DE102012111136A1

DE102012111136A1 - Verfahren zum Herstellen eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers

Info

Publication number: DE102012111136A1
Application number: DE201210111136
Authority: DE
Inventors: Reinhold Ficht; Evangelos Adamidis; Tobias Steinbeißer
Original assignee: BERTWIN R GEIST IMMOBILIEN & ERNEUERBARE EN E K; BERTWIN R GEIST IMMOBILIEN and ERNEUERBARE ENERGIEN EK
Current assignee: BERTWIN R GEIST IMMOBILIEN & ERNEUERBARE EN E K; BERTWIN R GEIST IMMOBILIEN and ERNEUERBARE ENERGIEN EK
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) durch Fügen von zumindest zwei Teilkörpern (3, 4), die in gefügtem Zustand den Hohlkörper (1) bilden, der das Medium (2) in bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers (1) in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand enthält, wobei die zumindest zwei Teilkörper (3, 4) stoffschlüssig gefügt werden, wobei in zumindest einen Teilhohlraum (5, 6) zumindest eines Teilkörpers (3, 4) vor dem Durchführen des stoffschlüssigen Fügens das Medium (2) in teilfestem oder festem Zustand eingesetzt wird und wobei danach das stoffschlüssige Fügen durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers sowie eine Kolbenstange.
Hohlkörper, die für ein vorbestimmtes, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers sich in dessen hohlen Innenbereich angeordnetes Medium druckdicht sind, können für verschiedene Einsatzzwecke vorgesehen werden. Ein möglicher Einsatzzweck ist die Verwendung des Hohlkörpers als Wärmerohr. Bei dieser Anwendung wird das Medium aufgrund einer Bewegung des Wärmerohres zwischen einem heißen Ende und einem kalten Ende des Wärmerohrs hin und her bewegt, wobei es jeweils an der heißen Seite Wärme aufnimmt und diese an dem kälteren Ende abgibt. Auf diese Weise ist eine Wärmeabfuhr von dem heißen Ende möglich.
Diese Anwendung ist beispielsweise aus der DE 44 05 091 A1 bekannt. Dort wird ein als Wärmerohr ausgebildeter Hohlkörper als Kolbenstange eines Kurbelschlaufmotors eingesetzt. Dabei verbindet die Kolbenstange den Kolben mit der Kurbelschlaufe. Die sich in der Kolbenstange befindliche Flüssigkeit, die z.B. Wasser sein kann, nimmt am kolbenseitigen Ende der Kolbenstange Wärme auf, verdampft dabei und wird dann durch die Bewegung der Kurbelschlaufe und damit der Kolbenstange in Richtung der Kurbelschlaufe bewegt. Dieses Ende der Kolbenstange ist kühler oder kann sogar gekühlt werden, damit die Flüssigkeit dort kondensiert und somit Wärme abgibt. Die Kolbenstange ist einteilig mit der Kurbelschlaufe verbunden. Der Kolben wird auf einen in das offene Ende der Kolbenstange eingesetzten Stopfen aufgeschraubt, nachdem die Flüssigkeit in die Kolbenstange eingebracht wurde. Eine derartige Schraubverbindung kann jedoch bei der hohen Belastung, die in einem Kurbelschlaufmotor auftritt, undicht werden. Dies wird noch dadurch begünstigt, dass durch die schnellen Hin- und Herbewegungen entsprechende Schwingungen auftreten, wodurch die Schraubverbindung nach und nach gelöst werden kann und gegebenenfalls in bestimmten Zeitabständen nachgezogen werden muss. Auch der Stopfenverschluss an sich kann durch die Schwingungen und die damit verbundene Abnutzung undicht werden.
Ein weiterer Anwendungsfall für einen für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers ist die Verwendung als Ventil für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine. Ein solches Ventil ist aus der DE 2 324 850 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird der Ventilschaft mit dem Ventiltellerteil gasdicht verschweißt. Anschließend wird eine Wärmeleitflüssigkeit, insbesondere Natrium, in flüssigem Zustand in einen Innenhohlraum des Ventilschafts eingefüllt. Hiernach muss die Wärmeleitflüssigkeit abgekühlt werden, damit diese den festen Aggregatzustand einnimmt. Nach einer aufwendigen Reinigung wird das Ventilsabschlussstück endseitig in den Innenhohlraum des Ventilschafts eingesteckt und anschließend mittels Elektronenstrahlschweißen an den Ventilschaft befestigt. Das beschriebene Verfahren ist sehr aufwendig, da viele Verfahrensschritte notwendig sind und während der Herstellung eine mehrfache Erhitzung mit anschließender gezielter Abkühlung notwendig ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein auf einfache Weise durchführbares Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers bereit zu stellen, bei dem ein Entweichen des Mediums aus dem Hohlraum des Hohlkörpers während der Herstellung verhindert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers wirtschaftlicher und in der Durchführung einfacher zu gestalten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers bereit zu stellen, bei dem auch leicht flüchtige und insbesondere nichtmetallische Medien als vorbestimmtes Medium zum Einsatz kommen können.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers gemäß Anspruch 2 gelöst.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Kolbenstange mit einem für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörper bereitzustellen, der auf einfache Weise herzustellen ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Kolbenstange mit einem für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörper bereitzustellen, bei dem eine ausreichende Menge an Medium in dem Hohlkörper vorhanden ist.
