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Die
Erfindung betrifft einen Hitzeschild zum Abschirmen eines Gegenstandes
gegen Hitze und/oder Schall mit mindestens einer Lage. Hitzeschilde
dienen zum Beispiel in Motorräumen
von Kraftfahrzeugen, insbesondere im Bereich des Abgasstrangs, dem
Schutz nahe bei heißen
Bauteilen gelegener temperaturempfindlicher Bauteile und Aggregate
gegenüber
unzulässiger
Erhitzung. Meist verbessern die Hitzeschilde dabei auch den Schallschutz.
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Üblicherweise
sind derartige Hitzeschilde dreidimensional verformte Strukturbauteile,
die an mindestens einem, bevorzugt jedoch an mindestens zwei Punkten, üblicherweise
an mindestens einem der wärmeführenden
Bauteile befestigt sind. Die dreidimensionale Form ergibt sich dabei üblicherweise aus
der Form der wärmeführenden
Bauteile und deren Abstand zu benachbarten Bauteilen. Meist ist
es bevorzugt, wenn sowohl zwischen den abzuschirmenden Bauteilen
und dem Hitzeschild als auch zwischen dem mindestens einen wärmeführenden
Bauteil und dem Hitzeschild über
einen großen
Flächenbereich
ein Luftpolster verbleibt, damit Wärmeübertragung durch direkten Kontakt
auf ein Minimum reduziert werden kann. Alternativ kann es auch vorteilhaft
sein, wenn der Hitzeschild der Form des wärmeemittierenden Bauteils folgt
und lediglich eine Isolationsschicht, oftmals Vlies, zwischen der
mindestens einen Lage des Hitzeschilds und dem Bauteil vorgesehen
ist, wobei sowohl zwischen Bauteil und Vlies einerseits und zwischen
Vlies und Hitzeschild-Lage andererseits flächiger Kontakt besteht.
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Im
Betrieb kommt es bei den wärmeführenden
Bauteilen zu Ausdehnungen, die bei entsprechender Anordnung der
Anbindepunkte des Hitzeschilds auch zu einer Vergrößerung von
deren Abstand zueinander führen.
Durch den geringeren Wärmeeintrag
in den Hitzeschild selbst dehnt sich der Hitzeschild nicht im selben
Maße aus
und es kommt, begünstigt
auch durch die im Fahrzeug herrschenden Vibrationen zu Rissen im
Hitzeschild, meist im Randbereich der Anbindepunkte.
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Im
Stand der Technik wurde versucht, durch Verwendung mindestens eines
Langlochs im Hitzeschild als Anbindepunkt diesen von der wärmebedingten
Ausdehnung des wärmeführenden
Bauteils, an dem er befestigt ist, zu entkoppeln, so dass das Verbindungselement
bei Ausdehnung des wärmeführenden
Bauteils im Langloch wandern kann und so Risse des Hitzeschildes
vermieden werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der Hitzeschild – unabhängig davon,
ob er mit einer Hülse
befestigt ist oder nicht – entweder
nicht mit dem angesichts der Vibration des Verbrennungsmotors notwendigen
Moment angezogen werden kann, so dass sich der Hitzeschild nach
und nach lösen
kann oder aber die Umgebung der Durchgangsöffnung auf Dauer abgescheuert
oder verschlissen wird und es so zu Rissen und/oder Brüchen im
Hitzeschild kommen kann.
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Weiter
wurde versucht, dem Hitzeschild selbst Dehnfähigkeit zu verleihen, indem
geradlinig verlaufende, die Verbindungslinien zwischen den Anbindepunkten
des Hitzeschildes im wesentlichen senkrecht schneidende sickenförmige Profilierungen in
den Hitzeschild eingeformt wurden. Dies hat aber zur Folge, dass
die Steifigkeit des Hitzeschilds quer zur Sicke stark reduziert
wird. Die Eigenfrequenz des Hitzeschildes reduziert sich und die
Schwingungsamplitude erhöht
sich, was wiederum bewirkt, dass zwar die Spannungen im Bauteil
aufgrund der Dehnung geringer werden, die Spannungen aufgrund der Schwingung
werden jedoch höher,
so dass die Rissanfälligkeit
des Hitzeschilds effektiv nicht reduziert wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, einen Hitzeschild anzugeben, der der
wärmebedingten
Ausdehnung des wärmeführenden
benachbarten Bauteils folgen kann und dabei seine Steifigkeit im
Wesentlichen behält.
Die Herstellkosten und der Aufwand bei der Herstellung dürfen sich
dabei gegenüber
den Hitzeschilden des Stands der Technik nicht wesentlich erhöhen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt mit dem Hitzeschild gemäß Anspruch 1 oder 2. Bevorzugte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung betrifft also einerseits einen Hitzeschild zum Abschirmen
eines Gegenstandes gegen Hitze und/oder Schall, wobei der Hitzeschild wenigstens
eine Lage aufweist. Der Hitzeschild wird über mindestens zwei Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel
an einem oder mehreren im Betrieb des Verbrennungsmotors wärmeführenden
Bauteilen montiert. Zum Ausgleich der wärmebedingten Dehnung dieses
Bauteils weist der Hitzeschild mindestens eine sickenförmige Profilierung
auf, die zwei Außenkanten
des Hitzeschildes verbindet, sich also über die gesamte Breite des
Hitzeschildes erstreckt, und dabei die virtuelle Verbindungslinie
mindestens zweier Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel schneidet.
