DE69823351T2

DE69823351T2 - Rotationsgeschweisster fluidverbinder

Info

Publication number: DE69823351T2
Application number: DE69823351T
Authority: DE
Inventors: O. Gary KLINGER; S. Gary ZELINSKI; C. David STIELER
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: JP3547764B2; EP0988488B1; DE69823351D1; US6199916B1; EP0988488A1; WO1998057092A1; JP2002504980A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fluidverbindungsvorrichtungen und insbesondere die abdichtende Verbindung derartiger Verbindungsvorrichtungen mit Rohrleitungsendstücken und insbesondere die Verwendung von Reibschweißen zum Bewirken einer derartigen Verbindung.
Bezugnahme auf verwandte Anwendungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine provisorische Anmeldung, die am 15. Mai 1997 beim US-Patentamt unter dem Anwalts-Aktenzeichen AHBC 4609 von den gleichen Erfindern und dem gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf US-Patent Nr. 5,590,691, erteilt am 7. Januar 1997 mit dem Titel "Extruded Multiple Plastic Layer Coating Bonded To A Metal Tube", US 5,566,720 , erteilt am 22. Oktober 1996 mit dem Titel "Elongated Fuel And Vapor Tube Having Multiple Layers And Method Of Making The Same", US 5,524,673 , erteilt am 11. Juni 1996 mit dem Titel "Multi-Layer Tubing Having Electrostatic Dissipation For Handling Hydrocarbon Fluids" und US 5,383,087, erteilt am 17. Januar 1995 mit dem Titel "Multi-Layer Fuel And Vapor Tube", die den gleichen Rechtsnachfolger wie diese Anmeldung haben, welche hiermit durch Bezugnahme in diese Beschreibung eingeschlossen werden.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Schnellverbindungskupplungen sind in der US-Automobilindustrie seit vielen Jahren weit verbreitet. Obgleich sie für zahlreiche Anwendungen verwendbar sind, werden Schnellverbindungsvorrichtungen typischerweise in Kraftstoffsystemen unter Dampfrückführungssystemen verwendet. Die einfachste und kostengünstigste Konstruktion ist eine Schnellverbindungsvorrichtung der Bauart mit weiblichem Kunststoffgehäuse, das lösbar mit einem männlichen Rohrendstück aus Metall verbunden wird. Das entgegengesetzte Ende des weiblichen Gehäuses bildet typischerweise einen Schaft, der eine Anzahl von axial beabstandeten Zacken hat, die an seiner äußeren Umfangsfläche gebildet sind, sowie ein darüber gepresstes Rohrendstück aus Nylon oder Plastik. Eine derartige Anordnung ist in dem US-Patent 5,542,712, erteilt am 6. August 1996 mit dem Titel "Quick Connector Housing With Elongated Barb Design" beschrieben.
In Fluidhandhabungssystemen ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die männlichen und weiblichen Abschnitte der verwendeten Verbindungsvorrichtungen ordnungsgemäß miteinander verbunden sind. Eine fehlerhafte Verbindungsvorrichtung führt zum Fluidaustritt in dem zugehörigen System. Dies kann bei einem unter Druck stehenden System besonders nachteilhaft sein, wenn die undichte Verbindungsvorrichtung das druckbeaufschlagte Fluid ausstößt. Ferner verlangt die Bundesgesetzgebung der jüngeren Zeit beträchtlich verminderte Kohlenwasserstoffemissionen aus Automobilkraftstoff- und -dampfrückgewinnungssystemen. Obgleich herkömmliche Schnellverbindungsvorrichtungen Rohrendstücke effektiv in mechanischer Verbindung mit ihren zugehörigen Verbindungsvorrichtungskörpern halten, werden sie den bundesweiten Anforderungen nicht gerecht. Auch bieten die verwendeten Materialien, typischerweise Nylon 12, keine ausreichende Beständigkeit gegen die Permeation von Kohlenwasserstoffen.
