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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer fluiddichten Verbindung von zwei Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Fluiddichte Verbindungen von zwei Bauteilen werden zum Beispiel eingesetzt, um Füllstandsensoren, die in einen Flüssigkeitstank eingebracht sind, mit einem Kabel zur elektrischen Kontaktierung zu verbinden.
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Derartige Füllstandsensoren finden zum Beispiel in Systemen zur selektiven und katalytischen Reduktion von Stickoxiden Einsatz, bei denen Stickoxide unter Zuhilfenahme eines flüssigen Reduktionsmittels, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Derartige Verfahren werden zum Beispiel bei Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen.
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Bei dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser wird das flüssige Reduktionsmittel in einem Tank gelagert und mittels einer Pumpe über eine Leitung vom Tank zu einer Dosierstelle befördert. Ein Füllstandsensor zeigt hierbei den Füllstand des Reduktionsmittels im Tank an. Dieser Füllstandsensor befindet sich dabei unmittelbar im flüssigen Medium. Die elektrische Anbindung des Füllstandsensors erfolgt mit Hilfe eines Kabels.
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Durch die Notwendigkeit, den Füllstandsensor im Tank anzuordnen und diesen zur elektrischen Anbindung mit einem Kabel zu kontaktieren, ergibt sich eine Dichtstelle zwischen dem Kabel und dem Grundkörper des Füllstandsensors. Aufgrund der Kriechfähigkeit der im Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion eingesetzten Harnstofflösung, kann mit herkömmlichen Dichtelementen eine dauerhafte Funktion des Sensors nicht sichergestellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Um die Funktion der Dichtung dauerhaft zu gewährleisten, insbesondere beim Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, bei dem die Temperatur im Bereich von –40°C bis +80°C variieren kann, und zudem unter Beachtung der extremen Fließfähigkeit der Harnstoff-Wasser-Lösung und des dauerhaft schwingenden Kabels, wird erfindungsgemäß eine fluiddichte Verbindung von zwei Bauteilen bereitgestellt, wobei ein erstes Bauteil von einem zweiten Bauteil umschlossen ist, ein Dichtelement das erste Bauteil umschließt und mit einer ersten Seite am zweiten Bauteil anliegt und eine Hülse das Dichtelement umschließt, wobei die Hülse mit einer Stirnfläche an der dem zweiten Bauteil gegenüber liegenden Seite am Dichtelement anliegt und mit der Mantelfläche das Dichtelement und einen Teil des zweiten Bauteils umschließt, wobei die Hülse mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Erfindungsgemäß weist das Dichtelement eine wellenförmige Außenseite und eine glatte Innenseite oder eine wellenförmige Innenseite und eine glatte Außenseite auf und ist mit der Stirnfläche der Hülse so gegen das zweite Bauteil gepresst, dass die Stirnflächen des Dichtelements axial gegen die Stirnfläche der Hülse und das zweite Bauteil gepresst werden und die Wellenkämme der wellenförmigen Seiten radial verpresst werden.
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Durch die axiale Verpressung des Dichtelements zwischen Hülse und zweitem Bauteil und die gleichzeitige radiale Verpressung werden hohe Relativbewegungen zwischen den zu dichtenden Bauteilen kompensiert. Zusätzlich wird durch den Aufbau mit wellenförmiger Außenseite und glatter Innenseite bzw. wellenförmiger Innenseite und glatter Außenseite gewährleistet, dass das Dichtelement gleichzeitig radial und axial abdichten kann. Dies ist für eine Elastomerdichtung, wie sie üblicherweise eingesetzt wird, beispielsweise für einen O-Ring nicht möglich, da der Werkstoff der für Elastomerdichtungen eingesetzt wird, beispielsweise EPDM 7010, inkompressibel ist. Wird das Elastomer radial verformt, so wird ein axialer Ausdehnungsraum benötigt, um die zulässige Reißdehnung nicht zu überschreiten. Bei einer axialen Verformung wird ein radialer Ausdehnungsraum benötigt. Bei gleichzeitiger radialer und axialer Verformung der Dichtung muss dem Elastomer ein Ausdehnungsraum bereitgestellt werden, der die benötigten Dichtbereiche nicht beeinflusst bzw. positiv unterstützt. Hieraus entstehen Abhängigkeiten in beide Richtungen und die Qualität der Dichtstelle ist ein Ergebnis aus Elastomerprofil und Dichtprozess.
