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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles Leitungselement aus Metall, das mindestens einen ringgewellten oder schraubengangförmig gewellten Leitungsabschnitt enthält.
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Solche flexiblen Leitungselemente werden in Leitungssystemen eingesetzt, um unvermeidbare Zwangsbewegungen wie Wärmedehnungen auszugleichen, mechanische und akustische Leitungsschwingungen zu dämpfen, Druckstöße im Leitungssystem zu absorbieren und dergleichen mehr. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, der stationär oder in Kraftfahrzeugen verbaut ist. Das flexible Leitungselement ist hierbei als Metallbalg ausgeführt oder enthält einen solchen. Dieser Metallbalg dient dazu, Bewegungen der mit dem Verbrennungsmotor fest verbundenen Abgasleitungen von dem in der Regel fest mit dem Fahrzeug oder dem Aufstellungsort von stationären Verbrennungsmotoren verbundenen weiteren Teilen der Abgasanlage fernzuhalten.
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Ein Metallbalg ist in der Lage, axiale, laterale und angulare Bewegungen aufzunehmen, die durch temperaturbedinge Längenänderungen, Lastwechselbewegungen des Verbrennungsmotors, sowie bei Fahrzeugen, Erschütterungen im Fahrbetrieb und dergleichen erzeugt werden. Des Weiteren werden Schwingungen unterschiedlichster Frequenzen, die im Verbrennungsmotor durch sich bewegende Teile und durch pulsierende Gasströme entstehen, vom Metallbalg aufgenommen und, soweit dessen Eigenschwingungen ausreichend bedämpft sind, nicht an die weiterführenden Teile der Abgasanlage weitergeleitet. Dies verhindert, dass die Schwingungen des Verbrennungsmotors von der Abgasanlage als Körperschall abgestrahlt werden oder an eine Fahrzeugkarosserie weitergeleitet werden, was unerwünschte Brummgeräusche im Inneren des Fahrzeugs verursachen würde.
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Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors beschränkt, sondern umfasst metallische flexible Leitungselemente jeder Art.
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Metallbälge sind fluiddicht sowie diffusionsdicht. Sie können ein- oder mehrwandig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Wandlagen bei mehrwandiger Ausbildung beispielsweise im Hinblick auf Korrosionsbelastungen aus unterschiedlichen Materialien bestehen können.
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Bei Leitungssystemen, die warme oder kalte Medien transportieren, ist es oft unerlässlich, das Leitungssystem thermisch gegen die Umgebung zu isolieren. Die starren Rohrteile eines solchen Leitungssystems können ohne Schwierigkeiten mit Isoliermaterial versehen werden. Schwierigkeiten gibt es jedoch, wenn ein flexibles Leitungselement der vorliegenden Art thermisch isoliert werden soll. Denn das übliche Ummanteln des Leitungselements mit Isoliermaterial würde im Fall eines flexiblen Leitungselements dessen Beweglichkeit beeinträchtigen und/oder Verschleißprobleme durch ständigen reibenden Kontakt zwischen dem Isoliermaterial und der äußeren Oberfläche des flexiblen Leitungselements verursachen.
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Im Stand der Technik sind daher Ansätze bekannt, ein Leitungssystem mit einem flexiblen Leitungselement solcherart mit Isoliermaterial zu versehen, dass das flexible Leitungselement zunächst von der Isolierung ausgespart und dann eine zweite Schicht von Isoliermaterial darübergelegt wird, das zumindest einseitig im Schiebesitz auf der ersten Schicht des Isoliermaterials aufliegt, wobei zwischen der äußeren Oberfläche des flexiblen Leitungselements und dem Isoliermaterial ein Luftspalt bleibt. Aufgrund des Luftspalts und des Schiebesitzes wird die Beweglichkeit des flexiblen Leitungselements dann nicht nennenswert beeinträchtigt.
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Nachteilig ist bei diesem im Stand der Technik bekannten Ansatz allerdings der fertigungstechnische Aufwand und insbesondere der benötigte zusätzliche Bauraum. Auch dann, wenn das flexible Leitungselement nicht geradlinig in das Leitungssystem eingebaut ist, stößt die bekannte „Schiebesitz-Lösung” an ihre Grenzen.