Diese Aufgaben werden durch eine Kolbenstange gemäß Anspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Bei einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium druckdichten Hohlkörpers werden zumindest zwei Teilkörper gefügt. Die zumindest zwei Teilkörper bilden in gefügtem Zustand den Hohlkörper, der das Medium bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand enthält. Dadurch wird beispielsweise die Verwendung als Wärmerohr ermöglicht, bei der das Medium an einem heißen Ende verdampft wird und an einem kühleren Ende kondensiert. Die zumindest zwei Teilkörper werden dabei stoffschlüssig gefügt. Vor dem stoffschlüssigen Fügen wird dabei in zumindest einen Teilhohlraum zumindest eines der Teilkörper das Medium in teilfestem oder festem Zustand eingesetzt. Anschließend wird das stoffschlüssige Fügen durchgeführt. Auf diese Weise wird sicher gestellt, dass beim Durchführen des stoffschlüssigen Fügens das Medium nicht aus dem Teilhohlraum entweichen kann und insbesondere auch nicht in die stoffschlüssige Fügeverbindung eindringen und diese verunreinigen kann. Durch eine derartige Verunreinigung könnte die Verbindung beispielsweise verspröden oder gar versagen.
Dabei ist nicht zwingend erforderlich, dass das Medium vollständig in festem Aggregatzustand vorliegt, wobei dies bevorzugt wird. Das Medium kann beispielsweise auch als Gel vorliegen. Entscheidend ist, dass das Medium in dem eingesetzten Zustand eine ausreichende Steifigkeit oder Trägheit besitzt, die ein Entweichen während des Fügeschrittes verhindert. Erfindungsgemäß wird insbesondere auch dann das Entweichen verhindert, wenn beispielsweise im Fall einer Kolbenstange zwei im Wesentlichen hohlzylindrische Teilkörper, die jeweils an einem Ende verschlossen sind, durch das erfindungsgemäße Verfahren gefügt werden, wobei diese Teilkörper sich in einer horizontalen Lage befinden. Würde das Medium in diesem Fall in flüssigem Zustand oder in gasförmigem Zustand in die Teilkörper eingebracht, so wäre ein Entweichen leicht möglich. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert.
Bei einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein einziger Körper stoffschlüssig verschlossen. Dieser Körper bildet dabei den für das vorbestimmte Medium druckdichten Hohlkörper. Auch dieser Hohlkörper enthält das Medium bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand. Vor dem stoffschlüssigen Verschließen des Körpers wird das Medium auch bei dieser Alternative in teilfestem oder festem Zustand eingesetzt. Erst danach wird der Körper stoffschlüssig verschlossen. Die dadurch erreichten Vorteile entsprechen denen der ersten Alternative. Auch bei dieser Alternative wird ein Entweichen des Mediums während der Herstellung wirksam verhindert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Teilkörper gemäß der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig gefügt bzw. im Falle der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Körper unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig verschlossen. Unter dem Begriff Wärmeeinwirkung sind dabei sowohl Verfahren zu verstehen, bei denen von einer Wärmequelle Wärme aktiv in die Teilkörper oder den Körper eingebracht wird, als auch Verfahren, bei denen die Wärme während der Durchführung des Verfahrens und insbesondere in den zu fügenden oder dem zu verschließenden Körper entsteht, wie das beispielsweise bei einem Reibschweißverfahren der Fall ist. Das Fügen oder Verschließen unter Wärmeeinwirkung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da auf diese Weise ein einfaches und prozesssicheres druckdichtes Verschließen des Hohlkörpers möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Falle der ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens die Teilkörper mittels Verformung und/oder Materialzugabe stoffschlüssig gefügt bzw. im Falle der zweiten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens der Körper mittels Verformung und/oder Materialzugabe stoffschlüssig verschlossen. Auf diese Weise ist ein sicheres und wirtschaftliches Fügen oder Verschließen des Hohlkörpers möglich. Beispielsweise könnte ein an nur einem Ende offener rohrartiger Körper, nachdem das Medium eingebracht wurde, an dem offenen Ende so verformt werden, dass dieses Ende stoffschlüssig verschlossen wird. Auf diese Weise wäre durch nur einen einfachen Verfahrensschritt ein druckdichter Hohlkörper erzeugt worden. Das Medium wird bei dieser Alternative vor dem Verformungsschritt in festem oder flüssigem Zustand in den Hohlraum des Körpers eingesetzt.
