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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schlauch, bestehend aus einer Verstärkungswendel aus einem Draht oder einem drahtähnlichen Material, die einen durchlaufenden Hohlraum umschließt und einer darauf außen aufliegenden Innenschicht aus dauerhaft elastischem Material und darauf aufliegenden Fäden.
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Flexible Schläuche zur Weiterleitung von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen sind weithin in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Um den Schlauch gegen ein partielles Kollabieren des Querschnittes bei allzu geringem Krümmungsradius – das umgangssprachlich als „Abknicken” bezeichnet wird – oder gegen ein Zusammendrücken bei Unterdruck oder gegen ein allzu starkes Aufblähen bei Überdruck zu schützen, ist es bekannt, in das elastische Material des Schlauches bei der Fertigung eine der Länge nach sich durchziehende Wendel aus Draht oder einem ähnlichen Material, alternativ auch Kunststoff einzuziehen.
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Bei Überdruckschläuchen ist es sinnvoll, die Fäden auf der Außenseite der Innenschicht aufzulegen, so dass sie ein Aufblähen der Innenschicht bei Überdruck begrenzen.
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Bei Unterdruckschläuchen ist es sinnvoll, die Fäden auf der Außenseite von Verstärkungswendel und Innenschicht noch in eine zusätzliche Außenschicht einzubetten, so dass sie den äußeren Druck sich zuerst auf die Drahtwendel weitergeben.
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Dank der Verstärkungselemente können derartige Schläuche erheblich höherem Druck standhalten als ohne Verstärkung.
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Bei einem Abwinkeln des Schlauches mit einem sehr kleinen Krümmungsradius oder bei einer Torsion sorgt die Drahtwendel dafür, dass der Schlauch auch unter dieser Belastung noch seinen vollen Querschnitt behält und deshalb auch unter einer solchen Belastung noch seinen Nenndurchlass aufrechterhalten kann.
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Schläuche, deren Wandung von einem verstärkenden Draht unterstützt wird, erreichen dadurch eine sehr viel höhere Festigkeit und höhere Lebensdauer als ohne diese Verstärkungsmaßnahmen.
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Derartige Schläuche sind im alltäglichen Sprachgebrauch auch unter der Bezeichnung „Spiralschläuche” bekannt. Den eingebetteten Verstärkungsdraht als Spirale zu bezeichnen, ist jedoch geometrisch nicht korrekt, da er ja – anders als bei einer Spirale – stets den gleichen Durchmesser in Bezug auf seine Längsachse aufweist. Der Verlauf des Drahtes entspricht z. B. dem Gewindegang einer Schraube. Diese Figur wird in der Geometrie als „Wendel” bezeichnet.
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Auf aktuellem Stand der Technik beschreibt die Patentschrift
EP 0 255 359 B1 einen Unterdruckschlauch für einen Staubsauger, der zusätzlich zu der Verstärkungswendel aus Draht, die innen im Schlauch gewendelt ist, oberhalb der äußeren Deckschicht noch Fäden aufweist, die hier als sog. „Verstärkungskorde” bezeichnet werden. Diese fadenartigen Zugträger sind ebenfalls als Wendel um die Innenschicht des Schlauches herum geführt. Es ist auch vorgesehen, diese ersten Verstärkungskorde durch weitere Verstärkungskorde zu unterstützen, die in Längsrichtung verlaufen – die sog. „Längsverstärkungskorde”, die sich dann mit den gewendelten Verstärkungskorden kreuzen.
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Derartig verstärkte Schläuche halten bei geradem Verlauf oder bei Krümmungen, deren Radien im Verhältnis zum Durchmesser des Schlauches einen Mindestwert nicht unterschreiten, hohen Unterdrücken stand und sind über eine sehr lange Zeit hinweg dicht.