Zum Erhalt der Steifigkeit des Hitzeschildes und zur Vermeidung
erhöhter
Schwingungen verläuft
die sickenförmige
Profilierung auf der Oberfläche
des Hitzeschilds gekrümmt.
Hiermit soll betont werden, dass die Krümmung sich nicht auf eine Formgebung
beschränkt,
wie sie der gesamte Hitzeschild aufgrund seiner dreidimensionalen
Form aufweist, wenn etwa eine geradlinige sickenförmige Profilierung
der makroskopischen Sattelform eines Hitzeschilds folgt. Vielmehr
verläuft
die Sicke auch in Projektion auf eine Ebene, wie sie beispielsweise mindestens
drei Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel
aufspannen, gekrümmt.
Gleiches gilt für die
Abwicklung des Hitzeschildes.
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Hierbei
ist es ausreichend wenn ein Bereich der Außenkante so mit einem anderen
Bereich der Außenkante
verbunden wird, dass beide Bereiche auf unterschiedlichen Seiten
einer virtuellen geraden Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen
des Hitzeschilds liegen und die sickenförmige Profilierung eben diese
virtuelle Verbindungslinie schneidet.
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Die
Erfindung betrifft andererseits einen Hitzeschild, der umlaufend
in der Nähe
der Außenkante eine
Stufung aufweist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die
sickenförmige
Profilierung von Außenkante
zu Außenkante
des Hitzeschilds reicht. Vielmehr ist es hier ausreichend, wenn
die sickenförmige
Profilierung zwei unterschiedliche Randbereiche der Stufung miteinander
verbindet und dabei unter einem insgesamt gekrümmten Verlauf mindestens eine
virtuelle Verbindungslinie zweier Anbindepunkte schneidet. In Anlehnung
an den Begriff Außenkante
wird hier der Begriff Stufungskante definiert, der den Rand der
von der Stufung begrenzten Fläche
bezeichnet.
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Als
gekrümmte
Verläufe
der sickenförmigen Profilierung
kommen beispielsweise bogenförmige, s-förmige oder
gewinkelte Verläufe
in Frage. Ein bogenförmiger
oder s-förmiger
Verlauf ist dabei bevorzugt, da sich die Krümmung der sickenförmigen Profilierung
hierbei stetig oder zumindest mehrfach ändert. Bei gewinkelten Verläufen sind
die Bereiche, in denen die Richtungsänderung erfolgt, meist mit
geradlinigen Abschnitten verbunden. Auch bei bogen- oder s-förmigen Verläufen können gekrümmte Bereiche
von geraden Abschnitten unterbrochen sein oder die sickenförmige Profilierung
einen geraden Ein- bzw. Auslauf aufweisen. Es ist dabei besonders
bevorzugt, wenn die sickenförmige
Profilierung einen Abschnitt aufweist, in dem sie nicht gerade verläuft, wobei
die Länge
dieses Abschnitts mindestens 60% ihrer Gesamtlänge entspricht. Hierdurch wird
vermieden, dass sich eine bevorzugte Biegelinie einstellt, die zur
oben genannten Schwächung
des Hitzeschildes führen
würde.
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Zum
einfacheren Verständnis
soll für
das folgende eine Trendlinie für
die sickenförmige
Profilierung eingeführt
werden, die einer Gerade entspricht und nach der Methode der kleinsten
Fehlerquadrate aus dem Verlauf der sickenförmigen Profilierung in ihrer
Abwicklung in der Ebene des Hitzeschilds erhalten wird. Bevorzugterweise
schneidet die Trendlinie der sickenförmigen Profilierung die virtuelle
gerade Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen
unter einem Winkel zwischen 45° und
135°, insbesondere
zwischen 55° und
125°. Es
ist dabei zu vermeiden, dass die reale sickenförmige Profilierung nur wenig
Abweichung von ihrer Trendlinie aufweist, so zum Beispiel schlangenlinienförmig verlaufende
sickenförmige
Profilierungen, die mit geringer Amplitude um eine gerade Linie
oszillieren. Die Krümmung
der sickenförmigen
Profilierung muss mindestens so deutlich ausfallen, dass ihre am weitesten
von der Trendlinie entfernten Punkte einen Abstand zur Trendlinie
einhalten, bei dem die Sickenmitte mindestens drei, bevorzugt mindestens
fünf Sickenbreiten
von der Trendlinie entfernt ist.
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Wird
der Hitzeschild über
mehr als zwei Anbindepunkte befestigt, etwa über vier Anbindepunkte, so
ist es in Abhängigkeit
von der Gesamtgeometrie des Hitzeschildes denkbar, dass diese Anbindepunkte
ein Trapez oder Parallelogramm aufspannen. Dabei ist es durchaus
möglich,
dass die sickenförmige Profilierung
so verläuft,
dass ihre Abschnitte, die die zueinander parallelen virtuellen Verbindungslinien zwischen
den Befestigungsmitteldurchgangsöffnungen
schneiden, parallel zueinander ausgerichtet sind. In diesem Fall
ist es aber notwendig, dass die virtuellen geraden Verlängerungslinien
der parallelen Abschnitte der sickenförmigen Profilierung einen Mindestabstand
größer einer
Sickenbreite (bezogen auf die Sickenbreite im Bereich der jeweiligen Schnittpunkte
mit den virtuellen Verbindungslinien) einhalten. Ein Abschnitt ist
dabei so definiert, dass seine Länge
mindestens der dreifachen Breite der sickenförmigen Profilierung entspricht
(von Fußpunkt zu
Fußpunkt).