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Bei Einsatz der fluiddichten Verbindungen für Füllstandsensoren in einer selektiven katalytischen Reduktion ist das Bauteil ein Kabel und das zweite Bauteil ein Grundkörper des Sensors. Bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug schwingt das Kabel und die Relativbewegungen, die sich durch das schwingende Kabel ergeben, können mit Hilfe der erfindungsgemäßen fluiddichten Verbindung kompensiert werden. Zudem erlaubt die erfindungsgemäße fluiddichte Verbindung einen deutlich höheren Toleranzausgleich hinsichtlich Fertigungsungenauigkeiten von Bauteilen.
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Aufgrund des schwingenden Kabels wird die Pressung im Dichtbereich vollständig verändert. Eine wellenförmige Ausgestaltung mit drei Wellenkämmen gewährleistet, dass zumindest immer ein Wellenkamm abdichtet. Durch die Gestaltung mit der wellenförmigen Außenseite bzw. wellenförmigen Innenseite wird bei Entlastung eines Wellenkamms die Anpressung des benachbarten Wellenkamms erhöht.
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Um eine stabile Verbindung von erstem Bauteil und zweitem Bauteil zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Hülse, die mit dem zweiten Bauteil verbunden ist, mit dem zweiten Bauteil verschweißt ist. Durch das Verschweißen wird eine zusätzliche fluiddichte Verbindung und zudem eine stabile Verbindung erzielt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das zweite Bauteil, beispielsweise der Grundkörper des Füllstandsensors und die Hülse aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Das eingesetzte Kunststoffmaterial ist dabei vorzugsweise ein Thermoplast. Die Verwendung eines Thermoplasten erlaubt ein Verschweißen von zweitem Bauteil und Hülse.
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Das eingesetzte Dichtelement enthält vorzugsweise ein für Dichtelemente übliches Elastomermaterial, bevorzugt EPDM 7010.
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Wenn das erste Bauteil ein Kabel und das zweite Bauteil ein Grundkörper eines Sensors ist, ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Sensor ein Füllstandsensor ist, der innerhalb eines Tanks für eine Flüssigkeit positionierbar ist. Der Tank für eine Flüssigkeit ist zum Beispiel ein Tank für ein Reduktionsmittel, wie es zur selektiven katalytischen Reaktion von Stickoxiden eingesetzt wird, beispielsweise eine Harnstoffwasserlösung.
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Um die erfindungsgemäße fluiddichte Verbindung herzustellen, werden gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst die Hülse und das Dichtelement auf das erste Bauteil aufgeschoben. Das erste Bauteil wird anschließend in das zweite Bauteil eingesetzt und die Hülse über das zweite Bauteil geschoben. Abschließend wird die Hülse mit dem zweiten Bauteil verbunden.
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Die Verbindung der Hülse mit dem zweiten Bauteil erfolgt zum Beispiel durch ein Ultraschall-Schweißverfahren. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Hülse und das zweite Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sind. Mit dem Ultraschallschweißverfahren werden das Material der Hülse und des zweiten Bauteils in einen Phasenübergang gebracht. Beim Erreichen der Schmelztemperatur wird die Hülse axial so auf das zweite Bauteil geschoben, dass das Dichtelement verpresst wird. Durch das Verpressen wird das Profil des Dichtelements so verformt, dass radial ein Anpressdruck zwischen dem ersten Bauteil und der Hülse entsteht. Aufgrund der axialen Verschiebung der Hülse wird gleichzeitig der axiale Anpressdruck erhöht, so dass eine dichte Verbindung zwischen dem zweiten Bauteil und der Hülse entsteht.