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Ein ganz wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass bei relativ kleinen Biegeradien, bei Torsion, bei Positionsveränderungen und/oder bei schnell oder regelmäßig sich ändernden Druckwerten das fadenartige Zugelement gegenüber der umgebenen Schicht des Schlauches in Bewegung gerät. Dieses Risiko ist besonders an den Verbindungselementen des Schlauches sehr hoch, da sich seine Richtung dort besonders häufig verändert und gewechselt wird und da er sich dort prinzipbedingt mit einem besonders kleinen Radius krümmen muss. Das führt auf die Dauer dazu, dass der eigentlich segensreiche Verstärkungsfaden gegenüber der ihn umgebenden Schicht des Schlauches in Bewegung gerät und dabei das Material lockert oder sogar abträgt. Dadurch wirkt der Verstärkungsfaden auf die Dauer wie ein Messer, das die Schlauchschicht durchtrennt und auf diese Weise den Schlauch an dieser Stelle undicht werden lässt.
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Ein damit verwandter Effekt kann z. B. bei Schneidegeräten für Käse beobachtet werden, bei denen ein Draht zwischen den beiden Schenkeln eines U-förmigen Griffstückes gespannt ist. Durch eine relativ geringe, in radialer Richtung des Drahtes wirkende Kraft drückt sich dieser ähnlich der Schneide eines Messers durch den Käse hindurch. Da im Unterschied zu einem Messer die mit dem zu schneidenden Material in Berührung stehende Fläche erheblich kleiner ist, reicht eine sehr viel geringere Schnittkraft aus.
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Dieser Effekt macht sich auch bei den verstärkenden Fäden in Spiralschläuchen sehr nachteilig bemerkbar: insbesondere in der Nähe der Verbindungselemente, wo der verstärkende Faden sehr häufig gegenüber dem Schlauch bewegt wird, schneidet er sich – je nach Bauweise und Belastung – entweder in die Innenschicht oder in die Außenschicht ein. Durch den Ausfall von einer der beiden Schichten wird die andere, vom verstärkenden Faden nicht durchschnittene Schicht so überlastet, dass sie in diesem Bereich ebenfalls ausfällt. Durch die so entstandene Undichtigkeit ist der gesamte Schlauch nicht mehr verwendbar.
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Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Schlauch vorzustellen, der durch eine drahtartige Wendel verstärkt wird und der mit zusätzlichen verstärkenden Fäden ausgerüstet ist, wobei das Risiko des Einschneidens der Fäden in eine der Schlauchschichten deutlich vermindert werden soll.
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Als Losung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass wenigstens zwei Fäden mit unterschiedlicher Ausrichtung verlaufen und sich mehrfach kreuzen und an den Kreuzungspunkten fest miteinander verbunden sind.
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Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist also die feste Verbindung der Fäden an den Kreuzungspunkten, die sie daran hindert sich gegeneinander zu bewegen. Der damit erreichte Effekt ist, dass bei einer Relativbewegung eines Fadens gegenüber dem ihn umgebenden Material des Schlauches nicht nur der Faden selbst in seiner Längsrichtung bewegt wird, sondern auch die damit verbundenen Fäden, die diesen kreuzen.
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Wenn auf einen bestimmten Abschnitt eines verstärkenden Fadens eine Kraft ausgeübt wird, die ihn in seiner Längsrichtung beansprucht, so pflanzt sich diese Kraft durch den Faden hinweg fort. Diese longitudinale Belastung nimmt jedoch durch die Elastizität des Fadens mit zunehmender Entfernung vom Ort der Krafteinbringung ab.
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Aber in unmittelbarer Nähe der einwirkenden Kraft kann die in Längsrichtung des Fadens wirkende Kraft so hoch sein, dass sie die Haftkraft zwischen dem verstärkenden Faden und dem umgebenden Schlauchmaterial überschreitet. Daraufhin löst sich der Faden vom Material und ist nunmehr wie in einer Röhre in Längsrichtung beweglich. Ähnlich wie ein U-Bahn-Zug in seinem Tunnel kann er sich in Längsrichtung der Röhre im Schlauchmaterial bewegen. Der wesentliche Unterschied zu dem U-Bahn-Zug ist jedoch, dass der verstärkende Faden sich nicht auf Schienen mit einem soliden Fundament abrollt sondern sich an den Wandungen der Röhre reibt. Dadurch wird Material von der Wand der Röhre gelockert und es bilden sich Risse, sodass der Faden allmählich die Wand der Röhre „ausfranst” und sich bei Belastung tief in sie hineingräbt.
