stabilitätserhöhung des Schlauches oder des Rohres ausgewählt werden.
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Vorzugsweise weist eine innere Festigkeitsschicht einen kleineren Strukturwinkel auf als eine äußere Festigkeitsschicht. Der Innendruck des rohrförmigen Körpers beansprucht den Körper an seiner Innenseite mehr als an der Außenseite. Die Komponenten der Struktur erfahren in der innersten Schicht die höchste Spannung. Somit kann die Drahtspannung vergleichmäßigt werden, wenn die innere Struktur einen kleineren Strukturwinkel aufweist als ein oder mehrere äußere Festigkeitsschichten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der rohrförmige Körper mindestens drei Festigkeitsschichten auf. Mit steigender Anzahl an Festigkeitsschichten steigt sowohl die Stabilität gegen Innendruck als auch die Stabilität des rohrförmigen Körpers gegen äußere Einflüsse.
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Vorzugsweise weist eine erste Festigkeitsschicht hierbei einen Basiswinkel als Strukturwinkel auf, eine zweite Festigkeitsschicht einen Strukturwinkel, der kleiner ist als der Basiswinkel, eine dritte Festigkeitsschicht einen Strukturwinkel, der größer ist als der Basiswinkel. Der Basiswinkel dient in seinen Abmaßen als Referenz gegenüber den weiteren Strukturwinkeln. Somit weist dieser rohrförmige Körper drei Festigkeitsschichten auf, welche aufeinander abgestimmt sind und somit eine optimale Spannungsverteilung in allen Lagen ermöglichen.
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Vorzugsweise liegt der Basiswinkel in einem Bereich zwischen etwa 50° bis 60°, bevorzugt zwischen etwa 53° bis 56° und besonders bevorzugt bei etwa 54,7°. Diese Maße entsprechen einem bevorzugten Maß des Strukturwinkels bei einem einlagigen Geflechtschlauch und dienen somit vorzugsweise als Richtwert bzw. Referenzwert.
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Somit liegt der Strukturwinkel beispielsweise der zweiten Festigkeitsschicht im Bereich zwischen etwa 45° und 55°, bevorzugt zwischen etwa 50° und 52° und besonders bevorzugt bei etwa 51°. Der Strukturwinkel der dritten Festigkeitsschicht liegt dann in einem Bereich zwischen etwa 54° bis 60°, bevorzugt etwa zwischen 55° und 57° und besonders bevorzugt bei etwa 56°. Diese Bereiche sind auf die einzelnen Schichten zueinander abgestimmt und können je nach Material und Lage der Schichten variieren. Für eine Vielzahl von Anordnungen der Festigkeitsschichten wird in diesem Bereich eine optimale Abstimmung der Schichten zueinander und somit eine gleichmäßige Spannungsverteilung und somit eine Minimierung der maximal auftretenden Spannungen in der Struktur erreicht.
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Besonders bevorzugt wird die erste Festigkeitsschicht zwischen den beiden weiteren Festigkeitsschichten angeordnet. Die zweite Festigkeitsschicht ist innenseitig zu den beiden anderen Festigkeitsschichten und die dritte Festigkeitsschicht aussenseitig zu den beiden anderen Festigkeitsschichten angeordnet. Dies ist erwünscht, da hiermit die Spannungsverteilungen an den geeigneten Stellen erfolgt und somit die Lebensdauer des rohrförmigen Körpers optimiert wird.
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Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels liegt der Strukturwinkel einer Struktur im Bereich von 35° bis 75°. Somit können die Festigkeitsschichten aufeinander abgestimmt werden und die Winkel, abhängig von der Anzahl der Festigkeitsschichten, der Lage der Festigkeitsschichten, der Abstände der Festigkeitsschichten zueinander und der Anforderungen der rohrförmigen Körper, optimal angepasst werden.
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Beispielsweise weist ein Schlauch bzw. ringförmiger Körper vier Festigkeitsschichten auf, wobei diese je eine Struktur mit einem Winkel von etwa 52°, etwa 53°, etwa 55° und etwa 56° aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der fadenförmigen und/oder drahtförmigen und/oder länglichen Komponenten aller Festigkeitsschichten in etwa gleich groß. Dies führt dazu, dass bei der Herstellung der Strukturen die gleichen Materialien benutzt werden können und die Anforderungen an die Herstellung und Beanspruchung an die Struktur definiert sind, wenn keine Schicht zusätzliche Anforderungen an den Durchmesser der fadenförmigen, drahtförmigen oder länglichen Komponenten aufweist, da bereits die Spannungen in den Komponenten minimiert bzw. gleichmäßig auf die einzelnen Schichten verteilt wurden. Es können somit Material und Kosten bei den Strukturkomponenten eingespart werden. Ebenso sinkt der Platzbedarf einer Struktur, was wiederum zu einer Optimierung des Gesamtdurchmessers des rohrförmigen Körpers aufgrund einer verringerten Wandstärke führt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren, wobei einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu neuen Ausführungsformen kombiniert werden können.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines rohrförmigen Körpers.