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Die
sickenförmige
Profilierung kann sich mit konstanter Höhe von einer Außenkante
zur anderen Außenkante
(beziehungsweise von Stufenkante zu Stufenkante) des Hitzeschilds
erstrecken. Meist ist es jedoch bevorzugt, dass die Sicke ihre Höhe über ihren
Verlauf ändert.
Sie wird dabei ihre größte Höhe im Bereich
ihres mindestens einen Schnittpunktes mit einer virtuellen geraden
Verbindungslinie zweier Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel haben. In Richtung
der Außenkante
(bzw. der Stufenkante) des Hitzeschildes wird ihre Höhe dagegen
bevorzugt abnehmen, aber nie auf null zurückgehen. In einem kegelförmigen Bereich,
der sich ausgehend vom jeweiligen Anbindepunkt entlang der virtuellen
Verbindungslinie in einem Winkel von 30° bezogen auf diese Verbindungslinie öffnet, wird
die Höhe
der Sicke bevorzugt mindestens 60% der maximalen Höhe der Sicke
betragen. Im Allgemeinen wird die Höhe der sickenförmigen Profilierung
zwischen 2 und 40 mm, bevorzugt zwischen 4 und 20 mm betragen. Ändert sich
die Höhe über den
Verlauf der sickenförmigen Profilierung,
so wird sie sich dennoch in diesem Bereich bewegen.
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Die
Breite der sickenförmigen
Profilierung kann ebenso wie ihre Höhe über ihren Verlauf konstant
bleiben oder sich ändern.
Sie leitet sich dabei von der Höhe
der sickenförmigen
Profilierung ab, die minimale Höhe
der sickenförmigen
Profilierung darf dabei nicht geringer sein als 35% ihrer maximalen Breite.
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Die
sickenförmige
Profilierung weist bevorzugt einen bogenförmigen Querschnitt auf. Dieser kann
einer Vollsicke entsprechen, also spiegelsymmetrisch relativ zu
einer vertikalen Spiegelebene durch ihren höchsten Punkt bzw. die Mitte
ihres Plateaus ausgebildet sein. Sie kann aber auch als unsymmetrische
Vollsicke ausgebildet sein, so dass ihre Flanken unterschiedlich
steil und/oder unterschiedlich lang verlaufen. Weiter kann auch
eine Doppelsicke zum Einsatz kommen, die wie ein liegendes S symmetrisch
oder unsymmetrisch beidseitig aus der Ebene des Hitzeschildes herausragt. Auch
die Anordnung mehrerer sickenförmiger
Profilierungen nebeneinander kann in einzelnen Fällen vorteilhaft sein. Die
genannten Sicken-Querschnittsformen können im Verlauf der sickenförmigen Profilierung
auch ineinander übergehen.
Im Allgemeinen wird die sickenförmige
Profilierung jedoch nicht nur einen halbsickenförmigen Querschnitt aufweisen, was
einer einfachen Stufung oder Kröpfung
entsprechen würde;
vielmehr findet über
den Querschnitt zumindest eine Auslenkung in eine Richtung und eine Auslenkung
in deren Gegenrichtung statt.
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Zur
Anpassung an die Form des abzuschirmenden Gegenstandes und/oder
des wärmeführenden
Bauteils, an dem der Hitzeschild befestigt wird, weist der Hitzeschild üblicherweise
eine dreidimensionale Makrostruktur auf.
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Die
erfindungsgemäßen Hitzeschilde
weisen in einer Ausführungsform
lediglich eine metallische Lage auf. Hierzu wird üblicherweise
ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech verwendet, die mittels geeigneter
Beschichtungen beispielsweise in ihrem Reflexionsverhalten an die
individuellen Anforderungen angepasst werden können. So werden Stahlbleche häufig mit
Aluminium(-legierungen) beschichtet. Oft sind die einlagigen Hitzeschilde
durch die Dicke ihrer Lage hindurch oder auch nur an mindestens
einer ihrer Oberflächen
mikrostrukturiert, beispielsweise in Form von Noppen oder lokal
begrenzten Rippen. Diese Rippen erstrecken sich jedoch keinesfalls
von einer Außenkante
(beziehungsweise Stufenkante) des Hitzeschildes unter Querung einer
virtuellen Verbindungslinie zwischen zwei Befestigungsmittel-Durchgangsöffnungen
zu einer anderen Außenkante
(beziehungsweise Stufenkante) des Hitzeschildes. Die sickenförmige Profilierung
kann dabei so eingebracht werden, dass sich die Mikrostrukturierung über die Profilierung
fortsetzt, gegebenenfalls mit reduzierter Höhe/Tiefe. Es ist jedoch auch
möglich,
die sickenförmige
Profilierung so einzuprägen,
dass die Mikrostrukturierung im Bereich der sickenförmigen Profilierung
weitgehend eingeebnet wird. Kommt es zu Längungen im Bereich der Mikrostrukturierung,
kann diese Struktur auch vergrößert werden.
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Ist
die Mikrostrukturierung in Form rippenförmiger Profilierungen mit größerer Länge gestaltet,
ist es auch möglich,
dass sich diese mit der sickenförmigen
Profilierung unter Ausbildung eines gemeinsamen Plateaus kreuzt.
Die Übergänge zwischen
den sich kreuzenden Profilierungen werden dabei aus Umformgründen abgerundet
verlaufen.