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Diese Störung in der Haftung zwischen verstärkendem Faden und umgebenden Schlauchmaterial pflanzt sich mit der steten Wiederholung der Überlastung an einer bestimmen Stelle immer weiter entlang des verstärkenden Fadens fort. Dadurch dehnt sich der Bereich des vom umgebenden Schlauchmaterial losgelösten, verstärkenden Fadens bis an einen Kreuzungspunkt mit einem anderen Faden aus.
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Beim bekannten Stand der Technik hat dieser kreuzende Faden wegen fehlender Verbindung zum bewegten Faden keinerlei Einwirkung auf dessen Bewegung.
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Mit dem entscheidenden Merkmal der Erfindung, nämlich der festen Verbindung zu dem kreuzenden Faden, wird jedoch die Bewegung auch auf diesen übertragen. Dadurch wird die in Längsrichtung wirkende Kraft nicht nur in demjenigen Faden weitergeleitet, der sie ursprünglich zum Kreuzungspunkt gebracht hat, sondern auch in den beiden anderen Fadenenden, die sich vom Kreuzungspunkt hinweg erstrecken. Die in Längsrichtung des Fadens wirkende Kraft verteilt sich also nunmehr auf drei, vom Kreuzungspunkt hinweggerichtete Fäden.
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Dadurch wird das Risiko einer weiteren Lösung der Fäden vom umgebenden Schlauchmaterial entsprechend reduziert und dadurch insgesamt erreicht, dass das Risiko einer Rissbildung durch den am Schlauchmaterial reibenden Faden deutlich reduziert wird.
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Ein erfindungsgemäßer Schlauch kann mit verschiedenen Varianten der Verstärkungswendel bestückt werden. In den meisten Fällen wird sie aus beschichtetem Metalldraht oder aus ummanteltem Metalldraht bestehen. Sie kann aber auch als ein Kunststoffprofil in den Schlauch eingearbeitet werden.
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Zum Schutz gegen Beschädigungen von außen und als eine Reserve für die Abdichtung des Schlauches können die Innenschicht und die Fäden von einer Außenschicht abgedeckt werden.
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Für einen hochwertigen Schutz des Schlauches bevorzugt es die Erfindung, die Fäden als ein zusätzliches Material einzubringen und einzuarbeiten.
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Es ist jedoch auch denkbar, die Fäden reliefartig aus dem Material der Innenschicht heraus zu formen, so dass sie nur auf einem Teil ihrer Fläche mit der Innenschicht verbunden sind. Dafür kann zum Beispiel die Innenschicht durch Prägen oder Pressen bearbeitet werden, Der Vorteil ist eine besonders innige Verbindung von Fäden und Innenschicht. Zu beachten ist jedoch, dass entsprechend geformte, relativ aufwendige Presswerkzeuge beschafft und beim Formen stets von Rückständen frei gehalten werden müssen, weil andernfalls die Fäden nicht mehr durchgängig weitergeführt würden, was die Festigkeit des Schlauches deutlich verschlechtern würde.
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Unabhängig von Material und Herstellung der verstärkenden Fäden sind für deren Führung verschiedene Varianten denkbar. So können z. B. zwei Fäden mit der gleichen Steigung, aber spiegelbildlich zueinander ausgerichtet um die Innenschicht gewendelt werden. Diese Variante ist deshalb interessant, da sich zwischen den Fäden Maschen in Form einer symmetrischen Raute bilden, die sich bei Biegung ebenso wie bei Torsion als die Konfiguration mit der besten Stabilität erwiesen haben.