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Im Zuge der Schadstoffminimierung beim Betrieb von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren wird mehr und mehr verlangt, die motornahen Teile der Abgasanlage des Verbrennungsmotors thermisch zu isolieren, um ein Abkühlen des Abgasstroms an den Wandungen der Abgasleitungen zu verhindern bzw. abzuschwächen.
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Flexible Leitungselemente der vorliegenden Art, die in der Abgasanlage von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, werden in der Regel motornah zwischen Abgaskrümmer und Katalysator eingebaut. Je nach den örtlichen Gegebenheiten des Einbauorts ist der Querschnitt des Metallbalgs entweder im Wesentlichen zylindrisch, oder aber stadionförmig oder oval abgeflacht ausgebildet. In jedem Fall ist der Bauraum bei motornaher Anbringung des flexiblen Leitungselements begrenzt.
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Flexible Leitungselemente für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors umfassen oft nicht nur einen Metallbalg, sondern auch einen koaxial innerhalb dessen angeordneten Wickelschlauch, der zur Dämpfung des flexiblen Leitungselements beiträgt und insbesondere den Gasstrom führt. Aufgrund des zwischen dem Wickelschlauch und dem Metallbalg verbleibenden Zwischenraums ist eine thermische Isolierung zwischen dem Gasstrom und dem Metallbalg bereits gegeben, so dass sich weitere Isolierungsmaßnahmen in der Regel erübrigen. Mitunter werden jedoch Metallbälge ohne innenliegende Wickelschläuche in die Abgasleitung eingebaut. Diese wirken dann aufgrund ihrer Wellungen wie ein aktives Kühlelement mit Kühlrippen, was eine thermische Isolierung umso mehr erforderlich macht. Die bislang hierfür zur Verfügung stehenden Lösungen sind allerdings insbesondere bei einem Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, jedoch auch in anderen Anwendungsgebieten unzureichend.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Leitungselement der eingangs genannten Art mit einer thermischen Isolierung zu versehen, die wenig oder keinen zusätzlichen Bauraum benötigt und die Beweglichkeit des flexiblen Leitungselements nicht wesentlich beeinträchtigt.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein flexibles Leitungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitungselements sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 niedergelegt.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass zumindest ein Großteil der äußeren Oberfläche des gewellten Leitungsabschnitts mit einer thermisch isolierenden Beschichtung versehen wird, also einer fest auf der Oberfläche des Leitungselements haftenden, isolierenden Schicht. Dies steht im Gegensatz zur in der Fachwelt vertretenen Besorgnis, dass eine thermisch isolierende Beschichtung eines flexiblen Leitungselements wegen dessen Beweglichkeit in angularer, lateraler und axialer Richtung nicht langzeitstabil möglich sei.
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Erfindungsgemäß ist jedoch erkannt worden, dass das Aufbringen einer thermisch isolierenden Beschichtung langzeitstabil möglich ist und die Beweglichkeit des flexiblen Leitungselements nicht nachteilig beeinflusst, und zwar insbesondere dann, wenn die thermisch isolierende Beschichtung relativ geringe Schichtdicken aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es hierbei bevorzugt, eine Schichtdicke von weniger als einem Millimeter und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 Millimetern bis etwa 0,8 Millimetern vorzusehen.
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Hierbei ist unter anderem erkannt worden, dass die erfindungsgemäße thermisch isolierende Beschichtung bereits dadurch einen thermisch isolierenden Effekt hat, dass sie die Wärmeabstrahlung reduziert. Insofern kann die Wärmeleitung durch die Beschichtung sogar zweitranging sein, so dass eine Vielzahl von Materialien, insbesondere mechanisch widerstandsfähigen und hitzebeständigen Materialien in Frage kommt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, eine keramische Beschichtung und/oder eine Beschichtung aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff als thermisch isolierende Beschichtung zu verwenden, wobei insbesondere Zirkonoxid und/oder Siliziumcarbid zum Einsatz kommen.