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In
einer anderen Ausführungsform
besteht der erfindungsgemäße Hitzeschild
aus zwei metallischen Lagen, die entweder flächig aufeinander liegen oder
aber zumindest abschnittsweise voneinander beabstandet sind. Auch
hier kann mindestens eine der Lagen wiederum durch die Dicke der
Lage hindurch oder auch nur an mindestens einer ihrer Oberflächen mikrostrukturiert
sein. Wieder kommen vor allem Stähle
oder Aluminium, mit oder ohne Beschichtung, zum Einsatz. Hierbei
ist es bevorzugt, dass die Rippen und/oder Noppen etc. einer Lage
in Richtung der anderen metallischen Lage zeigen. Sind beide metallischen
Lagen strukturiert, ist es bevorzugt, wenn die Lagen keine komplementäre, ineinander
fügbare
Struktur aufweisen, so dass die Auflagefläche der Lagen aufeinander reduziert
ist. Zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Hitzeschildes
ist es bevorzugt, wenn mindestens eine metallische Lage – üblicherweise
diejenige, die einer Schallquelle benachbart ist – perforiert
ist, so dass sich Resonanzräume
zwischen den Lagen bilden. Ganz besonders bevorzugt werden dabei
Perforationen in einer metallischen Lage mit Noppen in der benachbarten
metallischen Lage kombiniert, wobei die Verteilung der Noppen und
der Perforationen aufeinander abgestimmt ist.
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Als
alternative Materialien zu Metall kommen prinzipiell auch imprägnierte
und/oder modifizierte Glasfasergewebe in Frage, ebenso wie metallbeschichtete
oder metallkaschierte Kunststoffe, wobei Kunststoffe mit größerer Temperaturbeständigkeit zum
Einsatz kommen. Auch bei Kunststoff-Hitzeschilden kann eine Kombination
mit einer Fasermatte sinnvoll sein.
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Grundsätzlich wird
die sickenförmige
Profilierung in einen derartigen zweilagigen Hitzeschild so eingebracht,
dass sie in beiden Lagen vorhanden ist, damit Spannungen im Hitzeschild
vermieden werden. In einer ersten Variante greifen die sickenförmigen Profilierungen
der beiden Lagen ineinander. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die
beiden sickenförmigen
Profilierungen an allen Stellen in beiden Lagen dieselbe Höhe/Tiefe
und Breite aufweisen müssen.
In einer zweiten Variante weisen die sickenförmigen Profilierungen voneinander
weg und bilden so bei einem parallelen Verlauf der sickenförmigen Profilierungen
einen Kanal. Die sickenförmigen
Profilierungen müssen
dabei keineswegs an allen Stellen dieselbe Breite oder Tiefe aufweisen.
In einer dritten Variante weisen die voneinander wegweisenden sickenförmigen Profilierungen
in den beiden Lagen einen unterschiedlichen Verlauf auf, beispielsweise
parallel zueinander versetzt. Auch hier ist es bei allen genannten
Varianten möglich,
dass die Mikrostrukturierung im Bereich der sickenförmigen Profilierung nahezu
unverändert
erhalten, in ihrer Höhe
reduziert oder gar im wesentlichen eingeebnet wird. Bei Perforationen
ist es darüber
hinaus denkbar, aber nicht zwingend, dass sich die Lochgröße im Bereich
der sickenförmigen
Profilierung verkleinert.
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Weiter
können
die thermischen, insbesondere aber die akustischen Eigenschaften
der Hitzeschilde durch Kombination der mindestens einen metallischen
Lage mit einer faser-basierten Lage oder einer Lage aus verdichteten
mineralischen Partikeln verbessert werden.
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Bei
einem Hitzeschild mit nur einer Metalllage wird üblicherweise nur faserbasiertes
Material hinzukombiniert, da bei partikelbasierten Lagen das Risiko
besteht, dass sich die Partikel so voneinander lösen, dass Krümel entstehen.
Diese faserbasierte Lage wird üblicherweise
auf der im eingebauten Zustand der Schallquelle zugewandten Seite
des Blechs aufgebracht und mit Methoden des Stands der Technik (z.
B. Umbördeln
des Randes der Blechlage, Punktschweißen, Kleben, Nieten, Clinchen,
Toxen) befestigt. Das faserbasierte Material wird dabei oft in einer
Abmessung vorgesehen, die dazu führt, dass
sie – je
nachdem ob sie auf der konvexen oder konkaven Seite der Sicke aufgebracht
ist – in
die Vertiefung eintaucht oder der Erhebung folgt. Aufgrund der Nachgiebigkeit
des faserbasierten Materials ist es auch möglich, dass es diese auf deren
konkaver Seite überspannt.
Die Kombination einer metallischen Lage mit einem faserbasierten
Material ist auch deshalb bevorzugt, weil sich das faserbasierte Material
aufgrund seiner Flexibilität
an die sickenförmige
Profilierung der Blechlage anschmiegt.
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Bei
Hitzeschilden mit mindestens zwei metallischen Lagen wird die faser-
oder partikelbasierte Lage üblicherweise
zwischen den beiden metallischen Lagen vorgesehen, so dass auch
in diesem Fall die sickenförmige
Profilierung bevorzugterweise durch alle Lagen hindurchreicht.
