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Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Leitungselements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Metallbälge werden als flexible Leitungselemente beispielsweise in industriellen Rohrleitungen, Kryoleitungen, solarthermischen Kraftwerken, in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, z. B. in Form von Entkoppelelementen zum Entkoppeln des Motors von den restlichen Bestandteilen der Abgasanlage, oder aber als bewegliche Dichtelemente in Ventilen eingesetzt.
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Wenn die Temperatur des in dem Leitungselement zu transportierendem Mediums stark von der Umgebungstemperatur abweicht, ist eine Wärmeisolierung des Leitungselements sinnvoll. Hierzu wird üblicherweise eine starre Isolierung außen auf das Leitungselement aufgebracht, welche jedoch in der Regel nicht in der Lage ist, den Bewegungen des Metallbalgs zu folgen. Zudem benötigt die starre Isolierung zusätzlichen Bauraum.
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Weiterhin sind doppelwandige Leitungen aus zwei ineinander montierten Bälgen oder Wellschläuchen im Stand der Technik bekannt, bei denen der Zwischenraum zu Isolations- oder Überwachungszwecken evakuiert werden kann. Alternativ kann auch eine stofflich isolierende Schicht zwischen den Balglagen angeordnet werden.
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Die bekannten vakuumisolierenden Lösungen sind jedoch konstruktiv aufwändig und besitzen aufgrund der konzentrischen Montage zweier gewellter Elemente nach dem Wellenformen einen übermäßig großen Durchmesser. Andererseits haben Metallbälge mit einer stofflichen Zwischenlage zur Isolation aufgrund der geringen realisierbaren Lagendicke nur eine begrenzte Isolierwirkung.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isolierendes flexibles Leitungselement bereitzustellen, welches kompakt gebaut werden kann. Ebenfalls soll ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines derartigen flexiblen Leitungselements bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein flexibles Leitungselement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Leitungselements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß bereitgestellt wird ein flexibles Leitungselement, welches einen wenigstens doppelwandigen Balgabschnitt mit zumindest einer inneren Wand und zumindest einer äußeren Wand aufweist, wobei die äußere Wand die innere Wand in einem vorbestimmten Abstand konzentrisch umgibt. Dabei ist zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand ein Spalt vorhanden, wobei der Spalt eine Spaltbreite aufweist, welche zwischen dem Doppeltem und dem 20-fachen einer Dicke der inneren Wand oder einer Dicke der äußeren Wand liegt. Durch die erfindungsgemäße Konfiguration kann ein kompaktes, flexibles Leitungselement realisiert werden, da die Spaltbreite extrem schmal ist. Extrem schmal bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es aufgrund der geringen Spaltbreite nicht möglich ist, die beiden Balgabschnitte der inneren Wand und der äußeren Wand zunächst als solche auszuformen und anschließend ineinander zu stecken. Eine derartige Art der Fertigung ist nur bei großen Durchmesserunterschieden der inneren Wand und der äußeren Wand des Balgabschnitts möglich, nämlich wenn der minimale Innendurchmesser des äußeren Balgs (im Bereich der Wellentäler) größer als der maximale Außendurchmesser