DE102013111737A1

DE102013111737A1 - Verstärktes Leitungselement und Verwendung eines solchen

Info

Publication number: DE102013111737A1
Application number: DE201310111737
Authority: DE
Inventors: Artur Gross
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: DE102013111737B4

Abstract

Vorgeschlagen wird ein flexibles Leitungselement (1), welches zumindest in einem Teilabschnitt (3) gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt (3) entsprechende Wellen aufweist, wobei zumindest einige der Wellen (5) durch entsprechende Verstärkungselemente (6) von innen verstärkt ausgebildet sind, welches Leitungselement (1) sich dadurch auszeichnet, dass eine Anzahl der Verstärkungselemente als Spiralringfeder (6) ausgebildet ist, die einen von Null verschiedenen Abstand zwischen ihren Windungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches zumindest in einem Teilabschnitt gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt entsprechende Wellen aufweist, wobei zumindest einige der Wellen durch entsprechende Verstärkungselemente von innen verstärkt ausgebildet sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Spiralringfeder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements, welches zumindest in einem Teilabschnitt gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt entsprechende Wellen aufweist, wobei die Spiralfeder dazu bestimmt ist, von innen in eine Welle des Leitungselements eingesetzt zu werden, um das Leitungselement zu verstärken.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Spiralringfeder zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements sowie ein Hochdruckventil mit einem Ventilbalg.
Es besteht Bedarf an flexiblen Leitungselementen, die als Wellschläuche oder Bälge ausgebildet sein können, die gegen einen erhöhten Außendruck abgestützt sind.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Balgwellen mit Standard-Wurmfedern von innen zu verstärken. Wurmfedern sind Zugfedern mit vorzugsweise kreisrundem Querschnitt, die an den Enden verbunden einen Ring ergeben. Sie werden typischerweise für Wellendichtringe verwendet und in diesem Zusammenhang auch als Schlauchfedern bezeichnet. Außerdem werden Wurmfedern bei kleineren Elektromotoren zu Antriebszwecken eingesetzt. Des Weiteren können sie zum Spannen von Spannbacken verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der Verstärkung von Balgwellen oder allgemein von Wellen flexibler Leitungselemente hat sich allerdings als nachteilig herausgestellt, dass sich Standard-Wurmfedern nicht an die (Balg-)Wellengeometrie anpassen und keine formschlüssige Verstärkung der (Balg-)Welle bieten können, so dass die angestrebte Abstützwirkung gar nicht oder nur unzureichend erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Leitungselement anzugeben, welches eine erhöhte Druckfestigkeit gegenüber Außendruck aufweist.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Spiralringfeder anzugeben, mit welcher sich die angestrebte Verstärkung des flexiblen Leitungselments erreichen lässt.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, besonders vorteilhafte Verwendungen einer solchen Spiralringfeder bzw. eines solchen flexiblen Leitungselements anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines flexiblen Leitungselements mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mittels einer Spiralringfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 10, mittels einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und mittels eines Hochdruckventils mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, welche den grundlegenden Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbilden.
Erfindungsgemäß ist ein flexibles Leitungselement, welches zumindest in einem Teilabschnitt gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt entsprechende Wellen aufweist, wobei zumindest einige der Wellen durch entsprechende Verstärkungselemente von innen verstärkt ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Verstärkungselemente, vorzugsweise alle Verstärkungselemente, als Spiralringfeder ausgebildet ist bzw. sind, welche Spiralringfeder einen von Null verschiedenen Abstand zwischen ihren Windungen aufweist.
Hierdurch unterscheidet sich die eingesetzte Spiralringfeder von den weiter oben angesprochenen Standard-Wurmfedern, bei denen die Windungen regelmäßig ohne Abstand aufeinander liegen, so dass sich die Standard-Wurmfeder nicht komprimieren lassen. Dadurch können sich solche Federn nicht an die Wellengeometrie anpassen und bieten keine formschlüssige bzw. ausreichende Verstärkung der Welle.