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Um
ihre Funktion voll zu entfalten, weist die sickenförmige Profilierung
an jeder Stelle ihres Verlaufs einen Mindestabstand zu den Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel
auf. Dieser beträgt mindestens
5 mm, bevorzugt mindestens 25 mm. Andererseits wird sie bevorzugt
nicht mittig zwischen zwei Anbindepunkten verlaufen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese
Zeichnungen dienen ausschließlich
der Erläuterung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung, ohne dass die Erfindung auf diese beschränkt wäre. Gleiche
Teile sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die
Figuren zeigen schematisch:
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1 eine
Schrägansicht
eines auf einem wärmeführenden
Bauteil montierten Hitzeschilds des Stands der Technik;
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2 eine
Schrägansicht
eines anderen auf einem wärmeführenden
Bauteil montierten Hitzeschilds des Stands der Technik;
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3 eine
Schrägansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
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4 eine
Schrägansicht
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
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5 eine
Schrägansicht
eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
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6 in vier Teilbildern Draufsichten weiterer
Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Hitzeschilde;
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7 eine
Prinzipskizze der Einbausituation des erfindungsgemäßen Hitzeschilds;
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8 in vier Teilbildern Querschnitte entsprechend
dem Schnitt A-A in 6b der sickenförmigen Profilierung
in einem einlagigen Hitzeschild;
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9 in vier Teilbildern Querschnitte der
sickenförmigen
Profilierung in mehrlagigen Hitzeschilden ähnlich dem Schnitt A-A in 6b;
und
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10 ein zweilagiges Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Hitzeschildes
in Draufsicht und Schnittdarstellung.
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1 zeigt
einen Hitzeschild 100 des Stands der Technik mit einer
metallischen Lage 102, der auf einem Heißgas, beispielsweise
Abgas, führenden Rohr 119 montiert
ist. Auf die Darstellung der Schrauben wurde aus Klarheitsgründen verzichtet.
Die Anbindepunkte 104 bzw. 114 sind stattdessen
ohne Schrauben dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Durchgangsöffnungen 104 als
kreisrunde Durchgangsöffnungen
ausgeführt
sind, während
die Durchgangsöffnungen 114 Langlöcher sind.
Die Langlöcher
ermöglichen
es, dass die Schrauben, mit denen der Hitzeschild am Rohr 119 befestigt
ist, bei einer Ausdehnung bei Erwärmen (bzw. Schrumpfen aufgrund
von Abkühlen)
des Rohrs in Richtung des Doppelpfeils dieser Bewegung folgen können, auch
wenn die Längung
bzw. Verkürzung
im Hitzeschild 100 wesentlich geringer ausfällt als
im Rohr 119. Der Hitzeschild selbst muss der Ausdehnung
und dem Schrumpfen des Rohrs 119 somit gar nicht folgen, was
Spannungen im Hitzeschild vermindert. Andererseits bewirkt das „Mitwandern” der Schraubenköpfe, dass
die Umgebung der Durchgangsöffnungen 114 einem
starken Abrieb ausgesetzt ist und dadurch im Dauerbetrieb ein großes Risiko
von Rissen und Brüchen,
insbesondere im geraden Bereich zwischen den beiden Durchgangsöffnungen 114 oder
im Randbereich der Druchgangsöffnungen 104 und/oder 114 entsteht.
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In 2 ist
ein weiterer Hitzeschild des Stands der Technik dargestellt, der
wiederum an einem im Motorbetrieb Heißgas führenden Rohr 119 befestigt
ist, um benachbarte Bauteile vor zu großer Hitze zu schützen. Hier
sind alle vier Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel 104 als
kreisrunde Öffnungen
ausgebildet, nunmehr sind auch die Köpfe der Schrauben 149 dargestellt.
Eine sickenförmige Profilierung 105 verbindet
die beiden einander gegenüberliegenden
Außenkanten 111, 112 des
Hitzeschildes 100 geradlinig. Hierdurch kann der Hitzeschild
zwar der Bewegung des Rohrs 119 folgen, die sickenförmige Profilierung 105 verliert
aber einen Großteil
ihrer Steifigkeit, so dass der Hitzeschild – unter Einwirkung der Vibration
im Motorraum – wesentlich
leichter in Schwingung versetzt werden kann, was langfristig ebenfalls
Risse im Hitzeschild zur Folge hat.
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Die
an den beiden vorgenannten Beispielen von Hitzeschilden des Stands
der Technik geschilderten Probleme werden mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild 1,
das in 3 gezeigt ist, vermieden. Auf die Darstellung
des wärmeführenden
Bauteils, dessen Ausdehnung zu den oben geschilderten Problemen
führt,
wurde verzichtet. Stattdessen ist wiederum mit einem Doppelpfeil
die Ausdehnungsrichtung dieses nicht dargestellten Bauteils angedeutet.
Der Hitzeschild 1 weist wie in den Beispielen des Stands
der Technik vier als im Wesentlichen kreisrund ausgeführte Anbindepunkte 4 auf,
die insgesamt sechs Verbindungslinien 40 untereinander
aufspannen. Hierbei können
drei Arten von geraden virtuellen Verbindungslinien zwischen den
Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel
unterschieden werden: Verbindungslinien 40a, die im Wesentlichen
parallel zur Ausdehnungsrichtung verlaufen, Verbindungslinien 40b,
die im wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung verlaufen
und einander kreuzende Verbindungslinien 40c. In den Hitzeschild 1 ist nun
eine sickenförmige
Profilierung 5 eingeformt, die sich von einer Außenkante 11 zur
gegenüberliegenden
Außenkante 12 des
Hitzeschilds 1 erstreckt und sowohl die Verbindungslinien 40a als
auch die Verbindungslinien 40c schneidet. Die Dehnrichtung
der Sicke verläuft
im wesentlichen parallel zur Ausdehnungsrichtung des Bauteils, an
dem der Hitzeschild befestigt wird. Dadurch kann der Hitzeschild,
ohne dass in ihm unerwünschte
Spannungen entstehen, der Bewegung dieses Bauteils folgen. Die sickenförmige Profilierung 5 verläuft anders
als im Beispiel der 2 jedoch nicht geradlinig über die
Oberfläche des
insgesamt dreidimensional verformten Hitzeschildes 1, sondern
weist mehrere Richtungsänderungen 51 auf.