des inneren Balgs (im Bereich der Wellenberge) ist. Beispielsweise kann die Spaltbreite senkrecht zu der begrenzenden inneren Wand bzw. der begrenzenden äußeren Wand im Bereich von wenigen 1/10 mm bis zu wenigen Millimetern liegen. Durch die wenigstens doppelwandige Ausbildung kann das flexible Leitungselement als flexibles gas- oder vakuumisoliertes bzw. gas-, vakuum- oder leckageüberwachtes Bauteil eingesetzt werden, da der Spalt zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand zum Isolieren, Kühlen, Heizen oder Überwachen auf Gasdichtheit verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die innere Wand und die äußere Wand des Balgabschnitts des flexiblen Leitungselements in einem gemeinsamen Umformprozess synchron bzw. gleichzeitig hergestellt, was den Herstellungsprozess vereinfacht und das erfindungsgemäß geringe Spaltmaß begünstigt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die innere Wand eine Vielzahl von ersten Wellen, und die äußere Wand umfasst eine Vielzahl von zweiten Wellen, wobei die ersten Wellen jeweils synchron zu den zweiten Wellen angeordnet sind, so dass der zwischen den beiden Wänden gebildete Spalt deren Wellenform nachbildet. „Synchron” bedeutet in diesem Kontext, dass ein Wellenberg der inneren Wand oder Lage sich von innen in einen Wellenberg der äußeren Wand (Lage) hinein erstreckt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die innere Wand aus einem ersten metallischen Werkstoff gebildet, und die äußere Wand aus einem zweiten metallischen Werkstoff. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die medienzugewandte Seite, das heißt zumindest die Innenwandung der inneren Wand, aus Korrosionschutzgründen in einem höherwertigen Werkstoff ausgeführt ist als die medienabgewandte Seite, z. B. in Form einer Beschichtung. Die innere Wand und die äußere Wand können auch in ein und demselben Werkstoff ausgeführt sein, z. B. in Stahl, vorzugsweise Edelstahl.
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Vorzugsweise weist das flexible Leitungselement eine Druckseite auf, welche aus Stabilitätsgründen zumindest mit einer weiteren Wand, insbesondere mit einer Vielzahl von weiteren Wänden oder Lagen, versehen ist. Diese weitere Wand kann als zusätzliche Innenwand radial innerhalb der inneren Wand oder als zusätzliche Außenwand ausgebildet sein. Auch eine Ausführung als Zwischenwand ist möglich. Jeder der Wände kann ihrerseits wiederum mehrlagig ausgebildet sein und/oder geeignete Beschichtungen aufweisen.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn an dem Balgabschnitt zumindest ein Anschlussteil angeordnet ist, in welchem zumindest eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist. Durch die zumindest eine Durchgangsbohrung in dem Anschlussteil kann nach dem Herstellungs- bzw. Montageprozess des flexiblen Leitungselements ein Füllstoff, welcher zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand angeordnet wird, abgelassen werden. Außerdem ist über die Durchgangsbohrung, die zweckmäßiger Weise in den Spaltbereich mündet, eine Befüllung des Spalts und/oder dessen Evakuierung möglich. Auch eine Spaltüberwachung, z. B. auf Leckage, kann über die Durchgangsbohrung erfolgen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das flexible Leitungselement als Rohrleitung, als Kryoleitung, als Entkoppelelement in einer Abgasanlage, als bewegliches Dichtelement in einem Ventil oder in einem solarthermischen Kraftwerk verwendbar sein.