Erfindungsgemäß kommt dagegen eine Sonderfeder zum Einsatz, die mit von Null verschiedenen Abständen zwischen den Windungen konstruiert wurde, so dass ein Außendurchmesser der Feder größer gewählt werden kann als ein dafür vorgesehener Raum innerhalb des flexiblen Leitungselements. Bei der Montage expandiert die Feder, tritt mit radialer Spannung mit der Welle in Anlage und passt sich dadurch optimal an die Wellengeometrie an. Die Wellen- und Federtoleranzen werden auf diese Weise ausgeglichen. Im Betrieb unter Außendruck umschließen die Lagen des flexiblen Leitungselements die Feder und bilden somit eine druckbeständige Geometrie, die Außendrücken bis zu 900 bar widerstehen kann, wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spiralringfeder zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements, welches Leitungselement zumindest in einem Teilabschnitt gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt entsprechende Wellen aufweist, welche Spiralringfeder dazu bestimmt ist, von innen in eine Welle des Leitungselements eingesetzt zu werden, um das Leitungselement zu verstärken, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralringfeder einen von Null verschiedenen Abstand zwischen ihren Windungen aufweist, wobei sich die weiter oben angesprochenen Vorteil ergeben.
Ein wieder anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Spiralringfeder zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements, welches Leitungselement zumindest in einem Teilabschnitt gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt entsprechende Wellen aufweist, wobei die Spiralringfeder von innen in eine Welle des Leitungselements eingesetzt wird, um das Leitungselement zu verstärken, welche Spiralringfeder einen von Null verschiedenen Abstand zwischen ihren Windungen aufweist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung eignet sich dies zur Herstellung eines Hochdruckventils mit einem Ventilbalg, welcher Ventilbalg als ein flexibles Leitungselement ausgebildet ist. Ein derartiger Gegenstand eignet sich beispielsweise zur Verwendung in Wasserstoffaufbereitungsanlagen, die einen Betriebsdruck von bis zu 700 bar aufweisen können.
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass gemäß Untersuchungen der Anmelderin identische Leitungselemente bzw. Bälge ohne Verstärkung bei Betriebsdrücken ab ca. 400 bar ausfallgefährdet sind und nicht oberhalb dieses Wertes verwendet werden sollten.
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass ein Abstand zwischen den Windungen der Spiralringfeder etwa 0,1 mm bis etwa 20 mm beträgt. Auf diese Weise lassen sich – je nach Geometrie des flexiblen Leitungselements – die besten Ergebnisse hinsichtlich der erreichbaren Druckfestigkeit erreichen.
Der Außendurchmesser der Spiralfeder D kann vorteilhafter Weise so gewählt werden, dass die Spiralfeder im montierten Zustand sich an den Innendurchmesser der Balgwelle Dwi anlegt und vorzugsweise eine Restspannung in radiale Richtung aufweist. Im Versuch hat sich ein 2% bis 15% größerer Spiralfeder-Außendurchmesser D im Vergleich zu der Balgwelle-Innendurchmesser Dwi bewährt.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass ein Durchmesser des zur Herstellung der Spiralfeder verwendeten Drahtes zwischen etwa 0,01 mm bis etwa 10 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,15 mm und etwa 1,0 mm, höchst vorzugsweise etwa 0,3 mm, beträgt.
Eine wieder andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass der zur Herstellung der Spiralringfeder verwendete Draht ein profilierter Draht ist. Auf diese Weise lässt sich eine Anlagefläche zwischen Spiralringfeder und eine Innenfläche des flexiblen Leitungselements gezielt beeinflussen, was sich wiederum auf die erreichbare Druckfestigkeit auswirkt. Vorteilhafter Weise weist der umwickelte Draht eine Profilierung auf, welche die Kontaktfläche mit dem Inneren der Balgwellen gegenüber einer runden Profilierung vergrößert. Insbesondere kann sich eine eckige Profilierung als vorteilhaft erweisen.
Eine bevorzugte andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass ein Durchmesser der Windungen der Spiralringfeder zwischen etwa 1 mm bis etwa 100 mm, vorzugsweise zwischen etwa 2 mm und etwa 10 mm, höchst vorzugsweise etwa 5 mm, beträgt. Auch hierdurch lässt sich eine weitere Optimierung der erreichbaren Druckfestigkeit erzielen.
Noch eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements sieht vor, dass ein Außendurchmesser der Spiralringfeder zwischen etwa 5 mm bis etwa 500 mm, vorzugsweise zwischen etwa 15 mm und etwa 100 mm, höchst vorzugsweise etwa 50 mm, beträgt. Auch dies trägt zu einer weiteren Optimierung der Druckfestigkeit bei.
Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leitungselements kann vorgesehen sein, dass eine Form der Spiralringfeder, vorzugsweise deren Außenkontur, an eine Form der Welle, vorzugsweise deren Innenkontur, angepasst ist. Auf diese Weise ist eine möglichst großflächige und gute Anlage des Leitungselements an der Spiralringfeder erreichbar, was sich positiv auf die Druckfestigkeit auswirkt.