Durch diesen gekrümmten
Verlauf weist die sickenförmige
Profilierung 5 einen wesentlich größeren Widerstand gegenüber Schwingungen auf
und behält
ihre Steifigkeit bei. Es kommt dadurch nicht zu schwingungsbedingten
Rissen oder Brüchen im
Hitzeschild 1.
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Aus 3 ist
weiter ersichtlich, dass der Verlauf der sickenförmigen Profilierung – auch bei
Abwicklung des Hitzeschilds 1 – insgesamt bogenförmig ist,
wobei keine kontinuierlichen Richtungswechsel stattfinden, sondern
lokal begrenzte Richtungswechsel in Form von ca. 25° bis 40° aufspannenden
Winkeln vorhanden sind. Durch die beiden Schnittpunkte 44 mit
den Verbindungslinien 40a der Anbindepunkte 4 verläuft die
sickenförmige
Profilierung 5 jeweils mit unterschiedlicher Richtung,
d. h. nicht parallel. Dies verstärkt
das Biegewiderstandsmoment der sickenförmigen Profilierung 5.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 3 ist ein Hitzeschild 1 mit nur einer
metallischen Lage 2 gezeigt. Parallel zu seiner Außenkante
verläuft
eine weitere Profilierung 8, die halbsicken- oder stufenförmig um den
gesamten Hitzeschild 1 umläuft, dabei reicht sie jedoch
nicht bis zur Außenkante.
Die sickenförmige Profilierung 5 quert
diese Profilierung in der Nähe beider
Außenkanten 11, 12 und
folgt dabei im Wesentlichen der Stufung der Profilierung 8.
Weiter ist aus 3 ersichtlich, dass die sickenförmige Profilierung 5 ihre
Höhe in
ihrem Verlauf ändert.
Sie weist ihre größte Höhe im Bereich
zwischen ihren beiden Schnittpunkten 44 mit den Verbindungslinien 40a auf, während die
geringste Höhe
nahe den Außenkanten 11, 12 vorhanden
ist.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Hitzeschildes 1.
Die Anbindung dieses Hitzeschildes 1 erfolgt über nur
zwei Anbindepunkte 4. Die durch den Doppelpfeil angedeutete
Ausdehnungsrichtung des Bauteils, an dem der Hitzeschild befestigt
wird, verläuft
im wesentlichen parallel zur Verbindungslinie 40 zwischen
den Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel 4.
Wiederum erstreckt sich eine sickenförmige Profilierung 1 gekrümmt über die
dreidimensional verformte Oberfläche
des Hitzeschilds und verbindet dabei die beiden einander gegenüberliegenden
Außenkanten 11, 12 des
Hitzeschilds 1. Der Hitzeschild weist weitere Profilierungen 8 auf,
die wie im Beispiel der 1 lediglich eine Stufung darstellen,
also keine Sickenform im engeren Sinne aufweisen. Weiter ist in 4 zu
erkennen, dass keine dieser weiteren Profilierungen 8 zwei
Außenkanten
des Hitzeschilds verbindet und gleichzeitig die Verbindungslinie 40 zwischen
den Befestigungsmittel-Durchgangsöffnungen 4 schneidet.
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Der
Hitzeschild der 4 unterscheidet sich weiter
von dem der 3 dadurch, dass er zwei metallische
Lagen 2, 3 aufweist, wobei die Lage 2 unter Ausbildung
eines Bördels 23 um
die Außenkante
der Lage 3 herumgefalzt ist. Weiter ist angedeutet, dass dieser
Hitzeschild 1 eine Zwischenlage 6 beispielsweise
aus temperaturfester Pappe, faserbasiertem Material oder auch verfestigtem
partikelbasiertem Material, beispielsweise Glimmer aufweist. Diese Zwischenlage 6 reicht
im dargestellten Beispiel nicht bis in den Bereich 32 hinein,
erstreckt sich aber über den
Bereich der sickenförmigen
Profilierung 5.
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5 stellt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds
dar, bei dem der gesamte Außenrand 11 des
Hitzeschilds 1 von einer Stufung 9 umgeben ist.
Die sickenförmige
Profilierung 5 reicht hier nicht von einer Außenkante 12 zur anderen,
sondern erstreckt sich nur von Stufenkante 91 zur gegenüberliegenden
Stufenkante 92. Die sickenförmige Profilierung 5 reduziert
dabei im Übergangsbereich
zur Stufenkante 91 bzw. 92 ihre Höhe und geht
in die Stufung 9 über.
Bezüglich
ihres sonstigen Aufbaus entspricht der Hitzeschild 1 der 5 im
Wesentlichen dem der 3. Die sickenförmige Profilierung 5 schneidet
die virtuellen Verbindungslinien 40a und 40c der
Durchgangsöffnungen
für Befestigungsmittel 4 mit
einem gekrümmten
Verlauf.
