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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum fluiddichten Verbinden von
zwei Rohrenden aus unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus Edelstahl
und Aluminium, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Demnach
umfasst eine Anordnung der vorliegenden Art ein erstes Rohrende
aus einem ersten Metall und ein zweites Rohrende aus einem zweiten Metall,
wobei die beiden Rohrenden zur Bildung eines Überlappungsbereichs
ineinandergesteckt sind. Zwischen den beiden Rohrenden ist im Überlappungsbereich
ganzflächig oder nur in einem Teilbereich eine Schicht
aus einem Adhäsivstoff angeordnet, wobei der Adhäsivstoff
die beiden Rohrenden aneinander festlegt und daneben noch eine abdichtende
Funktion übernimmt.
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Die
Anbindung von fluiddichten Metallschläuchen, die im Normalfall
als ringgewellter oder schraubengangförmig gewellter Edelstahlschlauch ausgebildet
sind, an Aggregate zum Zuleiten oder Ableiten von Flüssigkeiten
oder Gasen ist zumindest dann problematisch, wenn das Fluid unter
Druck, gegebenenfalls mit Druckpulsen, und mit stark variierenden
Temperaturen durchgeleitet wird. Denn das Aggregat ist normalerweise
aus Kostengründen nicht aus hochwertigem Edelstahl gefertigt,
so dass eine stoffschlüssige Anbindung des Schlauchs am
Aggregat bzw. an einem Anschlussstutzen derselben ausscheidet. Dementsprechend
befasst sich die vorliegende Erfindung mit dem Thema, zwei Rohrenden aus
unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdeh nungskoeffizienten,
insbesondere Edelstahl und Aluminium, fluiddicht aneinander festzulegen.
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Ein
typisches Anwendungsgebiet für eine Anordnung zum fluiddichten
Verbinden der vorliegenden Art liegt in der Anbindung von Schlauchleitungen an
den Kompressor oder sonstige Anlagenteile einer Fahrzeug-Klimaanlage,
wo ein Kältemittel nicht nur unter hohen Drücken
und mit Druckpulsen, sondern auch mit in einem weiten Bereich veränderlichen Temperaturen
durchgeleitet wird.
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Auf
dem eben genannten Anwendungsgebiet ist in der
WO 2007/007917 vorgeschlagen worden,
einen Edelstahl-Wellschlauch mit einem Edelstahl-Anschlussstück
stoffschlüssig zu verbinden, und dieses Edelstahl-Anschlussstück
in ein aufgeweitetes Aluminium-Rohr einzustecken, wobei im Überlappungsbereich
eine zwischen den beiden Rohrenden angeordnete Schicht aus einem
Epoxid-Harz als Adhäsivstoff eingebracht wird. Das Epoxid-Harz
stellt die Abdichtung der Verbindung sicher, da es den Ringspalt
elastisch ausfüllt, während die zwischen den beiden
Rohrenden wirkenden Kräfte, insbesondere Zugkräfte,
Torsionskräfte und Scherkräfte, von formschlüssigen
Verzahnungen zwischen dem Edelstahl-Anschlussteil, dem Aluminium-Rohr und
einer außen um das Aluminium-Rohr zusätzlich angeordneten
Edelstahl-Aufsteckhülse aufgenommen werden. Eine zusätzliche
elastische Hülle um den Wellschlauch sorgt für
die weitere Abdichtung des Übergangs Wellschlauch-Anschlussstück,
wobei eine weitere Presshülse notwendig ist, um die Abdichtung
zu gewährleisten. Aufgrund der Vielzahl der verwendeten
Bauteile, die einerseits zur Gewährleistung der mechanischen
Festigkeit der Verbindung und andererseits zum Sicherstellen der
Fluiddichtheit der gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen notwendig
ist, ist eine Anordnung nach diesem Stand der Technik allerdings
nicht für alle Anwendungen optimal.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zum fluiddichten und sicheren Verbinden von zwei Rohrenden aus unterschiedlichen
Metallen mit einer zwischen den beiden Rohrenden angeordneten Schicht
aus einem Adhäsivstoff zu vereinfachen.