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Erfindungsgemäß bereitgestellt wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Leitungselements, wie oben beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Konzentrisches Anordnen eines ersten hohlzylindrischen Rohrs in einem zweiten hohlzylindrischen Rohr mit zumindest geringfügig größerem Durchmesser als das erste hohlzylindrische Rohr; Füllen eines zwischen dem ersten hohlzylindrischen Rohr und dem zweiten hohlzylindrischen Rohr gebildeten Spalts mit einem im wesentlichen inkompressiblen Füllstoff, welcher vorzugsweise bei Raumtemperatur fest ist und höchst vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt und/oder Verdampfungspunkt aufweist; optional Verfestigen des Füllstoffs; und gleichzeitiges Umformen des ersten hohlzylindrischen Rohrs und des zweiten hohlzylindrischen Rohrs in einen Balg mit einem doppelwandigen Balgabschnitt mit einer inneren Wand und einer äußeren Wand mit jeweils einer Vielzahl von Wellen, wobei die Wellen der äußeren Wand jeweils synchron zu den Wellen der inneren Wand gebildet werden und wobei höchst vorzugsweise die Wellen der inneren Wand sich zumindest teilweise in die Wellen der äußeren Wand hinein erstrecken. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass der doppelwandige Balgabschnitt so in einem gemeinsamen Umformprozess der inneren Wand und der äußeren Wand hergestellt werden kann, wodurch ein nachträgliches Zusammenstecken der beiden Wände oder Lagen nicht mehr erforderlich ist. Durch die gemeinsame Herstellung, bei welcher die zwei hohlzylindrischen Rohre bereits vor dem Umformen konzentrisch zueinander angeordnet sind, können extrem geringe Spaltbreiten zwischen den beiden Rohren bzw. Wänden oder Lagen realisiert werden, so dass ein sehr kompaktes Leitungselement mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst der Füllstoff zumindest einen der nachfolgenden Stoffe bzw. Gemische: Hartparaffin, Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch und Wasser-Harnstoff-Gemische, ohne dass die Aufzählung abschließend wäre. Diese Füllstoffe sind vorteilhaft, da sie einen niedrigen Schmelzpunkt bzw. Verdampfungspunkt aufweisen und somit leicht nach Herstellung des flexiblen Leitungselements wieder aus dem Spalt zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand entfernbar sind. Als Füllstoffe können weiterhin magneto- oder elektrorheologische Flüssigkeiten oder dergleichen zum Einsatz kommen, um bestimmte Eigenschaften des Füllstoffs gezielt beeinflussen zu können.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren weiterhin den Schritt eines Anbindens von zumindest einem Anschlussteil an einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Endabschnitt des Balgs umfasst, insbesondere stoffschlüssig, z. B. mittels Schweißen. Dabei kann im Bereich des im Wesentlichen hohlzylindrischen Endabschnitts der Füllstoff aus dem Spalt entfernt werden, insbesondere durch Aufschmelzen. Der restliche Füllstoff zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand des Balgabschnitts verbleibt dabei in dem Spalt zwischen den beiden Wänden, so dass weiterhin die regelmäßig erwünschte Zentrierung der Balglagen zueinander erhalten bleibt, damit diese sich insbesondere nicht berühren oder relativ zueinander verschieben.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die innere Wand und die äußere Wand über das Anschlussteil relativ zueinander dauerhaft fixiert.
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Nach dem Schritt des relativen Fixierens der inneren Wand und der äußeren Wand mittels des Anschlussteils umfasst das Verfahren vorzugsweise weiterhin den Schritt eines Entfernens, insbesondere eines Aufschmelzens, des in dem Spalt des Balgabschnitts des doppelwandigen Balgs noch vorhandenen Füllmittels, vorzugsweise über zumindest eine in dem Anschlussteil vorgesehene Durchgangsbohrung zum Ablassen des Füllstoffs aus dem Spalt. Weiterhin wird durch die zumindest eine Durchgangsbohrung auch ein Evakuieren des Spalts oder ein Befüllen mit einem inerten Gas oder einem anderen Stoff ermöglicht.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt eines Evakuierens des Spalts. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren weiterhin den Schritt eines Befüllens des Spalts mit einem inerten Gas oder einem anderen Stoff umfassen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt eines einseitigen Verschließens des ersten hohlzylindrischen Rohrs und des zweiten hohlzylindrischen Rohr vor dem Schritt des Umformens, damit der in den Spalt zwischen den beiden Rohren eingefüllte Füllstoff dort verbleibt und zumindest einseitig nicht austreten kann. Es kann jedoch auch vorgesehen, einen Füllstoff zu verwenden, der Schub- oder Scherbelastungen beim Umformen in einer Weise aushält, dass er nicht aus dem Spalt austritt. Dann kann auf das einseitige Verschließen verzichtet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; hierbei zeigt:
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1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines flexiblen Leitungselements gemäß einer Ausführungsform;
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2 eine schematische Darstellung eines flexiblen Leitungselements vor dem Umformschritt; und
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3 eine teilweise geschnittene Ansicht des in 2 dargestellten flexiblen Leitungselements nach dem Umformschritt.