Das Problem der Permeation wurde teilweise durch die Entwicklung von coextrudierten Mehrlagen-Kunststoffleitungen in Angriff genommen, die zwei oder mehr diskrete Schichten aus unterschiedlichen Kunststoffarten oder -formulierungen enthalten, von welchen eine speziell dazu konstruiert ist, eine wirksame Permeationsschicht zu schaffen, die das Entweichen von Kohlenwasserstoffen aus dem System blockiert. Im allgemeinen verwendet die erfolgreichste Mehrlagenleitung eine relativ dicke Außenschicht, die aus einem gegen die äußere Umgebung beständigen Material zusammengesetzt ist. Die innerste Schicht ist dünner und aus einem Material aufgebaut, das auf Grund seiner Fähigkeit zum Sperren der Diffusion von Materialien, wie z. B. Kohlenwasserstoffen, Alkoholen oder anderen in Kraftstoffmischungen vorhandenen Materialien, zu der Außenschicht gewählt wurde und ein Maß der elektrischen Leitfähigkeit haben kann, das ausreichend ist, um durch den darin erfolgenden Fluidfluss erzeugte statische Aufladungen abzuleiten. Bis heute war es äußerst schwierig, zufriedenstellende Laminierungseigenschaften zwischen unähnlichen Polymerschichten zu erzielen. Somit wurde die Verwendung einer oder mehrerer Zwischenschichten zum Verbinden der Außenschicht und der Innenschicht vorgeschlagen.
Die Verwendung von Mehrlagenleitungen in mit Kraftstoff befassten Anwendungsgebieten ist insofern problematisch, als an dem Rohrendstück notwendigerweise die Laminatstirnseiten der Innenschicht und der Außenschicht sowie gegebenenfalls von Zwischenschichten entweder den Kraftstoffen und Dämpfen des Systems oder der gleichermaßen rauen äußeren Umgebung ausgesetzt sind. Durch diesen Kontakt besteht die Gefahr, dass die Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten abgebaut wird, was eine Delaminierung oder Trennung der Schichten verursacht und schließlich zum Verlust der Unversehrtheit des Systems, zur Verschmutzung des Kraftstoffs und sogar zur Blockierung des Fluidflusses führt.
Ein verwandtes Problem rührt von zwei Aspekten von handelsüblichen Schnellverbindungsvorrichtungen her, nämlich Massenproduktion und geringerer Verkaufspreis, die häufig die Verwendung von preiswerten, in bestimmtem Ausmaß geschmeidigen Materialien erfordern, sowie die komplizierten Konturen von sehr kleinen, ineinanderpassenden Bauteilen. Diese Aspekte erhöhen gemeinsam die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Montage. Massenproduktionstechniken, darunter die automatische Montage, vergrößern das Problem eher, da eine fehlerhafte Montage oder unzulässige Schwankungen der Abmessungen von Bauteilen schwer zu erfassen sind. Die übermäßige Addierung von Abmessungstoleranzen kann zu einer geringen Zugfestigkeitseigenschaft zwischen dem gezackten Schaft und der Kunststoffleitung führen und Undichtigkeiten erzeugen. Eine fehlerhafte Montage, wie etwa das Weglassen eines O-Ringes, kann ebenfalls zu Undichtigkeiten führen. Im Fall der Mehrlagenleitung können Probleme in Bezug auf die Abmessungen und/oder Klebeeigenschaften zur mechanischen Delaminierung beim Aufstecken der Leitung auf den mit Zacken versehenen Schaft führen. Schließlich können einlagige Kunststoffleitungen oder mehrlagige Strukturen mit geringer Umreifungsfestigkeit im Lauf der Zeit oder bei höheren Temperaturen erschlaffen, was zum Austritt oder zum Durchsickern von Fluid führen kann.
Ferner sind Fluidverbindungsvorrichtungen bekannt, die zur Reibschweißverbindung mit einer Leitung gestaltet sind. Derartige Verbindungsvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-A-39 03 551 bekannt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und preiswerte, aber mechanisch und gegen Umgebungsbedingungen robuste Verbindung zwischen einem Rohrendstück und dem Körper einer Verbindungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Nachteile des vorstehend beschriebenen Standes der Technik vermieden werden.