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Gelöst
ist diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 niedergelegt.
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Nach
der vorliegenden Erfindung sind also die Rohrenden so ineinandergesteckt,
dass sie bei circa 20°C gegeneinander radial vorgespannt
sind. Dies kann beispielsweise durch ein Verpressen oder durch eine
Wärmebehandlung vor oder beim Ineinanderstecken erzielt
werden.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass es bei einer Klebeverbindung zwischen zwei
Metallrohren, deren Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen, einen Zielkonflikt gibt: Adhäsivstoffe sind
entweder hochfest verbindende Klebstoffe, mit denen die Verbindung
der beiden Rohrenden mechanisch sehr stabil wird. Diese Klebstoffe
sind nach ihrem Aushärten jedoch kaum elastisch, so dass
dann, wenn sich zwischen den beiden Rohrenden aufgrund einer unterschiedlichen
Wärmeausdehnung ein Spalt bildet, die Klebeverbindung geschwächt
oder gar zerstört wird, zumindest aber die abdichtende
Wirkung des Adhäsivstoffs beeinträchtigt wird.
Andererseits gibt es dauerelastische Adhäsivstoffe, wie
sie beispielsweise im eingangs genannten Stand der Technik eingesetzt werden,
welche den sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
der beiden Metalle verändernden Raum im Überlappungsbereich
zwischen den beiden Rohrenden in jedem Fall ausfüllen und
so die abdichtende Wirkung sowie die bestehende Klebeverbindung
gewährleisten. Die dauerelastischen Klebstoffe sind jedoch
zu weich, um eine brauchbare Festlegung der beiden Rohrenden gegen
Zug- und Torsionsbelastungen alleine sicher zu stellen. Dementsprechend
verwendet der eingangs genannte Stand der Technik eine Mehrzahl
von formschlüssig ineinandergreifenden Bauteilen, um die
als Abdichtung fungierende Schicht aus einem Adhäsivstoff
von Zug-, Torsinns- und Scherkräften zu entlasten.
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Dieser
Zielkonflikt wird erfindungsgemäß dadurch aufgelöst,
dass die Rohrenden so ineinandergesteckt werden, dass sie bei circa
20°C gegeneinander radial vorgespannt sind, und zwar entsprechend
dem bevorzugten Anwendungsbereich vorzugsweise derart, dass eine
Vorspannung über einen Temperaturbereich von mindestens
circa –10°C bis circa +110°C, insbesondere
von min destens circa –40°C bis mindestens circa
+180°C gehalten wird, so dass sich in diesen Temperaturbereichen
kein Spalt bzw. Ringraum im Überlappungsbereich der beiden Rohrenden
ergeben kann. Dementsprechend kann als Adhäsivstoff ein
hochfest verbindender Klebstoff verwendet werden, der beispielsweise
eine Zugscherfestigkeit auf Edelstahl von 20 N/mm2 und
mehr bietet. Diese hochfeste Verbindung durch den Adhäsivstoff
reicht aus, um die beiden beteiligten Rohrenden unter den im Einsatzbereich
auftretenden Kräften sicher aneinander festzulegen. Gleichzeitig
ist es kein Nachteil, dass der hochfest verbindende Klebstoff im
ausgehärteten Zustand kaum Elastizität aufweist,
denn diese wird nicht benötigt: Da sich auch bei wechselnden
Temperaturen des durchgeleiteten Fluids kein Spalt im Überlappungsbereich
zwischen den Rohrenden bildet, muss sich das Volumen des Adhäsivstoffs
nicht verändern, um die Klebeverbindung mechanisch halten
und die Flächendichtung gewährleisten zu können.