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Denkbar ist auch, dass zwei Fäden mit gleicher Ausrichtung aber unterschiedlicher Steigung um die Innenschicht gewendelt werden. Durch die Unsymmetrie der entstehenden Masche ist ein solcher Schlauch vor allem für eine stete Biegung in nur einer Richtung geeignet.
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Denkbar ist als eine weitere Variante, dass ein Faden mit einer sehr geringen Steigung und wenigstens zwei Fäden mit jeweils einer höheren Steigung oder etwa parallel zueinander um die Innenschicht gewendelt werden – und dabei natürlich an jedem Kreuzungspunkt der Fäden miteinander verbunden werden. Bei dieser Konfiguration entstehen wiederum symmetrische, rautenförmige Maschen.
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Eine andere Maschenform bildet sich, wenn jeweils zwei, auf der Innenschicht aufliegende Fäden abwechselnd in einem ersten Schlauchabschnitt in Längsrichtung des Schlauches verlaufen und auf diesem Teilstück miteinander verdrillt sind. In dem darauf folgenden Schlauchabschnitt verlaufen sie schräg zur Längsachse des Schlauches, so dass sie sich wieder voneinander entfernen. In dem daran anschließenden dritten Schlauchabschnitt treffen wieder zwei Fäden aufeinander und verlaufen wie im ersten Schlauchabschnitt, also in Längsrichtung und miteinander verdrillt, um im folgenden Abschnitt wieder auseinander zu laufen. Bei dieser Konfiguration bildet sich ein Netz mit sechseckigen Maschen. Sein Vorteil ist eine besonders hohe Flexibilität.
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Bei den vorgenannten und bei anderen Varianten des aus den Fäden gebildeten Netzes ist die Weite der Maschen des Netzes aus den Fäden vorzugsweise maximal etwa so groß ist wie der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Verstärkungswende. Je kleiner die Maschen des Netzes sind, desto „früher” verteilt sich eine in Längsrichtung eines Fadens wirkende Kraft auf die beiden anderen, im Kreuzungspunkt angebundenen Fadenteile.
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In Bezug auf das „Schneidverhalten” eines verstärkenden Fadens auf das ihn umgebende Schlauchmaterial wäre es zu bevorzugen, dass der verstärkende Faden die gleiche Elastizität wie das umgebende Schlauchmaterial aufweisen würde. Eine solche Konstellation würde tatsächlich die Relativbewegung des Fadens gegenüber dem Schlauchmaterial eliminieren. Der Nachteil wäre dann nur, dass sich die Fäden auch ebenso wie das Schlauchmaterial selbst ausdehnen und damit keine verstärkende Wirkung mehr ausüben können.
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Es wäre denkbar, diese Relation zumindest dadurch angenähert wird, dass der verstärkende Faden im normalen Belastungsbereich noch etwa die gleiche Elastizität wie das Schlauchmaterial aufweist und erst bei Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes der Kraft in seiner Elastizität ganz deutlich absinkt. Ein derartiges, nicht lineares Verhalten würde den „Schneideffekt” bei normalen Druckbelastungen des Schlauches vermindern, aber bei Spitzen in der Druckbelastung würde trotzdem eine verstärkende Wirkung des Fadens einsetzen, weil dann seine Elastizität ganz deutlich absinkt.
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Eine andere Alternative ist es, die Fäden mit einer Schutzschicht zu umgeben, deren Elastizität zumindest im äußeren Bereich etwa der Elastizität der Innenschicht des Schlauches entspricht, aber deren Schnittfestigkeit zumindest in ihrem inneren Bereich höher als bei der Innenschicht ist. Der Vorteil dieses zweischichtigen Aufbaues des verstärkenden Fadens ist, dass die „Seele” des Fadens eine sehr geringe Elastizität und daher auch eine gute Reißfestigkeit aufweisen kann, aber keine so dramatische Schnittwirkung hat, da sie nach außen hin durch die Schutzschicht abgefedert wird. Da die Elastizität dieser Schutzschicht nach innen hin stark abnimmt, wird sie davor geschützt, selbst vom Faden zerschnitten zu werden. Nach außen hin übt ein solcher Verbundfaden keine dramatische Schnittwirkung mehr auf das umgebende Schlauchmaterial aus, da der Randbereich die gleiche Elastizität wie das Schlauchmaterial selbst aufweist.