Die Fluidverbindungsvorrichtung ist zur Reibschweißverbindung mit einer Rohrleitung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 konstruiert. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Rohrendstück mit dem Verbindungsvorrichtungskörper zuverlässig abgedichtet wird, wodurch sowohl das Austreten von Fluid als auch der Eintrag von Verunreinigungen aus der Umwelt vermieden werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Körper der Fluidverbindungsvorrichtung entgegengesetzte Oberflächen für den gleichzeitigen abdichtenden Eingriff mit der äußeren und der inneren Umfangsfläche der Rohrleitung. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sichergestellt wird, dass die äußere Oberfläche der Rohrleitung abdichtend mit dem Körper der Verbindungsvorrichtung in Eingriff steht und separat die innere Oberfläche der Rohrleitung mit dem Körper der Verbindungsvorrichtung abdichtend in Eingriff gebracht wird, wodurch eine redundante Dichtung geschaffen wird.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fluidverbindungsvorrichtung in Kombination mit einer Mehrlagenleitung verwendet, deren äußere Umfangsfläche der Außenschicht durch Reibschweißen mit dem Körper der Verbindungsvorrichtung verbunden ist und deren innere Umfangsfläche der Innenschicht separat durch Reibschweißen mit dem Körper der Verbindungsvorrichtung verbunden ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass sie eine hermetische Abdichtung an der Grenzfläche der inneren und der äußeren Schicht und von gegebenenfalls vorhandenen Zwischenschichten der Mehrlagenleitung sowohl gegenüber Systemfluiden als auch Verunreinigungen aus der Umwelt bietet, womit eine kapillare Adsorption in die Grenzfläche und/oder Delaminierung vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Körper der Verbindungsvorrichtung einen inneren und einen äußeren Flansch, die von dem Körper ausgehen und konzentrisch um die zweite Öffnung angeordnet sind, wobei der innere Flansch eine nach außen weisende Schweißoberfläche bildet und der äußere Flansch eine nach innen weisende Schweißoberfläche bildet. Die Schweißoberflächen konvergieren konisch, sodass der Verbindungsvorrichtungskörper und die Rohrleitung während des Montagevorgangs automatisch zentriert werden und die Verengung des Durchflussweges in der fertiggestellten Anordnung minimiert ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der innere und der äußere Flansch nahe an ihren freien Enden abgefast, um in Kombination mit der Rohrleitung eine innere und eine äußere Schweißüberstandssperre zu bilden, um während des Reibschweißprozesses erzeugten Schweißüberstand aufzunehmen. Diese Anordnung hat den Vorteil, ein ästhetisch angenehmes äußeres Erscheinungsbild an dem Punkt der Verbindungsstelle des Rohrleitungsendstücks mit dem Verbindungsvorrichtungskörper zu schaffen und zu verhindern, dass Schweißüberstand radial nach innen in den Fluidstrom vorragt und den Durchfluss einschränkt.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der folgenden Beschreibungen deutlich, die zusammen mit den Zeichnungen bevorzugte und alternative Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschreibt und offenbar.
Eine detaillierte Beschreibung der offenbarten Ausführungsformen nimmt Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer typischen Schnellverbinderanordnung nach dem Stand der Technik;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Anwendung;
3 ist eine ausgebrochene Schnittansicht eines Verbindungsvorrichtungskörpers aus 2 in vergrößertem Maßstab;
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang den Linien IV-IV in 2;
5 ist eine ausgebrochene Detailschnittansicht der Anordnung aus 2 vor dem Reibschweißen des Rohrendstücks in den Verbindungsvorrichtungskörper in stark vergrößertem Maßstab;
6 entspricht 5 und zeigt das in dem Verbindungsvorrichtungskörper reibverschweißte Rohrendstück; und
7 ist eine stark vergrößerte Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung entsprechend 6.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten und alternativer Ausführungsformen
In 1 ist eine typische Schnellverbinderanordnung 10 nach dem Stand der Technik in Anwendung dargestellt, wobei eine Verbindungsvorrichtung 12 ein Stahlrohrelement-Endstück 14 mit einem einwandigen Kunststoffrohrendstück 16 verbindet. Eine gestauchte Sicke 18 ist axial von dem vorderen Ende 20 des Stahlrohrs 14 versetzt angeordnet und kommt lösbar mit einem Halter 22 in Eingriff, der mit der Verbindungsvorrichtung 12 zusammengebaut ist, und ist mit diesem fluiddicht durch eine Reihe von O-Ringen 24 in herkömmlicher Weise abgedichtet.
Das entgegengesetzte Ende der Verbindungsvorrichtung 12 ist als ein länglicher Schaft oder Nippel 26 ausgebildet, über dessen Länge eine Vielzahl von axial beabstandeten, radial nach außen vorragenden Zacken 28 gebildet ist. Das Kunststoffendstück 16 wird über die äußere Oberfläche des Nippels 26 aufgeschoben. Das Kunststoffendstück greift in die scharfen Kanten der Zacken 28 elastisch ein, sodass ein mechanischer Eingriff mit den beiden entsteht, während ein innerhalb einer sich radial nach außen öffnenden Vertiefung 32 angeordneter O-Ring 30 eine Abdichtung zwischen dem Innendurchmesser des Kunststoffendstücks 16 und der Verbindungsvorrichtung 12 bildet.
In 2, 3 und 4 ist die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Anwendung dargestellt, die eine Schnellverbinderanordnung 40 umfasst, in der eine Verbindungsvorrichtung 42 zum Verbinden eines Stahlrohrelement-Endstücks 44 mit einem Mehrlagenkunststoffrohr-Endstück 46 dient, um einen bevorzugt für eine kraftfahrzeugtechnische Anwendung vorgesehenen Fluidkreislauf zu schaffen.