Im Falle einer Reibverschweißung der zwei Teilkörper miteinander würde der Hohlkörper sogar unter Wärmeeinwirkung und durch Verformung hergestellt. Das Reibschweißverfahren wird besonders bevorzugt, wobei grundsätzlich ein Schweißverfahren für das stoffschlüssige Fügen oder Verschließen als vorteilhaft anzusehen ist. Ein ebenfalls bevorzugtes Verfahren ist das Rührreibschweißen, da auch bei diesem Verfahren eine sichere Verbindung im Sinne einer stoffschlüssigen Fügung oder Verschließung möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Medium, welches bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Hohlkörpers in diesem angeordnet ist, Wasser und/oder Diphyl und oder Perchlorethylen und/oder Trichlorethylen. Dabei kann das Medium entweder aus einem dieser Stoffe oder aus einer Mischung dieser Stoffe bestehen. Diese Stoffe haben sich erfindungsgemäß als für einen Wärmetransfer von einem Ende eines Wärmerohrs zu einem anderen Ende des Wärmerohrs wirksame Medien erwiesen. Wird Wasser verwendet, so wird dieses bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise in festem Aggregatzustand, d.h. in Form von Eis in den Hohlraum bzw. einen Teilhohlraum eingebracht.
Erstaunlicherweise hat sich herausgestellt, dass selbst bei einem stoffschlüssigen Fügen oder Verschließen des Hohlkörpers unter Wärmeeinwirkung, beispielsweise bei einem Schweißverfahren, ein Eisvolumen trotz der Wärmeinwirkung so langsam schmilzt, dass ein Entweichen von Wasser oder Wasserdampf während des Verfahrens vermieden wird. Da ein Reibschweißverfahren nur eine geringe Zeit zur Durchführung benötigt, hat sich ein solches Verfahren als besonders vorteilhaft herausgestellt, da bei diesem Verfahren das Medium nicht genug Zeit hat, um zu schmelzen oder zu verdampfen, so dass ein Entweichen des Mediums wirksam verhindert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Medium zusammen mit einer das Medium aufnehmenden Aufnahmeeinrichtung in zumindest einen Teilhohlraum oder in den Hohlraum eingesetzt. Diese Aufnahmeeinrichtung dient insbesondere dazu, das Medium an einen vorbestimmten Ort in dem Hohlraum bzw. Teilhohlraum zu transportieren und anschließend vorteilhafter Weise auch zumindest für eine bestimmte Zeit dort zu halten, d. h. örtlich festzulegen. Durch diesen zusätzlichen Halt wird zusätzlich sichergestellt, dass das Medium während der Herstellung nicht in den Bereich vordringt, in dem die Fügeverbindung oder die Verschließung vorgenommen wird.
Die Aufnahmeeinrichtung weist dabei vorteilhafter Weise eine hülsenartige, kugelige oder rotationselliptische Raumform auf. Zusätzlich oder alternativ ist die Aufnahmeeinrichtung vorteilhafter Weise gitter- und/oder netzartig ausgebildet. Diese Ausgestaltung sorgt dafür, dass das Medium in teilfestem oder festem Zustand von der Aufnahmeeinrichtung gehalten wird, in flüssigem oder gasförmigem Zustand jedoch nicht oder kaum mehr von der Aufnahmeinrichtung gehalten wird, so dass beispielsweise bei einer Anwendung als Wärmerohr ein freies Fließen des Mediums möglich ist.
Um zusätzlich sicherzustellen, dass die Aufnahmeeinrichtung und das darin angeordnete Medium nicht in den Bereich des stoffschlüssigen Verschließens oder Fügens gelangt, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtung federnd vorgespannt, insbesondere in einer Radialrichtung vorgespannt, eingesetzt wird. Ist der Körper oder ein Teilkörper als rohrartiges Bauteil ausgebildet, so ist die Aufnahmeeinrichtung vorteilhafter Weise in Radialrichtung vorgespannt, so dass diese in den Hohlraum oder Teilhohlraum eingesetzt werden kann und dann durch die wirkende Kraft einen gewissen Halt an der Innenwandung des Körpers oder des Teilkörpers besitzt. Das Verlagern der Aufnahmeinrichtung im Hohlraum oder Teilhohlraum wird dadurch erschwert, wodurch sichergestellt wird, dass das Medium nicht in den Bereich der stoffschlüssigen Verbindung oder stoffschlüssigen Fügung gelangt.