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Eine solche Schutzschicht könnte z. B. aus aufgeschäumten Kunststoffen und/oder einem textilen Gewirke bestehen.
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Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass die Fäden an ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind. Geeignete Verbindungsmethoden sind eine Verklebung und/oder ein Knoten zwischen den Fäden und/oder eine Verschlingung und/oder eine Verschweißung und/oder ein Verhaken und/oder ein Vergießen. Im Endergebnis entsteht dadurch ein Netz, das den Innenschlauch umgibt.
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Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik bietet dieses Netz den wesentlichen Vorteil, dass eine Relativbewegung der Fäden gegenüber dem umgebenden Schlauchmaterial durch die Verbindung zu den kreuzenden Fäden der netzartigen Struktur dramatisch eingeschränkt und in vielen Situationen unterbunden wird, sodass die Lebensdauer des Schlauches auch bei recht zahlreichen Bewegungen mit einem recht großen Wechsel zwischen verschiedenen Krümmungsradien sehr viel höher ist als bisher.
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Ergänzend kann das Einschneiden der Fäden in das umgebende Schlauchmaterial durch die Form des Fadens weiter verhindert werden. Dazu schlägt die Erfindung vor, dass die Fäden in radialer Richtung des Schlauches dünner als in dessen axialer Richtung sind. Sie könnten z. B. einen elliptischen oder ovalen oder etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen, dessen breiteste Abmessung tangential zum Schlauch ausgerichtet ist.
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Im Vergleich zu einem runden Querschnitt mit gleicher Querschnittsfläche wird dadurch eine erheblich größere Auflagefläche des Fadens in radialer Richtung des Schlauches erreicht, die die schneidende Wirkung des Fadens deutlich reduziert.
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Bei der radialen Reihenfolge der Verstärkungswendel, der einzelnen dichtenden Schichten und der Schicht mit den Fäden sind neben der bis hier beschriebenen Variante weitere Ausführungen möglich und sinnvoll: In der ersten, bereits beschriebenen Variante sind die Fäden außerhalb der Verstärkungswendel und der Innenschicht angeordnet. Diese Ausführungsform ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Schlauch einem Unterdruck ausgesetzt ist.
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In der zweiten, neben dem Hauptanspruch auch noch beanspruchten Variante sind die Fäden innerhalb der Verstärkungswendel angeordnet. Diese Ausführung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Schläuche einem Überdruck ausgesetzt sind.
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Als eine dritte Variante kann die Verstärkungswendel sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite mit verstärkenden Fäden umgeben werden. Diese Fäden können nicht nur in ihrer jeweiligen Schicht miteinander verbunden werden, sondern auch durch die Verstärkungswendel hindurch mit den Fäden, die auf der gegenüberliegenden Seite der Verstärkungswendel verlaufen.
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Die auch für die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterdruckschlauches wesentliche, netzartige Struktur der Fäden kann bereits vor deren Aufbringen auf die Innenschicht erstellt werden. Die zu einem festen Netz miteinander verbundenen Fäden bilden eine rohrartige Struktur, die zur Herstellung eines Schlauches über die Innenschicht aufgezogen wird, sodass sie darauf aufliegt.
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In ähnlicher Weise kann für die Herstellung eines Überdruckschlauches eine Verstärkungswendel auf eine Schicht mit Fäden und auf eine Innenschicht aufgebracht werden. Abhängig davon, ob der Schlauch vorrangig für Unterdruck oder für Überdruck vorgesehen ist, liegt die netzwerkartige Fadenstruktur entweder auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Verstärkungswendel auf. Erst in eifern letzten Schritt wird auf Fäden und Verstärkungswendel erforderlichenfalls noch eine Außenschicht aufgebracht.