Das erfindungsgemäße Leitungselement kann als metallisches Leitungselement ausgebildet sein. Bevorzugte Ausgestaltungen des Leitungselements umfassen einen Wellschlauch, vorzugsweise Ringwellschlauch, oder einen Balg.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spiralringfeder sieht vor, dass diese weiteren Merkmale aufweist, die sich aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Leitungselements und dessen Weiterbildungen ergeben.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Verwendung einer Spiralringfeder kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Spiralringfeder als eine erfindungsgemäße Spiralringfeder bzw. deren Weiterbildungen ausgestaltet ist.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung sieht vor, dass ein Außendurchmesser der Spiralringfeder vor deren Einsetzen in das flexible Leitungselement größer ist als ein Innendurchmesser der betreffenden Welle des Leitungselements, worauf bereits hingewiesen wurde. Die Spiralringfeder wird also vor Einsetzen entsprechend zusammengedrückt und dehnt sich anschließend wieder aus, so dass sie über ihren gesamten Umfang von innen mit dem flexiblen Leitungselement im Bereich einer zu verstärkenden Welle in Anlage tritt.
Vorteilhafterweise eignet sich die beschriebene Verwendung einer Spiralringfeder zur Herstellung eines druckverstärkten Ventilbalgs für ein Hochdruckventil. Ein solches Hochdruckventil mit einem Ventilbalg stellt entsprechend ein bevorzugtes Verwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Leitungselement bzw. für eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Spiralringfeder dar.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes flexibles Leitungselement in Form eines Balgs, welches in erfindungsgemäßer Art und Weise mit Spiralringfedern verstärkt ist;
2 zeigt einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Spiralringfeder zwecks Erläuterung spezieller Abmessungen derselben; und
3 zeigt schematisch eine vollständige erfindungsgemäße Spiralringfeder zur Verdeutlichung weiterer geometrischer Zusammenhänge.
In 1 ist im Längsschnitt ein erfindungsgemäßes flexibles Leitungselement dargestellt, welches in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Es umfasst einen nach Art eines Metallbalgs 2 ausgebildeten, gewellten Mittelabschnitt 3, an den sich beiderseits endständig glattzylindrische Anschlussbereiche 4 anschließen. In dem Mittelbereich 3 weist der Metallbalg 2 eine Anzahl von Wellungen 5 auf, von denen nur eine explizit bezeichnet ist. Jede dieser Wellungen 5 ist innen mit einer Spiralringfeder 6 verstärkt, die speziell einen kreisrunden Querschnitt aufweist und sich an eine Innenkontur der Wellung 5 von innen anschmiegt.
Bezugszeichen L bezeichnet die Längsachse der beschriebenen Anordnung. Bezugszeichen D_i bezeichnet einen Innendurchmesser des Metallbalgs 2, während Bezugszeichen D_a einen Außendurchmesser des Metallbalgs 2 bezeichnet. Des Weiteren bezeichnet d_i einen Innendurchmesser der Anschlussteile 4, während d_a einen Außendurchmesser der Anschlussteile 4 bezeichnet. Der genannte Innendurchmesser d_i der Anschlussteile 4 entspricht in etwa dem Innendurchmesser D_i des Metallbalgs 2 bzw. ist geringfügig kleiner gewählt.
Wie die Ausschnittsvergrößerung X der Spiralringfeder 6 in 2 zeigt, ist die Spiralringfeder 6 nicht als Standard-Wurmfeder mit aufeinanderliegenden Windungen 6a ausgebildet, sondern die Windungen 6a besitzen zueinander einen von Null verschiedenen Abstand A, welcher Abstand A vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 20 mm beträgt. Auf diese Weise lässt sich die Spiralringfeder 6 beim bzw. vor dem Einsetzen in das flexible Leitungselement 1 bzw. den Metallbalg 2 zusammendrücken und dehnt sich anschließend in radialer Richtung wieder aus, so dass sie mit einer Spannung in radialer Richtung von innen in dem erwähnten Mittelabschnitt 3 des Metallbalgs 2 im Bereich der Wellen 5 mit dem Metallbalg 2 in Anlage tritt und diese Lage auch im Betrieb sicher beibehält.
Der in 2 gezeigte Durchmesser B des zur Herstellung der Spiralringfeder 6 verwendeten Drahtes beträgt zwischen etwa 0,01 mm bis etwa 10 mm, je nach entsprechender Ausgestaltung der Balgwelle 5.
Des Weiteren beträgt der in 2 gezeigte Durchmesser C der einzelnen Windungen 6a der Spiralringfeder 6 zwischen etwa 1 mm bis etwa 100 mm, ebenfalls je nach Ausgestaltung des zu verstärkenden Leitungselements 1 bzw. Metallbalgs 2.
In 3 ist anhand der in 2 beschriebene Ausschnitt der Spiralringfeder 6 mit dem Bezugszeichen X bezeichnet. Weiterhin zeigt 3 noch einen Außendurchmesser D der Spiralringfeder 6, welcher Außendurchmesser D zwischen etwa 5 mm bis etwa 5000 mm betragen kann, je nach Abmessung des zu verstärkenden Metallbalgs 2 im Bereich der Balgwellen 5.
Wie insbesondere auch der 1 zu entnehmen ist, kann eine Form der Spiralringfeder 6 bzw. deren Außenkontur, d. h. der Querschnitt der einzelnen Windungen 6a an eine Form der Welle 5, vorzugsweise deren Innenkontur, angepasst sein.
Eine bevorzugte Verwendung für ein derart verstärktes Leitungselement 1 bzw. eine derartige Spiralringfeder 6 findet sich bei der Herstellung von Hochdruckventilen mit einem Ventilbalg, der als entsprechend verstärktes flexibles Leitungselement 1 ausgebildet sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Leitungselement
2: Metallbalg
3: Mittelabschnitt
4: Anschlussteil
5: Welle
6: Spiralringfeder
6a: Windung
A: Abstand
B: Durchmesser Draht
C: Durchmesser Windung
D: Außendurchmesser Spiralfeder
D_i: Innendurchmesser Balg
D_a: Außendurchmesser Balg
d_i: Innendurchmesser Anschlussteil
d_a: Außendurchmesser Anschlussteil
L: Längsachse
Dwi: Durchmesser Welle innen