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6a stellt
einen weiteren erfindungsgemäßen Hitzeschild 1 dar,
der ähnlich
dem der 3 vier rechteckig angeordnete
Befestigungspunkte 4 aufweist. Daraus ergeben sich wieder
die bereits geschilderten drei Typen von Verbindungslinien 40a, 40b, 40c zwischen
diesen Befestigungspunkten 4. Wiederum verläuft eine
sickenförmige
Profilierung 5 von einer Außenkante 11 zur anderen
Außenkante 12 des
Hitzeschilds 1 und schneidet dabei vier Verbindungslinien 40a, 40c.
In der Draufsicht auf den Hitzeschild 1 ist gut erkennbar,
wie die sickenförmige Profilierung 5 gekrümmt über die
Oberfläche
des Hitzeschildes 1 verläuft. Der Gesamtverlauf ist
dabei wiederum bogenförmig
mit einer starken Krümmung im
Bereich 51, d. h. ungefähr
auf halber Länge
der sickenförmigen
Profilierung 5. Daneben erfährt die Erstreckungsrichtung
der sickenförmigen
Profilierung 5 lokal kaum merkliche Richtungswechsel. Die
Oberfläche
des Hitzeschilds 1 fällt
im Bereich seiner Außenkanten
stark ab, ragt quasi in die Papierebene hinein. Aus diesem Grund ähnelt die
Darstellung der sickenförmigen
Profilierung in diesem Bereich einer Querschnittsdarstellung. Dies
steht nicht im Widerspruch dazu, dass die Höhe der sickenförmigen Profilierung
in Richtung der Außenkanten 11, 12 nicht
zunimmt. Wie im Beispiel der 3 ist der
Verlauf der sickenförmigen
Profilierung 5 im Bereich der beiden Schnittpunkte 44 mit
den Verbindungslinien 40a nicht parallel, sondern vielmehr
gegenläufig,
was dem Hitzeschild 1 zusätzlichen Biegewiderstand in
diesem Bereich verleiht.
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6b stellt
einen ähnlichen
erfindungsgemäßen Hitzeschild 1 wie 6a dar,
die Anordnung der Anbindepunkte 4 und somit auch deren
Verbindungslinien ist identisch. Gleiches gilt für die makroskopische Gestalt
des Hitzeschilds 1. Der Verlauf der sickenförmigen Profilierung 5 unterscheidet
sich jedoch beträchtlich
von dem in 6a, hier liegt ein im Wesentlichen
z-förmiger
Verlauf vor. Im Bereich ihrer Schnittpunkte 44a und 44b mit
den Verbindungslinien 40a weist die sickenförmige Profilierung
eine ähnliche
Orientierung auf. Näherungsweise
sind die betreffenden Abschnitte der sickenförmigen Profilierung mit großem Abstand
parallel zueinander versetzt (s. gepunktete Linien) und halten dabei
einen beträchtlichen
Abstand, der ein Vielfaches der Sickenbreite beträgt, ein.
Während
in unmittelbarer Nachbarschaft zum Schnittpunkt 44a zudem
eine kleinere Richtungsänderung 51' eintritt, verläuft die
Profilierung im Bereich des Schnittpunkts 44b im Wesentlichen
geradlinig.
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Der
Hitzeschild 1 der 6c unterscheidet sich
von dem der 6b nur durch die Zweilagigkeit – Lagen 2 und 3 – und die
Mikrostrukturierung 28 zumindest der Lage 2, wodurch
Luftpolster im Inneren des Hitzeschilds 1 gebildet werden.
Die Mikrostrukturierung kann dabei noppenförmig sein oder aber auch, wie
gezeigt, entlang eines zweidimensionalen Gitters oder Netzes in
die metallische Lage 2 eingeformt sein. Die Mikrostrukturierung
kann sich auf Verformungen des Materials beschränken, kann aber auch eine Perforation
beinhalten. Es ist aus 6c offensichtlich, dass im gezeigten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
lediglich begrenzte Abschnitte diese Mikrostrukturierung aufweisen
und die sickenförmige
Profilierung keine derartige Mikrostrukturierung zeigt.
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6d stellt
ein Ausführungsbeispiel
dar, bei dem die Ausdehnungsrichtung des mindestens einen Bauteils,
an dem der Hitzeschild 1 befestigt ist, anders orientiert
ist als in den Beispielen der 6a bis 6c,
wie dies der Doppelpfeil verdeutlicht. Entsprechend reicht die sickenförmige Profilierung 5 nicht
von einer Außenkante
zur gegenüberliegenden Außenkante,
sondern verbindet zwei Außenkanten 11 und 12,
die zueinander in einem rechten Winkel angeordnet sind. Die sickenförmige Profilierung 5 separiert
dabei eine Durchgangsöffnung
für Befestigungsmittel 4 von
drei anderen.
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7 schematisiert
die Lage des Hitzeschilds 1 auf einer Außenseite
eines wärmeführenden
Bauteils 91, an dem der Hitzeschild 1 mittels
mindestens zweier Schrauben 49 befestigt ist. Der Hitzeschild 1 schützt das
in der Nähe
angeordnete Bauteil 18 vor übermäßiger Wärmeübertragung. Der Querschnitt
der sickenförmigen
Profilierung 5 in der dargestellten Schnittebene ist im
Wesentlichen parallel zur Ausdehnungsrichtung des Bauteils 19 ausgerichtet. Auf
eine Andeutung der dreidimensionalen Makrostruktur der Bauteile 1, 18 und 91 wurde
verzichtet. Wie aus 7 ersichtlich wird die sickenförmige Profilierung
bevorzugt nicht mittig zwischen den beiden Anbindepunkten/Schrauben 49 vorgesehen,
sondern seitlich versetzt, hier näher am rechten Anbindepunkt.