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Die
erfindungsgemäßen Wirkungen und Vorteile können
durch unterschiedliche Weiterbildungen noch verbessert werden:
Wenn
mindestens eines der beiden Rohrenden eine sich stirnseitig verjüngende
Wandstärke aufweist – bei einer Paarung aus Aluminium
und Edelstahl vorzugsweise das Edelstahl-Rohrende – wird
die Spitzenbelastung in demjenigen Bereich der Anordnung, in dem
das sich verjüngende Bauteil endet, bei einer abknickenden
Bewegung begrenzt, da die Stabilität des sich verjüngenden
Bauteils von seiner Stirnseite ausgehend vorteilhaft nur allmählich
anwächst.
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Mindestens
eines der beiden Rohrenden kann im Überlappungsbereich
Erhebungen aufweisen, die in die Oberfläche des anderen
Rohrendes eingreifen, beispielsweise durch Materialverdrängung
in diese eindringen. Hierdurch entstehen Elemente einer formschlüssigen
Verbindung, die sowohl als Auszugssicherung als auch als Verdrehsicherung wirken
können und die mechanische Beanspruchung der Klebverbindung
dementsprechend verringern. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die
Erhebungen um so höher ausgebildet sind, je weiter sie
von der Stirnseite des Rohrendes entfernt sind, so dass sich die durch
die Erhebungen auf das andere Rohrende übertragenen Zugkräfte über
die Länge des Überlappungsbereichs hinweg möglichst
gleichmäßig verteilen.
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Wenn
beide Rohrenden an Ihrer dem Überlappungsbereich zugewandten
Seite mit Erhebungen ausgestattet sind, können diese vorzugsweise
als Gewinde ausgebildet sein, so dass die beiden Gewinde ineinandergeschraubt
werden können und sich hierdurch eine Schraubverbindung
zwischen den beiden Rohrenden ergibt, selbstverständlich
erfindungsgemäß mit dem zwischenliegenden Adhäsivstoff,
der dann im Wesentlichen eine Verdrehsicherung und daneben eine
Dichtungswirkung ausbildet. Eine Schraubverbindung ermöglicht
im Übrigen auf einfache Art und Weise, eine zusätzliche
elastische Ringdichtung zwischen die beiden Rohrenden einzusetzen.
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Das
Einsetzen einer zusätzlichen elastischen Ringdichtung zwischen
die beiden Rohrenden im Überlappungsbereich oder an diesen
angrenzend kann auch unabhängig von einer Schraubverbindung im
Rahmen der Erfindung vorgesehen sein.
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Wenn
mindestens eines der beiden Rohrenden im Überlappungsbereich
gerändelt ist, ergibt sich naturgemäß eine
verbesserte Adhäsionswirkung des Adhäsivstoffs
am entsprechenden Bauteil.
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Um
einen Formschluss gegen eine Torsion der beiden Rohrenden gegeneinander
herzustellen, kann alternativ oder zusätzlich zu den oben
genannten Erhebungen auch ein von der Zylinderform abweichender
Querschnitt der beiden Rohrenden im Überlappungsbereich
gewählt werden – zumindest bereichsweise. Dies
kann ein Querschnitt in Form eines Polygons sein, jedoch auch ein
elliptischer oder anders abgeflachter Querschnitt.
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Besondere
Vorteile ergeben sich bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung,
bei der eines der beiden Rohrenden mit einer stirnseitigen Ringnut
versehen ist, in die das andere Rohrende eingesteckt ist. Die Einstecktiefe
definiert dann den erfindungsgemäßen Überlappungsbereich,
wobei der Adhäsivstoff zumindest einseitig, zwischen einer Ringnutwand
und dem eingesetzten Rohr eingebracht ist. Die erfindungsgemäße
Vorspannung zwischen den beiden ineinandergesetzten Rohrenden muss
dann nicht über den gesamten Temperaturbereich an ein und
derselben Nutwand der Ringnut wirken, sondern kann beispielsweise
in einem ersten Temperaturbereich radial nach innen und in einem zweiten
Temperaturbereich radial nach Außen wirken. Bei einer Temperatur
zwischen diesen beiden Temperaturbereichen ist naturgemäß dann
keine eindeutig gerichtete radiale Vorspannung vorhanden, was jedoch
gleichwohl im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt.