Claims

Flexibles Leitungselement (1), welches zumindest in einem Teilabschnitt (3) gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt (3) entsprechende Wellen (5) aufweist, wobei zumindest einige der Wellen (5) durch entsprechende Verstärkungselemente (6) von innen verstärkt ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Verstärkungselemente als Spiralringfeder (6) ausgebildet ist, die einen von Null verschiedenen Abstand (A) zwischen ihren Windungen (6a) aufweist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) zwischen den Windungen (6a) der Spiralringfeder (6) zwischen etwa 0,1 mm bis etwa 20 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (B) des zur Herstellung der Spiralringfeder (6) verwendeten Drahtes zwischen etwa 0,01 mm bis etwa 10 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,15 mm und etwa 1,0 mm, höchst vorzugsweise etwa 0,3 mm, beträgt.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Herstellung der Spiralringfeder (6) verwendete Draht ein profilierter Draht ist.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (C) der Windungen (6a) zwischen etwa 1 mm bis etwa 100 mm, vorzugsweise zwischen etwa 2 mm und etwa 10 mm, höchst vorzugsweise etwa 5 mm, beträgt.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser (D) der Spiralringfeder (6) zwischen etwa 5 mm bis etwa 5000 mm, vorzugsweise zwischen etwa 15 mm und etwa 100 mm, höchst vorzugsweise etwa 50 mm, beträgt.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form der Spiralringfeder (6), vorzugsweise deren Außenkontur, an eine Form der Welle (5), vorzugsweise deren Innenkontur, angepasst ist.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches zumindest abschnittweise als metallisches Leitungselement (1) ausgebildet ist.
Leitungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches zumindest abschnittweise als Wellschlauch, vorzugsweise Ringwellschlauch, oder als Balg (2) ausgebildet ist.
Spiralringfeder (6) zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements (1), welches Leitungselement (1) zumindest in einem Teilabschnitt (3) gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt (3) entsprechende Wellen (5) aufweist, wobei die Spiralringfeder (6) dazu bestimmt ist, von innen in eine Welle (5) des Leitungselements (1) eingesetzt zu werden, um das Leitungselement (1) zu verstärken, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralringfeder (6) einen von Null verschiedenen Abstand (A) zwischen ihren Windungen (6a) aufweist.
Spiralringfeder (6) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die weiteren eine Spiralringfeder (6) betreffenden Merkmale nach einem der Ansprüche 2 bis 7.
Verwendung einer Spiralringfeder (6) zur Verstärkung eines flexiblen Leitungselements (1), welches Leitungselement zumindest in einem Teilabschnitt (3) gewellt ausgebildet ist und in diesem Teilabschnitt (3) entsprechende Wellen (5) aufweist, welche Spiralringfeder (6) von innen in eine Welle (5) des Leitungselements (1) eingesetzt wird, um das Leitungselement zu verstärken.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spiralringfeder (6) gemäß Anspruch 10 oder 11 eingesetzt wird.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser (D) der Spiralringfeder (6) vor dem Einsetzen größer ist als ein Innendurchmesser der Welle (5) des Leitungselements (1).
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 bei einem Ventilbalg (2) für ein Hochdruckventil.
Hochdruckventil mit einem Ventilbalg (2), welcher Ventilbalg (2) als flexibles Leitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.