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2 schematisch einen Ausschnitt eines Querschnittes eines Ausführungsbeispiels des rohrförmigen Körpers.
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3 schematisch eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Festigkeitsschicht.
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4 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispieles einer Festigkeitsschicht.
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5 ein Diagramm zur Spannungsverteilung der Festigkeitsschichten in einem Ausführungsbeispiel.
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Gleiche Teile werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der in 1 dargestellte, rohrförmige Körper (1) weist hier vier Schichten auf. Die Trägerschichten (2) sind sowohl innenseitig als auch außenseitig angeordnet. Die Festigkeitsschichten (3) sind zwischen den Trägerschichten (2) angeordnet. Die Festigkeitsschichten (3) sind aus einer Struktur (4) gebildet, das als Festigkeitsträger für den rohrförmigen Körper dient. Die innere Trägerschicht (2) ist an die Anforderungen des zu fördernden Guts angepasst und die äußere Trägerschicht (2) ist an die Anforderungen durch die äußeren Einflüsse von Außen an den Körper (1) angepasst. Hier sind die Festigkeitsschichten (3) durch das Trägerschichtmaterial geschützt und können den Druckanforderungen standhalten, da sie weder von innen noch von außen beschädigt werden.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Querschnitts eines Ausführungsbeispiels eines rohrförmigen Körpers (1). Dieser weist eine innenseitig und eine außenseitig angeordnete Trägerschicht (2) und zwischen diesen angeordnet drei Festigkeitsschichten (3) auf. Zwischen den Festigkeitsschichten (3) befinden sich wiederum Trägerschichten (2). Diese dienen als Zwischenschichten. Die Schichten sind alle zueinander konzentrisch angeordnet und bilden das Rohr bzw. den Schlauch. Die Festigkeitsschichten (3) bilden eine innere Festigkeitsschicht (S1'), eine mittlere Festigkeitsschicht (S2') und eine äußere Festigkeitsschicht (S3'), auf welche näher in 5 eingegangen wird.
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3 zeigt eine Festigkeitsschicht (3) in einer Seitenansicht. Das Geflecht (4) wird durch fadenförmige Komponenten (6) gebildet. Diese sind zueinander in definierten Abständen und somit in definierten Winkeln angeordnet. Die Struktur weißt einen Strukturwinkel (5) auf, der durch die Symmetrieachse (5) des rohrförmigen Körpers (1) und der Ausrichtung der fadenförmigen bzw. drahtförmigen bzw. länglichen Komponenten (6) der Struktur (4) gebildet wird.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Festigkeitsschicht (3), sodass der Strukturwinkel (5) der Struktur (4) besser zu erkennen ist. Der Strukturwinkel (5) wird durch diese Symmetrieachse (S) des rohrförmigen Körpers und die Ausrichtung der fadenförmigen bzw. drahtförmigen bzw. länglichen Komponenten (6) hierzu gebildet. Der Strukturwinkel (5) kann in einem Bereich von größer 0° und kleiner 90° variieren.
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5 zeigt die Spannungsverteilung in den einzelnen Festigkeitsschichten (3) mit variierenden Strukturwinkeln (5) im Vergleich zu entsprechenden Festigkeitsschichten (3) ohne variierenden Geflechtwinkel (5). Die Schichten (S1', S2', S3') entsprechen den Schichten aus 2 und weisen aufeinander abgestimmte sich unterscheidende Strukturwinkel (5) auf. Hier bleibt die Spannung in der Festigkeitsschicht (S1', S2', S3') im Wesentlichen gleich groß. Im Vergleich hierzu sind drei Festigkeitsschichten (S1, S2, S3) aufgezeigt deren Anordnung den Festigkeitsschichten aus 2 entspricht, jedoch alle den gleichen Strukturwinkel (5) aufweisen. Aufgrund der höheren Beanspruchung der Schicht (S1) weist diese eine höhere Spannung in den Komponenten der Struktur (6) auf, als die Schichten (S2 und S3). Die Schicht (S3) wird am wenigsten beansprucht und kann am wenigsten zur Druckstabilität des rohrförmigen Körpers (1) beitragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrförmiger Körper
- 2
- Trägerschicht
- 3
- Festigkeitsschicht
- 4
- Struktur
- 5
- Strukturwinkel
- 6
- Komponenten
- S
- Symmetrieachse
- S1
- Schicht 1
- S2
- Schicht 2
- S3
- Schicht 3
- S1'
- Schicht 1
- S2'
- Schicht 2
- S3'
- Schicht 3