Wie 2 am besten zeigt, enthält die Verbindungsvorrichtung 42 eine Anordnung eines Hartschalenkunststoff-Verbindungsvorrichtungskörpers 48, der aus einem glasfaserverstärkten Nylon oder einem anderen geeigneten Material in allgemein rohrförmiger Form gebildet ist und eine abgestufte Bohrung 50 durch diesen enthält, die von einer ersten Öffnung 52 zu einer zweiten Öffnung 54 verläuft.
Ein Stahlrohrelement 44 verläuft durch die erste Öffnung 52 in die Bohrung 50. Eine gestauchte Sicke 56, die von einem vorderen Ende 58 des Stahlrohrs 44 axial abgesetzt ist, ist in lösbarem Eingriff mit einem Halter 60, der in den Körper 48 eingebaut ist. Die äußere Umfangsfläche des Stahlrohrs 44 ist innerhalb der Bohrung 50 in abdichtendem Eingriff mit dem Körper 48 durch einen ersten und einen zweiten elastischen O-Ring 62 und 64, die durch einen Abstandhalter 66 getrennt sind und durch einen zweiten Abstandhalter 68 und einen Haltering 70 in ihrer dargestellten Position gehalten werden. Wie dargestellt kann das vordere Ende 58 des Stahlrohrs 44 ohne die Verwendung von Werkzeugen oder speziellen Montagegeräten in die Bohrung 50 eingeführt werden und mechanisch mit der Verbindungsvorrichtung 42 in Eingriff kommen. Das Stahlrohr 44 kann durch elastisches Verschieben des Halters 60 aus der Verbindungsvorrichtung 42 gelöst werden.
Der Verbindungsvorrichtungskörper 48 ist aus einem Kunststoffmaterial mit einem ausreichenden Gehalt an Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Material hergestellt, um ein Ausmaß der elektrischen Leitfähigkeit sicherzustellen, das ausreicht, um die Ableitung von statischen Ladungen zu erlauben, die durch das Fließen des Fluids durch das System erzeugt werden. Ein abgestufter Zwischenabschnitt 72 der Bohrung 50 ist so dimensioniert, dass er eine Einschiebpassung mit dem vorderen Ende 58 des Stahlrohrs 44 sicherstellt, um einen engen Kontakt und einen elektrischen Leitungsweg zwischen diesen zu schaffen, wie durch den Pfeil 74 dargestellt (2).
Wie 3 am besten zeigt, sind radial beabstandete konzentrische innere und äußere Flansche 76 beziehungsweise 78 mit dem Hauptabschnitt des Verbindungsvorrichtungskörpers 48 einstückig geformt und verlaufen von diesem axial nach links. Der innere Flansch 76 erstreckt sich weiter als der äußere Flansch 78 und endet in einer Führungsnase 80. Die Flansche 78 und 80 sind kreisförmig und mit der zweiten Öffnung 54 konzentrisch.
Die radial äußerste Umfangsfläche des inneren Flansches 76 hat einen ersten konvergierenden konischen Abschnitt 82, der von einem Fuß oder Basisabschnitt 84 nach links verläuft und in einen steileren zweiten konischen Abschnitt 86 übergeht, der in der Führungsnase 80 endet. Der erste konische Abschnitt 82 der äußeren Oberfläche des inneren Flansches 76 wird als eine erste Schweißoberfläche betrachtet. Die radial am weitesten innen gelegene Oberfläche des äußeren Flansches 78 verläuft nach außen konisch von rechts nach links in 3 und bildet eine zweite Schweißoberfläche 88. Somit konvergieren die Schweißoberflächen 82 und 88 in der Ansicht in 3 von links nach rechts.