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Durch das axiale Verschieben der Hülse und das Verpressen wird das Dichtelement verformt. Der Raum zwischen den Wellen der wellenförmigen Innenseite bzw. wellenförmigen Außenseite dient dem Elastomermaterial des Dichtelements als Ausdehnungsraum.
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Der Weg, den die Hülse axial auf dem zweiten Bauteil verschoben wird, muss so auf die Profilgeometrie des Dichtelements abgestimmt werden, dass dem axial verdrängten Material des Dichtelements ausreichend Ausdehnungsraum zwischen den einzelnen Wellenkämmen der wellenförmigen Seite zur Verfügung steht, wobei gleichzeitig eine ausreichende radiale Verpressung notwendig ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen fluiddichten Verbindung,
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2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß eingesetztes Dichtelement,
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3 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß eingesetzten Dichtelements.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In 1 ist eine fluiddichte Verbindung am Beispiel eines Sensorkörpers mit Kabel dargestellt.
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Zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung wird ein Kabel 1 als erstes Bauteil von einem Grundkörper 3 eines Füllstandsensors als zweites Bauteil umschlossen. Mit dem Kabel 1 wird der Füllstandsensor, der zum Beispiel zur Überwachung des Füllstands eines flüssigen Reduktionsmittels in einem Flüssigkeitstank eingesetzt wird, elektrisch kontaktiert. Um zu vermeiden, dass Flüssigkeit in den Sensorgrundkörper 3 entlang der Verbindung mit dem Kabel 1 gelangt, muss die Verbindung von Kabel 1 und Grundkörper 3 des Sensors fluiddicht sein.
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Zur fluiddichten Verbindung ist das Kabel 1 mit einem Dichtelement 5 umschlossen. Hierbei liegt das Dichtelement 5 mit seiner Innenseite 7 am Kabel 1 an.
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Das Dichtelement 5 ist weiterhin von einer Hülse 9 umschlossen. Zur Abdichtung liegt das Dichtelement 5 mit seiner Außenseite 11 an einer inneren Mantelfläche 13 der Hülse 9 an.
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Um eine fluiddichte Verbindung zu erhalten, wird die Hülse 9 auf den Grundkörper 3 des Sensors geschoben und mit dem Grundkörper 3 des Sensors verbunden. Die Verbindung der Hülse 9 mit dem Grundkörper 3 des Sensors kann zum Beispiel formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen. Bevorzugt ist eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise durch ein Schweißverfahren. Hierzu werden die Hülse 9 und der Grundkörper 3 des Sensors zum Beispiel mit Hilfe von Ultraschall erwärmt und angeschmolzen. Anschließend wird die Hülse 9 auf den Grundkörper 3 verschoben und so mit dem Grundkörper 3 verschweißt. Das Anschmelzen erfolgt dabei vorzugsweise nur in dem Bereich, in dem die Hülse 9 mit dem Grundkörper 3 verbunden werden soll. Hierdurch wird vermieden, dass sich der Grundkörper 3 durch das Anschmelzen insgesamt verformt.
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An der Hülse 9 ist eine Stirnfläche 15 ausgebildet, die gegen eine erste Stirnfläche 17 des Dichtelements 5 wirkt. Hierdurch wird das Dichtelement 5 mit seiner ersten Stirnfläche 17 gegen die Stirnfläche 15 der Hülse 9 gepresst und mit einer zweiten Stirnfläche 19 gegen eine Stirnfläche 21 des Grundkörpers 3.