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8a zeigt
einen im wesentlichen bogenförmigen
Querschnitt einer sickenförmigen
Profilierung 5, wie er beispielsweise dem Schnitt A-A in 6b entspricht.
Die sickenförmige
Profilierung ist als symmetrische Vollsicke eingebracht, wobei die Höhe der Sicke
zwischen 2 und 40 mm, bevorzugt zwischen 4 und 20 mm beträgt. Diese
Höhe kann
im Verlauf der sickenförmigen
Profilierung auch variieren. Gleiches gilt für die Breite. Das Verhältnis H/B sollte
immer größer 0,35
sein. Die Radien R1 und R2 betragen üblicherweise zwischen 3 und
60 mm, bevorzugt zwischen 5 und 20 mm. R3 ergibt sich aus R1 und
der Blechdicke.
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Eine
unsymmetrische Vollsicke 5 ist im Querschnitt der 8b erkennbar,
die Höhen
H1 und H2 liegen dabei wiederum im oben genannten Bereich zwischen
2 und 40 mm bzw. 4 und 20 mm, unterscheiden sich jedoch deutlich
voneinander. In 8c ist eine Doppelsicke 5 im
Querschnitt gezeigt, deren Gesamthöhe H sich aus unterschiedlich
großen
Auslenkungen H1 und H2 aus der ursprünglichen Ebene des Hitzeschilds
summiert. H1 und H2 liegen dabei im oben genannten Bereich. Im gezeigten
Beispiel setzt sich diese Doppelsicke auf ihren beiden Seiten auf
derselben Höhe
fort, wie dies schon im Beispiel der 8a der
Fall war. Prinzipiell ist aber auch möglich, dass durch die Doppelsicke
ein Versatz wie in 8b eintritt. Im gezeigten Beispiel
sind beide Breiten B1 und B2 identisch, beide folgen wiederum der Beschrankung,
dass H/B größer 0,35
sein soll. 8d zeigt schließlich die
Anordnung mehrerer, hier dreier, sickenförmiger Profilierungen 5, 5' und 5'' nebeneinander, wobei diese in
ihrem weiteren Verlauf nicht notwendigerweise parallel zueinander
fortgeführt
werden müssen.
Hinsichtlich der Abmessungen gilt das zu 8a Gesagte
hier für
alle Einzelsicken. Sämtliche
Schnitte der 8 entsprechen einem Querschnitt
durch die sickenförmige
Profilierung 5, etwa entsprechend dem Querschnitt A-A in 6b.
Sie können
im Verlauf der sickenförmigen Profilierung 5 ineinander übergehen.
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9 verdeutlicht abschließend den
Aufbau mehrlagiger erfindungsgemäßer Hitzeschilde 1 im Bereich
der sickenförmigen
Profilierung 5. 9a stellt
einen sehr einfachen Aufbau, bei dem zwei metallische Lagen 2, 3 unmittelbar
aufeinander liegen, dar. Im Beispiel der 9b ist
zwischen zwei metallische Lagen 2, 3 eine nicht-metallische
Isolationslage 6, etwa eine Lage aus binderfrei gepresstem
Glimmermaterial zwischengefasst. Das Beispiel der 9c beschränkt sich
auf eine metallische Lage 3, auf die eine nicht-metallische
Lage 6, etwa eine faserverstärkte Pappelage, aufgelegt ist. 9d verdeutlicht
einerseits, dass mindestens eine der metallischen Lagen 2, 3 perforiert
sein kann, also ähnlich einem
Spießblech/Lochblech
ausgeführt
ist (s. Lage 3). Andererseits ist im Beispiel der 9d gezeigt, dass
die sickenförmigen
Profilierungen 5 in den beiden metallischen Lagen 2, 3 nicht
notwendigerweise ineinander greifen oder gar flächig aufeinander liegen müssen, sondern
mit ihren Sickendächern
auch voneinander weg weisen können.
Auch hier ist eine ausreichende Nachgiebigkeit der sickenförmigen Profilierung
sichergestellt. Im gezeigten Beispiel der 9d befindet
sich weiter eine schallabsorbierende Einlage im Innern der voneinander
weg weisenden sickenförmigen
Profilierungen, die beispielsweise bandförmig entlang der gesamten Profilierung
oder auch nur entlang eines Abschnitts der Profilierung verläuft. Neben
dem gezeigten rechteckigen Querschnitt sind auch andere Querschnittsformen
des Bandes 7 möglich,
etwa runde oder ovale. Durch die Nachgiebigkeit des Bandes 7 wird
die Funktion der sickenförmigen
Profilierung nicht beeinträchtigt.
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Auf
sämtliche
mehrlagige Aufbauten der 9 lassen
sich selbstverständlich
sämtliche
Querschnitte der 8 anwenden.
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10 demonstriert, dass die sickenförmigen Profilierungen 5, 5' in zweilagigen
erfindungsgemäßen Hitzeschilden 1 nicht
notwendigerweise unmittelbar übereinander
verlaufen müssen.
Vielmehr können
sie auch gegeneinander versetzt sein und unterschiedliche Verläufe aufweisen,
wie die Sicken 5 und 5' zeigen.