In 4 ist das Kunststoffrohrendstück 46 im Querschnitt dargestellt und bildet eine Mehrlagenstruktur, die eine innere oder erste Schicht 90, mindestens eine Verbindungsschicht oder zweite Schicht 92 und eine äußere oder dritte Schicht 94 bildet. Die Rohrleitung 46 gemäß vorliegender Erfindung wird vorzugsweise durch Coextrudieren von verschiedenen Zusammensetzungen aus thermoplastischen Materialien in einem herkömmlichen Coextrusionsprozess hergestellt. Die Rohrleitung 46 gemäß vorliegender Erfindung ist ein Material, das zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet ist und eine relativ dicke Außenschicht 94 enthält, die mit der äußeren Umgebung nicht reagiert und gegen diverse Stöße, Vibrationsermüdung und Temperaturveränderungen sowie den Kontakt mit verschiedenen korrosiven und zersetzenden Verbindungen beständig ist, denen sie während des normalen Betriebes in Kraftfahrzeugen ausgesetzt ist. Geeignete Materialien zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung können aus beliebigen schmelzverarbeitbaren extrudierbaren thermoplastischen Materialien zusammengesetzt sein, die gegen Ultraviolettabbau, extreme Temperaturveränderungen und den Kontakt mit Benzin und seinen Zusatzstoffen beständig sind. Das Material der Wahl kann auch Beständigkeit gegen Umweltgefahren, wie zum Beispiel den Kontakt mit Zinkchlorid, und Beständigkeit gegen die Zersetzung bei Kontakt mit Materialien, wie z. B. Motoröl und Bremsflüssigkeit, zeigen. Die Innenschicht 90 bzw. die Außenschicht 94 sind aus einem geeigneten Material, wie z. B. Nylon 12, gebildet, das mit dem zur Verwendung in dem Material zum Formen des Verbindungsvorrichtungskörpers 48 gewählten Material kompatibel ist. Ferner ist die Innenschicht 90 der Kunststoffrohrleitung 46 mit Graphit oder einem anderen geeigneten Material versetzt, das sie in ausreichender Weise elektrisch leitfähig macht, um die elektrostatische Aufladung, die durch das durch die Kohlenstoffrohrleitung 46 fließende Fluid erzeugt wird, abzuleiten.
In 5 und 6 ist der Reibschweißprozess bei der Montage des Kunststoffrohrendstücks 46 am Verbindungsvorrichtungskörper 48 dargestellt. Wie 5 zeigt, ist das Kunststoffrohr 46 konzentrisch mit der Öffnung 54 und axial geringfügig von dieser beabstandet vorpositioniert. Der innere Nenndurchmesser des Kunststoffrohrs 46 ist geringfügig größer als der maximale Durchmesser der Führungsnase 80, um sicherzustellen, dass bei Kontakt des Kunststoffrohrs 46 mit dem Verbindungsvorrichtungskörper 48 die Vorderkante 96 desselben zuerst mit dem konischen Abschnitt 86 des inneren Flansches 76 in Berührung kommt, um die beiden vorzupositionieren und automatisch zu zentrieren. Die relativ abrupt konische Oberfläche 86 dient dazu, eine unbeabsichtigte Handmontage der Rohrleitung 46 und der Verbindungsvorrichtung 42 zu verhindern, die fälschlich für eine geschweißte Verbindung gehalten werden könnte und in einem Host-System eingebaut werden könnte. Das Merkmal der automatischen Zentrierung macht ferner Führungsdorne während des Reibschweißens überflüssig.
Wenn das Kunststoffrohr 46 axial in Eingriff mit dem Verbindungsvorrichtungskörper 48 gepresst wird, wird die Rohrleitung 46 starr befestigt und der Verbindungsvorrichtungs körper 48 ist zur Rotation relativ zu dieser in einer geeigneten Presse angebracht. Sobald eine geeignete Geschwindigkeitsdifferenz hergestellt ist, werden die Rohrleitung 46 und der Verbindungsvorrichtungskörper 48 axial zusammengepresst, wie durch einen Pfeil 98 dargestellt. Wenn die Vorderkante 96 der Rohrleitung 46 mit dem konischen Abschnitt 86 in Kontakt kommt, neigt er dazu, das Kunststoffrohr 46 trichterförmig zu erweitern, während es sich relativ zu dem Verbindungsvorrichtungskörper 48 axial aus der in 5 gezeigten Ausrichtung und Konfiguration in die in 6 gezeigte bewegt. Wenn die Vorderkante 96 der Rohrleitung 46 mit dem Basisabschnitt 84 des Verbindungsvorrichtungskörpers 48 in Kontakt kommt, ist die gesamte axiale Verschiebung und Drehbewegung beendet. Während des Reibschweißprozesses greift die äußere Oberfläche 100 der Außenschicht 94 reibend in den konischen Abschnitt 88 des äußeren Flansches 78 ein, sodass deren Oberflächen geschmolzen werden, um eine äußere Schweißzone 104 zu bilden. Gleichermaßen greift die innere Oberfläche 102 der Innenschicht 90 reibend in die konischen Abschnitte 82 und 86 des inneren Flansches 76 ein, um deren entsprechende Abschnitte zu schmelzen und eine innere Schweißzone 106 zu schaffen. Die jeweiligen Materialien vermischen sich miteinander und härten rasch wieder aus, um durchgehende konzentrische Schweißungen in den Zonen 104 und 106 zu bilden, wobei sie den Zwischenabschnitt der Vorderkante 96, der radial zwischen den Schweißzonen 104 und 106 liegt, hermetisch abdichten. Dies stellt sicher, dass die in dem Host-System transportierten Fluide sowie äußere atmosphärische Verunreinigungen nicht mit der Verbindungsschicht oder Zwischenschicht 92 des Kunststoffrohrs 46 in Kontakt kommen.