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Keramische Faserverbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix aus normaler Keramik, die durch keramische Fasern verstärkt wird, wobei in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoff zu den keramischen Werkstoffen zählt. Dementsprechend können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als keramische Faserverbundwerkstoffe beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff, kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid, siliziumcarbidfaserverstärktes Siliziumcarbid oder aluminiumfaserverstärktes Aluminiumoxid eingesetzt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die thermisch isolierende Beschichtung mittels Plasmabeschichtung, insbesondere mittels Plasmaspritzen aufgebracht worden ist, also durch Überziehen der zu beschichtenden Oberfläche des gewellten Leitungsabschnitts mit dünnen Schichten, insbesondere Keramik- oder keramische Faserverbundwerkstoffschichten, welche durch die Einwirkung einer elektrischen Spannung aus einem Plasma extrahiert werden. Das Plasmaspritzen hat hierbei den Vorteil, dass es nicht nur unter Vakuum, sondern bei normaler Atmosphäre durchgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße thermisch isolierende Beschichtung kann aus mehreren Schichten desselben Materials oder aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien zusammengesetzt sein.
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Wie bereits erwähnt, liegt das bevorzugte Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung bei ringgewellten oder schraubengangförmig gewellten Metallbälgen zum Einbau in die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Dort fällt der Vorteil, dass die erfindungsgemäße Beschichtung kaum zusätzlichen Bauraum beansprucht, besonders ins Gewicht, und die bevorzugt verwendeten keramischen Werkstoffe oder keramischen Faserverbundwerkstoffe für die Beschichtung bieten hier besondere Vorteile, da sie problemlos bis über 300°C hitzebeständig sind. Gleichzeitig bietet die Erfindung hier deswegen besondere Vorteile, weil es im Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlung, beispielsweise mittels eines SCR-Katalysators, immer wichtiger wird, das durch den Metallbalg strömende Abgas an den Balgwandungen möglichst wenig zu kühlen.
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Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgestaltetes flexibles Leitungselement wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Die einzige Zeichnung 1 zeigt eine schematische, teilgeschnittene seitliche Darstellung eines flexiblen Leitungselements nebst einer Detailvergrößerung X. Dieses flexible Leitungselement umfasst einen ringgewellten Leitungsabschnitt 1, der an seinen beiden Enden mit jeweils einem zylindrischen Bord 2 zum Anschließen an weiterführende Teile eines Leitungssystems versehen ist.
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Der ringgewellte Leitungsabschnitt 1 ist ein ringgewellter Metallbalg 3 aus Edelstahl, der zum Einsatz für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
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Um insbesondere die Wärmeabstrahlung von den einzelnen Wellungen des Metallbalgs 3, jedoch auch die Wärmeübertragung vom Metallbalg 3 in die umgebende Luft mittels Wärmeleitung und Wärmekonvektion zu verringern, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die vollständige äußere Oberfläche des Metallbalgs 3 mit einer thermisch isolierenden Beschichtung 4 versehen, die vorliegend mittels Plasmaspritzen aufgebracht worden ist und aus einem keramischen Werkstoff wie Siliziumcarbid besteht. Die Beschichtung weist eine Schichtdicke auf, die etwas geringer ist, als die Wandstärke des Metallbalgs 3, so dass dessen Beweglichkeit nicht wesentlich beeinflusst wird.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Metallbalg 3 muss nur eine vergleichsweise geringe Beweglichkeit aufweisen, so dass seine Wellen nicht sehr hoch ausgebildet und dementsprechend stabil sind. Wenn ein Metallbalg mit höherer Beweglichkeit verwendet wird, ist es vorteilhaft, die Beschichtung 3 aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff zu fertigen, da dieser stabiler gegenüber den typischen Biegebewegungen ist, die bei einem gewellten Leitungsabschnitt im Betrieb auftreten.
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Die thermisch isolierende Beschichtung kann im Übrigen problemlos und ohne spezielle Vorkehrungen auf dem fertigen gewellten Leitungsabschnitt aufgebracht werden, da es für den vorliegenden Anwendungsfall nicht stört, wenn die Beschichtung 4 etwa nicht mit gleichmäßiger Schichtdicke über die Krempen und Täler der Wellen des gewellten Leitungsabschnitts 1 hinweg aufgebracht wird.