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Durch das Anpressen des Dichtelements 5 mit der ersten Stirnfläche 17 gegen die Stirnfläche 15 der Hülse 9 und mit der zweiten Stirnfläche 19 gegen die Stirnfläche 21 des Grundkörpers 3 wird eine axiale Dichtung erzielt. Gleichzeitig wird durch das axiale Verpressen des Dichtelements 5 die Außenseite 11 des Dichtelements 5 gegen die innere Mantelfläche 13 der Hülse 9 gepresst und die Innenseite 7 des Dichtelements 5 gegen das Kabel 1. Hierdurch wird eine radiale Dichtung erreicht. Durch die axiale Dichtung und die radiale Dichtung, die durch das Verpressen mit Hilfe der Hülse 9 erzielt wird, wird eine fluiddichte Verbindung erzielt, die auch dann abdichtet, wenn das Kabel zum Beispiel bei Einsatz des Sensors in einem Kraftfahrzeug schwingt. Auch wird eine Dichtung gegenüber einer wässrigen Harnstofflösung, wie sie zum Beispiel für die selektive und katalytische Reduktion eingesetzt wird, erzielt.
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Erfindungsgemäß ist die Außenseite 11 des Dichtelements 5 wellenförmig gestaltet. Dies lässt sich zum Beispiel auch der Darstellung in 2 entnehmen. Durch die wellenförmige Gestaltung weist die Außenseite 11 des Dichtelements 5 Wellenkämme 23 und Wellentäler 25 auf.
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Beim Verpressen des Dichtelements 5 mit Hilfe der Hülse 9 wird das Profil des Dichtelements 5 verformt. Bei dieser Verformung wird mindestens ein Wellenkamm 23 gegen die innere Mantelfläche 13 der Hülse 9 gepresst. Gleichzeitig wird der Raum zwischen den Wellenkämmen 23 als Ausdehnungsraum genutzt und das Profil verformt sich so, dass Material eines Wellenkamms in den Bereich über einem Wellental 25 verschoben wird und sich so der Raum zwischen zwei Wellenkämmen 23 auffüllt. Das Verpressen ist dabei so zu gestalten, dass noch ausreichend Raum verbleibt, um eine Verformung des Dichtelements zu ermöglichen.
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Die Gestaltung mit drei Wellenkämmen 23, wie sie in 2 dargestellt ist, stellt sicher, dass immer mindestens ein Wellenkamm 23 gegen die innere Mantelfläche 13 der Hülse 9 presst uns so eine Abdichtung sichergestellt wird, da es immer einen Wellenkamm 23 gibt, der dichtet. Die Gestaltung des Dichtelements 5 gewährleistet, dass bei Entlastung eines Wellenkamms 23 zum Beispiel aufgrund der Schwingungen des Kabels 1 die Pressung des benachbarten Wellenkamms 23 gegen die innere Mantelfläche 11 der Hülse 9 erhöht wird.
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In 3 ist eine Schnittdarstellung des Dichtelements 5 dargestellt.
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Der Schnittdarstellung lässt sich entnehmen, dass die Innenseite 7 des Dichtelements 5 glatt gestaltet ist.
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Mit der glatten Innenseite 7 liegt das Dichtelement 5 am Kabel 1 an. Bei einer axialen Verpressung mit Hilfe der Hülse 9, wobei die Stirnfläche 15 der Hülse 9 auf die erste Stirnfläche 17 des Dichtelements 5 wirkt und das Dichtelement 5 so mit der zweiten Stirnfläche 19 gegen die Stirnfläche 21 des Grundkörpers 3 gepresst wird, wird die Stirnfläche 7 gleichzeitig gegen das Kabel 1 gepresst und mindestens ein Wellenkamm 23 gegen die innere Mantelfläche 13 der Hülse 9. Auf diese Weise wird eine radiale und axiale Abdichtung erzielt.
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Neben der in 3 gezeigten Gestaltung ist es alternativ auch möglich, dass die Innenseite 7 des Dichtelements 5 wellenförmig gestaltet ist und die Außenfläche 11 glatt.