Der radial äußerste Bereich der Führungsnase 80 ist abgefast oder radial innerhalb der inneren Oberfläche 102 des Kunststoffrohrs 46 positioniert, um eine Sperre 108 zu bilden, in die gegebenenfalls überschüssiges Material bzw. Schweißüberstand 110 während des Reibschweißprozesses fließt. Die Sperre 108 ist so dimensioniert, dass der gesamte Schweißüberstand 110 darin enthalten ist, und verhindert, dass sich übermäßiger Schweißüberstand radial nach innen in die Bohrung 50 erstreckt und den Durchfluss des Fluids behindert. Entsprechend ist der radial innerste Abschnitt der Führungsnase 112 des äußeren Flansches 78 abgefast oder radial außerhalb der äußeren Oberfläche 100 der Außenschicht 94 des Kunststoffrohrs 46 angeordnet, um eine zweite Sperre 114 zum Aufnehmen von Schweißüberstand 116 zu schaffen, der während des Reibschweißprozesses entsteht, wenn Oberflächenmaterial von der Außenschicht 94 und der konischen Oberflä che 88 kurzzeitig in einem geschmolzenen Zustand ist. Die Schweißüberstandssperre 114 ist hauptsächlich aus kosmetischen Gründen vorgesehen, um zu verhindern, dass Schweißüberstand 116 von außen sichtbar ist. Nasen 80 und 112 können auch als konzentrische Schürzen gebildet werden, die axial von den Flanschen 76 und 78 ausgehen.
Die verschiedenen Steuerungsparameter für das Reibschweißen sind allgemein bekannt, wenn auch von anderen Anwendungen. Der Kürze halber werden sie hier nicht wiederholt und es wird auf die US-Patente 2,933,428 für Mueller, 3,980,248 für Minoshima und 5,152,855 für Jansman et al. Bezug genommen.
Die Anmelderin hält es für wesentlich, in der Kunststoffleitung und dem Verbindungsvorrichtungskörper Materialien zu verwenden, die kompatibel sind, insbesondere hinsichtlich der Schmelztemperatur, die sich vorhersagbar verhält, während sie sich aus dem während des Reibschweißprozesses geschaffenen geschmolzenen Zustand verfestigen. Dies erzeugt eine Schweißung mit optimierter Strukturintegrität, stellt aber auch sicher, dass ein geeigneter elektrischer Leitungsweg zwischen dem Kunststoffrohr und dem Verbindungsvorrichtungskörper hergestellt wird, wie durch einen Pfeil 118 dargestellt, wodurch die statische Ladung von der Rohrleitung durch den Verbindungsvorrichtungskörper frei auf das Stahlrohr 14 übergehen kann. Nach dem Verbinden mit Erdpotenzial leitet das hier beschriebene System alle statische Aufladungen, die als Folge des Fluidflusses durch das Kunststoffrohr 46 erzeugt werden, ab.
Bis heute hatte die Anmelderin nur eingeschränkte empirische Daten gesammelt, die nahelegen, dass die optimalen Steuerungsparameter, wie z. B. Pressgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Druck, Beschleunigungs-, Auslauf- und Bremszyklen in hohem Maß von den verwendeten Materialien, den Abmessungen der Verbinderanordnung und der passenden Rohrleitung abhängig sind. Die Optimierung des Reibschweißprozesses für eine gegebene Konstruktion wird jedoch in Anbetracht der umfangreichen allgemeinen Literatur zu diesem Gegenstand nicht als übermäßig aufwändig betrachtet.
Eine genaue Betrachtung der Unterschiede zwischen der Schnellverbinderanordnung 10 nach dem Stand der Technik aus 1 und der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 2 zeigt einen weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung auf. Um eine angemessene Auseinanderziehfestigkeit sicherzustellen, benötigten herkömmliche Verbinder der Bauart mit gezacktem Nippel einen recht langen Schaft 26, dessen axiale Länge das Drei- bis Vierfache des Innendurchmessers der dazu passenden einwandigen Kunststoffrohrleitung 16 betrug. Im Fall der vorliegenden Erfindung sind die zwischen den Flanschen 76 und 78 erzeugten Schweißungen fest genug, dass ihre axiale Länge auf eine Abmessung reduziert werden kann, die kleiner als der Innendurchmesser der dazu passenden Kunststoffleitung 46 ist. Die resultierende Verminderung der Gesamtgröße bietet wesentliche Verpackungsvorteile für den Endbenutzer.