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Wie
eingangs erwähnt, liegt das bevorzugte Anwendungsgebiet
der vorliegenden Erfindung beim Anbinden eines Wellschlauchs aus
Metall an ein Aggregat bzw. ein Rohrstück, das beispielsweise
als Strangpressprofil aus Aluminium gefertigt ist. In diesem Fall
ist es vorteilhaft, wenn eines der beiden Rohrenden ein Teil eines
an einem Wellschlauch aus Metall oder an einem Metallbalg stoffschlüssig
angebrachten Anschlussrohrs ist. Dieses Anschlussrohr ist, da ein
Wellschlauch oder ein Metallbalg üblicherweise aus austenitischem
Edelstahl gefertigt ist, ebenfalls aus Edelstahl gefertigt, wobei
dieser jedoch ein ferritischer Edelstahl sein kann und vorzugsweise eine
höhere Wandstärke aufweist, als das Schlauch- bzw.
Balgmaterial.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Anordnung zum Verbinden zweier Rohrenden werden im Folgenden anhand der
beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Teilschnittdarstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Anordnung;
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2 eine
Darstellung wie 1, jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
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3 eine
Darstellung wie 1, jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
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4 eine
Darstellung wie 1, jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
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5 eine
Darstellung wie 1, jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
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6 eine
perspektivische Teildarstellung eines Rohrendes zur Verwendung in
einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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7 eine
Darstellung wie 1, jedoch eines anderen Ausführungsbeispiels;
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1 zeigt
eine schematische geschnittene Teildarstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung
mit einem ersten Rohrende 1 aus Edelstahl und einem zweiten
Rohrende 2 aus Aluminium, wobei das erste Rohrende 1 ein
Anschlussteil ist, das an einen ringgewellten Metallschlauch (nicht
dargestellt) angeschweißt ist, während das zweite
Rohrende 2 ein Anschlussstutzen eines Kompressors ist. Das
erste Rohrende 1 ist in das zweite Rohrende 2 eingesteckt,
wobei in einem sich dadurch bildenden Überlappungsbereich 3 ein
hochfest verbindender Klebstoff als Adhäsivstoff 4 ganzflächig
zwischen die beiden Rohrenden 1, 2 eingebracht
ist. Die Rohrenden 1, 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind zylindrisch geformt. Sie sind erfindungsgemäß radial gegeneinander
vorgespannt, und zwar derart, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Aluminium und Edelstahl selbst über einen Temperaturbereich
von –40°C bis +180°C nicht dazu führen,
dass sich zwischen den beiden Rohrenden 1, 2 im Überlappungsbereich 3 ein
Spalt bildet. Die Klebefestigkeit des Adhäsivstoffs 4 ist
dadurch optimiert, dass die Rauhtiefe sowohl der Außenfläche
des ersten Rohrendes 1 als auch der Innenfläche
des zweiten Rohrendes 2 im Überlappungsbereich 3 erhöht ist.
Die Festigkeit der Verbindung wird außerdem dadurch erhöht,
dass das erste Rohrende 1, das aus Edelstahl gefertigt
ist, im Überlappungsbereich 3 mit nach Außen
weisenden Erhebungen 5 versehen ist, die sich in das zweite
Aluminium-Rohrende 2 eindrücken und einen Formschluss
gegen Zugkräfte und gegen Torsionskräfte bilden.
Das erste Rohrende 1 weist in einer Einlaufzone 6 eine
zu seiner Stirnseite 7 innen abnehmende Wandstärke
auf, so dass die Biegesteifigkeit des Edelstahlrohrs an dieser Stelle abnimmt
und die Spitzenbelastung des Aluminiumrohrs an der Stelle, an der
das erste Rohrende 1 an seiner Stirnseite 7 endet,
verringert wird.