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Als eine Alternative dazu kann – bei einem Unterdruckschlauch – die Verbindung der Fäden auch erst während des Aufbringens erzeugt werden. Dazu werden im ersten Schritt auf die Verstärkungswendel eine Innenschicht und wenigstens zwei Fäden aufgebracht. Dabei werden die Fäden von Spulen abgewickelt, die jeweils bei Erreichen eines Kreuzungspunktes von zwei Fäden um 180° gegenüber der Mitte des Abstandes zwischen den jeweiligen Spulen quer zur Längsrichtung des Schlauches verschwenkt werden. Bei diesem Verfahren wird der einzelne Faden zick-zack-förmig auf der Innenschicht entlanggeführt und die benachbarten Fäden sind jeweils miteinander verschlungen. Es entstehen quadratische oder rautenförmige Maschen des Netzes, die sich insbesondere bei einer Torsion des Schlauches als sehr vorteilhaft erwiesen haben.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Dieses soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 Schrägbild eines Schlauches mit abschnittsweise entfernten Schichten.
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In 1 ist ein Stück eines erfindungsgemäßen Schlauches gezeichnet, von dem zeichnerisch seine Schichten abschnittsweise gelöst sind. In dem in 1 gezeichneten Ausführungsbeispiel ist gut zu erkennen, dass die Verstärkungswendel 2 die innerste Schicht des Schlauches bildet. Darauf ist eine Innenschicht 1 aufgelegt, die von der Verstärkungswendel 2 aufgespannt wird. In die Innenschicht 1 ragt die Verstärkungswendel 2 hinein und ist auf der Außenfläche als wendelförmig umlaufender Wulst zu erkennen.
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Auf dieser Innenschicht 1 liegen die Fäden 3 auf. Gut zu sehen ist, wie sich die netzartige Struktur der Fäden 3 über die Wülste hinweg zieht, die von der Verstärkungswendel 2 gebildet wird. Die Fäden 3 sind in die Außenschicht 5 eingebettet oder eingedrückt, die auf der Innenschicht 1 aufliegt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden Fäden 3 jeweils um etwa 45° gegenüber der Längsachse geneigt und haben gegeneinander eine gegensinnig orientierte Schrägung.
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In 1 ist schematisch eingezeichnet, wie die Fäden an den Kreuzungspunkten miteinander verknotet sind, wodurch ein Netz entsteht, von dem die Innenschicht 1 des Schlauches überzogen ist.
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In 1 ist gut nachvollziehbar, dass diese Konfiguration besonders dann gut geeignet ist, wenn die Innenschicht 1 des Schlauches mit einem erhöhten Druck belastet wird. Dann hält die netzartige Struktur aus den Fäden 3 die Innenschicht 1 auf der Verstärkungswendel 2 fest und verhindert, dass sich die Innenschicht so weit aufbläht, dass sie platzt. In 1 ist nachvollziehbar, dass dadurch der gesamte Schlauch mit erheblich höherem Druck belastet werden kann, als es die Innenschicht 1 und die Außenschicht 4 alleine erlauben würden.
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Ein weiterer Vorteil ist ebenfalls in 1 gut nachvollziehbar: Bei einer Biegung des Schlauches mit einem sehr engen Krümmungsradius würde der innen durchlaufende Hohlraum 4 durch Abknicken so weit zusammengedrückt, dass der Strom des Mediums im Schlauch unterbrochen würde. Die Verstärkungswendel sorgt dafür, dass hier ein Mindestbiegeradius nicht unterschritten wird und dadurch der durchlaufende Hohlraum 4 erhalten bleibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenschicht des Schlauches, auf Verstärkungsspindel 2 aufliegend
- 2
- Verstärkungswendel, spannt die Innenschicht 1 auf
- 3
- Fäden, auf Innenschicht 1 aufliegend
- 4
- Hohlraum, durchläuft die Verstärkungswendel 2
- 5
- Außenschicht, auf Fäden 3 und Innenschicht 1 außen aufliegend
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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