Ferner legen empirische Daten nahe, dass nur eine Schweißung erforderlich ist, um eine angemessene Auseinanderziehfestigkeit zu schaffen. Tatsächlich haben Tests gezeigt, dass sie die Nennzugfestigkeit der Rohrleitung selbst übersteigen kann. Demgemäß muss im weitesten Sinne nur ein Flansch (76 oder 78) tatsächlich mit seiner zugehörigen Leitungsschicht (90 oder 94) verschweißt werden und das verbleibende (nicht verschweißte) Paar muss nur in abdichtendem Eingriff liegen, um die Verbindungsschicht 92 zu isolieren. Beispielsweise muss nur die innere Schweißzone 106 zwischen der inneren Oberfläche 102 der Innenschicht 90 und dem konischen Abschnitt (Oberfläche) 82 des inneren Flansches 76 geschaffen werden, während die äußere Oberfläche 100 der Außenschicht 94 nur in abdichtendem Eingriff mit der benachbarten Oberfläche 88 des äußeren Flansches 78 liegen muss. Dies erlaubt es, die Dimensionen des äußeren Flansches zu minimieren. Definitionsgemäß schließen die "Umfangsflächen" der Rohrleitung die äußere Oberfläche 100 und die Stirnfläche 101 der Außenschicht 94 und die innere Oberfläche 102 und die Stirnfläche 103 der Innenschicht 90 der Rohrleitung 46 ein.
In 7 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Anwendung dargestellt, bei der ein Endstück 122 einer Mehrlagen-Kunststoffleitung eine Innenschicht 124 bzw. eine Außenschicht 126 hat, die aus nicht leitfähigem Material geformt sind, sowie eine Zwischenschicht 128, die aus leitfähigem Material aufgebaut ist. Um einen innigen Kontakt zwischen der leitfähigen Schicht 128 und einem Verbindungsvorrichtungskörper 130 sicherzustellen, ist eine ringförmige Rippe 132 innerhalb des Basisabschnitts 134 des Verbindungsvorrichtungskörpers 130 zwischen dem inneren und dem äußeren Flansch 136 bzw. 138 einstückig geformt und so positioniert und dimensioniert, dass die Ausrichtung mit der Zwischenschicht 128 während des Reibschweißprozes ses sichergestellt ist. Die ringförmige Rippe 132 kommt mit der Vorderkante 140 der Kunststoffleitung 122 während einer axialen Relativbewegung zwischen diesen während des Reibschweißens in Kontakt und erzeugt eine lokalisierte dritte oder Zwischenschweißzone 142, die die elektrische Leitfähigkeit zwischen diesen, wie durch einen Pfeil 143 dargestellt, sicherstellt. Die innere und die äußere Schweißzone 144 und 146 werden während des Reibschweißprozesses gemäß der Darstellung in 7 im wesentlichen in der gleichen Weise wie unter Bezug auf 5 und 6 beschrieben geschaffen.
Es versteht sich, dass die Erfindung unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und Variationen beschrieben wurde, um die zuvor beschriebenen Merkmale und Vorteile zu schaffen, und dass die Ausführungsformen Modifikationen unterliegen können, wie für den Durchschnittsfachmann deutlich ist. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf Verbundrohrleitungsstrukturen angewandt werden, wie z. B. solche, die Schichten aus Metall oder nicht aus Kunststoff enthalten, wie etwa in den US-Patenten 5,590,691 und 5,339,867 beschrieben. Demgemäß sind die vorstehenden Ausführungen nicht in einschränkendem Sinn auszulegen.
Die Erfindung wurde in erläuternder Weise beschrieben, und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie einen beschreibenden und nicht einen einschränkenden Wortlaut darstellen soll.