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Die
schematische geschnittene Teildarstellung in 2 zeigt
die einfachste Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem ersten Rohrende 1 aus Edelstahl, einem
zweiten Rohrende 2 aus Aluminium und einem in den Überlappungsbereich 3 der
ineinandergesteckten Rohrenden 1, 2 flächig
eingebrachten Adhäsivstoff 4, der demnach eine zylindrische
Klebe- und Dichtfläche ausbildet.
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3 zeigt
in einer den 1 und 2 entsprechenden
Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei das
erste Rohrende 1 aus Edelstahl wiederum eine Erhebung 5 aufweist,
die im Überlappungsbereich 3 zwischen den beiden
Rohrenden 1, 2 ringförmig ausgebildet
ist, sich in das zweite Rohrende 2 aus Aluminium eindrückt
und dementsprechend eine Zugaufnahme ausbildet. Der Adhäsivstoff 4 bildet
wiederum eine zylindrische Klebe- und Dichtfläche, wobei
die Zugbelastung gegenüber dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
aufgrund der durch die ringförmige Erhebung 5 gebildeten
Zugaufnahme verringert ist.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Anordnung, wobei hier sowohl das erste Rohrende 1 aus Edelstahl
als auch das zweite Rohrende 2 aus Aluminium im Überlappungsbereich 3 mit
jeweils einem Gewinde 8 versehen sind, so dass die beiden
Rohrenden 1, 2 nicht nur ineinandergesteckt, sondern
miteinander verschraubt sind. Gleichwohl befindet sich im Überlappungsbereich 3,
also im Gewinde, der erfindungsgemäße Adhäsivstoff 4,
um die geschraubte Verbindung gegen ein Aufdrehen zu sichern und
flächig abzudichten. Zusätzlich ist hier am Rand
des Überlappungsbereichs 3 eine elastische Ringdichtung 9 vorgesehen,
um eine Dichtheit der Verbindung unter allen Umständen
sicherzustellen.
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Die
in 5 gezeigte Anordnung entspricht im Wesentlichen
derjenigen aus 2, wobei hier jedoch das erste
Rohrende (Edelstahl) im Überlappungsbereich 3 als
Rändel 10 ausgebildet ist. Dies erhöht
die Adhäsion zum Adhäsivstoff 4 weiter
und verbessert somit die Klebewirkung.
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6 zeigt
eine von den sonstigen Figuren differierende Darstellung, nämlich
eine perspektivische Ansicht eines ersten Rohrendes 1,
das zum Zusammenstecken mit einem (hier nicht dargestellten) zweiten
Rohrende vorgesehen ist. An der Stirnseite 7 dieses ersten
Rohrendes 1 ist ein polygonaler Querschnitt, hier in Form
eines Sechsecks erkennbar, wodurch sich eine formschlüssige
Verdrehsicherung gegen Torsionsbelastungen der erfindungsgemäßen Anordnung
ergibt.
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7 zeigt
schließlich ein letztes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Hier ist das erste Rohrende 1,
das aus Edelstahl gefertigt ist, mit einer stirnseitig umlaufenden
Ringnut 11 versehen, in welche das zweite Rohrende 2,
hier aus Aluminium gefertigt, eingesteckt ist. Im Überlappungsbereich 3 der
beiden Rohrenden 1, 2 ist sowohl radial außen
als auch radial innen ein Adhäsivstoff 4 eingebracht,
der die beiden Rohrenden 1, 2 aneinander festlegt
und den Überlappungsbereich 3 flächig
abdichtet. Aufgrund der Ringnut ist das zweite Rohrende 2 sowohl
radial nach Innen als auch radial nach Außen vom ersten
Rohrende 1 umgeben, so dass sich schon deshalb bei unterschiedlichen
Wärmeausdehnungen weder radial Innen noch radial Außen im Überlappungsbereich 3 ein
Spalt zwischen dem ersten Rohrende 1 und dem zweiten Rohrende 2 bilden
kann, der die Adhäsivstoff-Schicht 4 überfordern könnte.
Stattdessen ergibt sich schon wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
die erfindungsgemäße radiale Vorspannung zwischen den
beiden Rohrenden 1, 2 in der gezeigten Anordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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