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1 zeigt eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines flexiblen Leitungselements 1 gemäß einer Ausführungsform. Das flexible Leitungselement 1 ist mit einem doppelwandigen Balgabschnitt 2 ausgebildet, welcher eine innere Wand oder Lage 3 und eine äußere Wand oder Lage 4 aufweist. Die innere Wand 3 weist eine Vielzahl von ersten Wellen 5 mit ersten Wellenbergen 6 und ersten Wellentälern 6' auf, und die äußere Wand 4 weist eine Vielzahl von zweiten Wellen 7 mit zweiten Wellenbergen 8 und zweiten Wellentälern 8' auf. Wie hier erkennbar ist, ist die innere Wand 3 hinsichtlich der Wellentäler 6 und Wellenberge 6' synchron bzw. parallel zu der äußeren Wand 4 angeordnet, so dass ein Spalt 9 zwischen der inneren Wand 3 und der äußeren Wand 4 einen entsprechend gewellten Verlauf aufweist. Der Spalt 9 ist extrem schmal ausgebildet und weist eine Spaltbreite auf, welche maximal das 20-fache der Dicke der inneren Wand 3 oder äußeren Wand 4 ausmacht. Dabei ist die Spaltbreite deutlicher kleiner als die Differenz zwischen dem maximalen Innendurchmesser der äußeren Lage 4 und dem maximalen Außendurchmesser der inneren Lage 3. Eine minimal mögliche Spaltbreite kann jedoch auch lediglich das Doppelte der Dicke der äußeren Wand 4 oder der inneren Wand 3 betragen. Somit ist die Spaltbreite vorzugsweise abhängig von der Dicke der äußeren oder inneren Wand 4, 3. Die innere Wand 3 ist exemplarisch aus einem anderen metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem höherwertigen Werkstoff, hergestellt als die äußere Wand 4. Dies dient z. B. dem Korrosionsschutz des flexiblen Leitungselements 1, da die innere Wand 3 mit einem das Leitungselement 1 durchströmenden Mediums in Kontakt kommt. Weiterhin weist das flexible Leitungselement 1 an beiden Enden des Balgabschnitts 2 jeweils einen im Wesentlichen glattzylindrischen Endabschnitt 10, 10' auf, an welchen ein Anschlussteil, wie es in Zusammenhang mit 3 noch näher beschrieben wird, anbindbar ist, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere anschweißbar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines flexiblen Leitungselements 1 vor der Umformung zu dem Leitungselement gemäß 1. Wie hier erkennbar wird, ist ein erstes hohlzylindrisches Rohr 11 konzentrisch in einem zweiten hohlzylindrischen Rohr 12 angeordnet, welches zweite Rohr 12 einen geringfügig größeren Durchmesser als das erste hohlzylindrische Rohr 11 aufweist. Insbesondere ist hierbei der Innendurchmesser des äußeren zweiten hohlzylindrischen Rohrs 12 um den Betrag der Nominalbreite des zwischen den zwei Rohren 11, 12 gebildeten bzw. zu bildenden Spalts 9 (vgl. 1) größer als der Außendurchmesser des inneren hohlzylindrischen Rohrs 11. Die beiden Rohre 11, 12 werden, wie bereits erwähnt, konzentrisch in einem Halter 13 angeordnet, so dass die beiden Rohre 11, 12 dabei an ihren unteren Enden 14 einseitig geschlossen und relativ zueinander fixiert werden. Dann wird der zwischen den beiden hohlzylindrischen Rohren 11, 12 gebildete Spalt 9 mit einem Füllstoff F, wie beispielsweise Paraffin, befüllt. Dies ist in 2 bei Bezugszeichen B symbolisch dargestellt. Die Befüllung kann automatisch durchgeführt werden. Zum Befüllen sollte der Füllstoff F in einem flüssigen bzw. fließfähigen Zustand sein. Nach Beenden des Befüllschritts sollte der Füllstoff F dann jedoch schnell in einen festen Zustand übergehen. Dann erfolgt die Umformung zu dem Leitungselement gemäß 1 gleichzeitig für beide Rohre 11, 12 in an sich bekannter Weise, wobei sich eine Einwirkung auf das Außenrohr 12 aufgrund der im Wesentlichen inkompossiblen Auffüllung des Spalts 9 mit dem Füllstoff F auch auf das Innenrohr 11 auswirkt.