Claims

Kombination einer Fluidverbindungsvorrichtung (42) zur reibungsgeschweißten Verbindung mit einem Rohr (46), das eine allgemein planare Stirnfläche hat, welche Verbindungsvorrichtung einen Körper (48) enthält, der einen Durchgang bildet, welcher eine erste Öffnung (52), die zum Aufnehmen einer passenden Leitung (44) ausgelegt ist, und eine zweite Öffnung (54), die zum Aufnehmen des Rohres ausgelegt ist, verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (54) radial entgegengesetzte Oberflächen (82, 88) zur Schweißverbindung mit der äußeren und der inneren Umfangsfläche (100, 102) des Rohres bildet, wobei die radial entgegengesetzten Oberflächen (82, 88) in Umfangsichtung vollständig um die zweite Öffnung (54) verlaufen und axial konvergieren, wobei mindestens eine der radial entgegengesetzten Oberflächen eine zweifach konische Form hat, wobei ein Abschnitt der einen radial entgegengesetzten Oberfläche (86) in einem größeren Winkel zu einer Längsachse der zweiten Öffnung angeordnet ist als ein Winkel eines zweiten Abschnitts (82) der einen radial entgegengesetzten Oberfläche.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher der Körper (48) aus elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial geformt ist.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die radial entgegengesetzten Oberflächen (82, 88) um die Öffnung (54) konzentrisch angeordnet sind.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher die Fluidverbindungsvorrichtung ferner eine Rückhalteeinrichtung (60) enthält, die so arbeitet, dass sie eine an der dazu passenden Leitung (44) gebildete Anlegefläche lösbar in Eingriff hält.
Kombination nach Anspruch 1, bei welcher die radial entgegengesetzten Oberflächen (82, 88) durch einen äußeren und einen inneren konzentrischen Flansch (78, 76) gebildet sind, die von dem Körper (48) axial verlaufen.
Kombination nach Anspruch 5, ferner enthaltend eine äußere und eine innere konzentrische Struktur (80, 112), die von dem äußeren bzw. dem inneren konzentrischen Flansch axial nach außen verläuft und in Zusammenwirkung mit der äußeren und der inneren Umfangsfläche des Rohres Schweißüberstandsperren (108, 114) bilden.
Kombination nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner enthaltend: die entgegengesetzten Oberflächen, die einen von dem Körper ausgehenden und um die zweite Öffnung konzentrisch angeordneten inneren und äußeren Flansch (76, 78) enthalten, welcher innere Flansch (76) eine nach außen weisende Schweißoberfläche (82) bildet und welcher äußere Flansch eine nach innen weisende Schweißoberfläche (88) bildet, wobei ein Abschnitt der einen radial entgegengesetzten Oberfläche in einem größeren Winkel zu einer Längsachse der zweiten Öffnung angeordnet ist als der Winkel eines zweiten Abschnitts der einen radial entgegengesetzten Oberfläche; und das Rohr, das eine Endform hat, die eine äußere Umfangsfläche, die mit der nach innen weisenden Schweißoberfläche reibverschweißt ist, und eine innere Umfangsfläche, die mit der nach außen weisenden Schweißoberfläche reibungsverschweißt ist, enthält.
Kombination nach Anspruch 7, bei welcher das Rohr mindestens eine diskrete innere und äußere Schicht (90, 94) enthält.
Kombination nach Anspruch 8, bei welcher das Rohr mindestens eine Zwischenschicht (92) enthält.
Kombination nach Anspruch 9, bei welcher die Zwischenschicht (92) von dem Fluid innerhalb der Kupplung durch eine erste Schweißung (108, 106), welche die innere Schicht (90) mit dem inneren Flansch (76) verbindet, hinsichtlich der Umgebung isoliert ist, und gegen atmosphärische Verschmutzungen durch eine zweite Schweißung (114, 104), welche die äußere Schicht (94) mit dem äußeren Flansch (78) verbindet.
Kombination nach Anspruch 10, bei welcher mindestens eine der Schweißungen einen elektrisch leitfähigen Pfad (118) zwischen dem Rohr und dem Körper der Verbindungsvorrichtung bewirkt.
Kombination nach Anspruch 7, bei welcher die Kupplung ferner eine Einrichtung enthält, die die Herstellung eines elektrisch leitfähigen Pfades zwischen dem Körper der Verbindungsvorrichtung und einem Rohrelement bewirkt.
Kombination nach Anspruch 8, bei welcher die Flansche des Verbindungsvorrichtungskörpers und die innere und die äußere Schicht der Rohrleitung aus Kunststoffmaterial gebildet sind.
Kombination nach Anspruch 8, bei welcher der Verbindungsstückkörper und mindestens eine der Schichten der Rohrleitung elektrisch leitfähig sind.
Kombination nach Anspruch 7, bei welcher der Verbindungsstückkörper und mindestens ein Abschnitt der Endform der Rohrleitung aus einem schweißtechnisch kompatiblen Material gebildet sind.
Kombination nach Anspruch 15, bei welcher die Materialien ähnliche Schmelztemperaturen haben.