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3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des in 2 dargestellten flexiblen Leitungselements 1 nach dem Umformschritt, bei welchem die innere Wand 3 und die äußere Wand 4 des Balgabschnitts 2 synchron geformt werden, und wobei der verfestigte Füllstoff in dem dazwischen liegenden Spalt 9 die für den Umformschritt nötige Stabilität bietet und die Lagen relativ zueinander fixiert. Nach dem Umformschritt wird dann das so gebildete flexible Leitungselement 1 aus dem Halter 13 (siehe 2) herausgenommen, um an den unteren Enden 14, welche den sich an den Balgabschnitt 2 anschließenden glattzylindrischen Endabschnitt 10 bilden, ein Anschlussteil 15 anzuschweißen, wobei im Bereich des Endabschnitts 10 der Füllstoff in dem Spalt 9 aufgeschmolzen und daraus entfernt wird. Jedoch bleibt der Füllstoff im gewellten Balgabschnitt 2 noch erhalten. Das Anschlussteil 15 wird über die Schweißungen 16, 16' (innen und außen) so an der inneren Wand 3 und der äußeren Wand 4 befestigt, dass diese relativ zueinander mit dem dazwischen liegenden Spalt 9 fixiert sind. Das Anschlussteil 15 weist zumindest eine Bohrung 17 (Durchgangsbohrung) auf, über welche nach dem Anbinden des Anschlussteils 15 an den Endabschnitt 10 der Füllstoff aus dem Spalt 9 im Bereich des Balgabschnitts 2 abgelassen werden kann. Um den Füllstoff in dem Spalt 9 wieder in einen flüssigen oder gasförmigen Zustand zum Ablassen zu versetzen, kann dieser in einem weiteren Schritt erwärmt werden. Nach dem Ablassen des Füllstoffs kann dann der Spalt 9 entweder evakuiert werden, oder er kann mit einem inerten Gas oder einem anderen geeigneten Stoff befüllt werden. Dies dient insbesondere der Isolierung des flexiblen Leitungselements 1. Zuletzt werden alle Zugänge zu dem Spalt 9, wie beispielsweise die Durchgangsbohrung 17, verschlossen, und das flexible Leitungselement 1 kann beispielsweise an ein Überwachungssystem angeschlossen werden.
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Alternativ kann die Bohrung 17 zum Überwachen, Kühlen, Heizen oder anderweitigen Beeinflussen des Spaltraums genutzt werden. Die Erfindung ist jedoch zu diesen Zwecken nicht auf die Bohrung 17 beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- flexibles Leitungselement
- 2
- Balgabschnitt
- 3
- innere Wand
- 4
- äußere Wand
- 5
- erste Wellen
- 6, 6'
- erste Wellenberge und Wellentäler
- 7
- zweite Wellen
- 8, 8'
- zweite Wellenberge und Wellentäler
- 9
- Spalt
- 10, 10'
- zylindrische Endabschnitte
- 11
- erstes hohlzylindrisches Rohr
- 12
- zweites hohlzylindrisches Rohr
- 13
- Halter
- 14
- untere Enden
- 15
- Anschlussteil
- 16, 16'
- Schweißungen
- 17
- Durchgangsbohrung
- B
- Befüllung
- F
- Füllstoff