Die erfindungsgemäße Kolbenstange weist einen druckdichten Hohlkörper mit einem hohlraumbildenden Teilkörper oder einem einen Hohlraum aufweisenden Körper auf. Der Hohlkörper ist stoffschlüssig verschlossen, wobei auch ein aus zwei oder mehreren Teilkörpern gefügter Hohlkörper als verschlossen gilt. Der Hohlraum des Hohlkörpers enthält ein Medium, dass bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers flüssig und/oder gasförmig ist.
Anders als bei bekannten Kolbenstangen besteht bei der erfindungsgemäßen Kolbenstange nicht die Gefahr, dass sich der Kolben durch Rüttelbewegungen von der Kolbenstange löst. Darüber hinaus ist die Dichtigkeit der erfindungsgemäßen Kolbenstange deutlich besser als bei herkömmlichen Kolbenstangen, die ein Medium in einem Hohlraum aufweisen. Die erfindungsgemäße Kolbenstange lässt sich vorteilhafter Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der obigen Ausführungen herstellen. Dadurch wird eine wirtschaftliche Herstellung von Kolbenstangen mit einem druckdichten Hohlkörper, in dem sich ein Medium befindet, möglich.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenstange weist der Hohlraum in zumindest einem Endbereich eine Rückhalteeinrichtung für das Medium und/oder eine das Medium aufnehmende Aufnahmeeinrichtung auf. Diese Rückhalteeinrichtung bewirkt, dass bei der Herstellung der Kolbenstange das Medium bzw. die Aufnahmeeinrichtung in dem Endbereich verbleibt und somit nicht in die Nähe des Bereiches gelangt, in dem die stoffschlüssige Fügung bzw. das stoffschlüssige Verschließen vorgenommen wird. Eine solche Rückhalteeinrichtung kann auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Hohlraum oder einen Teilhohlraum, insbesondere in einem jeweiligen Endbereich des Hohlraums oder des Teilhohlraums, vorgesehen werden.
Vorteilhafter Weise ist die Rückhalteeinrichtung als erweiterter Bereich des Hohlraums oder eines Teilhohlraums ausgebildet und weist weiter vorteilhaft Haltemittel, z.B. in Form einer Halteschulter, eines Haltekragens oder eines Haltekonus auf. Diese Elemente verstärken den Rückhalteeffekt der Rückhalteeinrichtung, wodurch zusätzlich sichergestellt wird, dass das Medium während der Herstellung in dem Endbereich verbleibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenstange weist die Rückhalteeinrichtung einen aufgerauten Oberflächenbereich auf. Dadurch entsteht ein größerer Widerstand für das Medium oder die Aufnahmeeinrichtung hinsichtlich einer Bewegung aus dem Endbereich weg, was wiederum eine solche Bewegung verhindert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenstange weist der Hohlraum in zumindest einen Endbereich eine Rippen- und/oder Lamellenstruktur auf. Diese Struktur kann beispielsweise in Form eines Gewindes oder in Form von Längsrillen oder Längsstegen vorliegen. Diese Rippen- oder Lamellenstruktur kann einerseits ebenfalls eine Bewegung des Mediums oder der Aufnahmeeinrichtung aus dem Endbereich weg verhindern oder verzögern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Rippen- oder Lamellenstruktur ist jedoch, dass ein verbesserter Wärmeübertrag zwischen dem Medium und dem Hohlkörper ermöglicht wird, da durch die Rippen- oder Lamellenstruktur ein größerer Oberflächenbereich des Hohlkörpers, der mit dem Medium im Kontakt stehen kann, zur Verfügung steht. Dies gilt sowohl für die Übertragung von Wärme an einem Ende auf das Medium als auch von Wärme von dem Medium auf ein anderes Ende der Kolbenstange.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung der erfindungsgemäßen Kurbelstange in einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelschlaufenmotor, insbesondere zur Ausbildung von Kolbenstangen einer Kurbelschlaufe erwiesen. Durch die erfindungsgemäße Kolbenstange ist bei diesen Anwendungen eine Wärmeabführung von dem Kolben möglich und die Kolbenstange ist gegenüber bekannten Kolbenstangen mit einer Wärmeabfuhrfunktion weniger verschleißanfällig und wartungsärmer.
Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren beispielhaft erläutert und dargestellt. Es zeigen dabei
1 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht eines Kurbelschlaufenmotors mit erfindungsgemäßen Kolbenstangen;
2 eine Detailansicht eines Verbunds einer Kurbelschlaufe, einer erfindungsgemäßen Kolbenstange und eines Kolbens;
3 die Einzelteile eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hohlkörpers in Form einer Kolbenstange zu Beginn des Verfahrens;
4 eine weitere Ausführungsform eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hohlkörpers zu Beginn des Verfahrens;
5 eine weitere Ausführungsform eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Hohlkörpers zu Beginn des Verfahrens;
6 eine Aufnahmeeinrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit darin eingesetztem Medium;
7 eine weitere Ausführungsform einer Aufnahmeeinrichtung für das Medium zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
8A, 8B die Herstellung eines Hohlkörpers gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die 1 zeigt einen Kurbelschlaufenmotor mit zwei Arbeitszylindern, in denen jeweils ein Kolben 14 läuft. Jeder der Kolben 14 ist durch eine erfindungsgemäße Kolbenstange 1 mit einer Kurbelschlaufe 13 des Kurbelschlaufenmotors verbunden.
In 1 befinden sich der untere Zylinder am oberen und der obere Zylinder am unteren Totpunkt des Kreisprozesses des Kurbelschlaufenmotors.
Beim Betrieb des Kurbelschlaufenmotors bewegen sich die Kolben 14 zusammen mit den Kolbenstangen 1 und der Kurbelschlaufe 13 hin und her, wodurch ein sich in einem jeweiligen Hohlraum 7 der Kolbenstangen 1 befindliches Medium 2 hin und her bewegt wird. Bei dieser Bewegung nimmt das Medium 2, welches hier Wasser ist, von dem Kolben 14 Wärme auf und verdampft dabei. Anschließend wird das Medium 2 durch die Bewegung des Verbunds der Kurbelschlaufe 13 mit den Kolbenstangen 1 und den Kolben 14 in Richtung der Kurbelschlaufe 13 bewegt und gibt dort Wärme an die Umgebung der Kurbelschlaufe 13 ab. Zur Verbesserung der Wärmeabführung kann die Kurbelschlaufe 13 z. B. durch ein Ölbad oder einen Ölstrahl gekühlt werden. In den beiden Zylindern verläuft dieser Prozess gegenläufig, d. h. während sich das Medium 2 in der einen Kolbenstange 1 an dem kolbenseitigen Ende der Kolbenstange 1 erwärmt, gibt das Medium 2 der anderen Kolbenstange 1 Wärme an die Umgebung der Kurbelschlaufe 13 ab.
Die 2 zeigt detaillierter den Aufbau des Verbunds aus Kurbelschlaufe 13, Kolbenstangen 1 und auf einer Seite auch eines Kolbens 14. Im Folgenden wird nur auf die untere Hälfte des gezeigten Verbunds eingegangen, da die obere Hälfte entsprechend aufgebaut ist. Die Kolbenstange 1 weist einen Hohlraum 7 auf, der sich über einen großen Teil der Kolbenstange 1 in eine Längsrichtung erstreckt. In dem Hohlraum 7 ist ein Medium 2, hier Wasser, angeordnet. Aufgrund der Betriebstemperaturen des Kurbelschlaufenmotors ist das Wasser bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Kolbenstange flüssig und/oder gasförmig. Insbesondere erwärmt sich das Medium 2 in einem Endbereich 8 der Kolbenstange 1 durch die von dem Kolben 14 ausgestrahlte bzw. die über die Kolbenstange 1 zugeleitete Wärme, so dass das Medium 2 in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht.
Durch die nachfolgende Bewegung des Verbunds aus Kurbelschlaufe 13, Kolbenstangen 1 und Kolben 14 wird das Medium 2 in den anderen Endbereich 9 der Kolbenstange 1 bewegt, wo das Medium 2 Wärme an den angrenzenden Bereich der Kolbenstange 1 sowie die Kurbelschlaufe 13 und den Umgebungsbereich abgibt. Im Anschluss daran bewegt sich der Verbund in die entgegengesetzte Richtung, wodurch das Medium 2 wieder in den Endbereich 8 bewegt wird und erneut Wärme aufnehmen kann.
In dem Endbereich 8 der Kolbenstange 1 ist die Wandung des Hohlraums 7 mit einem aufgerauten Oberflächenbereich 11 versehen. Dieser Oberflächenbereich 11 bewirkt bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kolbenstange 1 ein Zurückhalten des in teilfestem oder festem Zustand befindlichen Mediums 2, behindert jedoch den Fluss des Mediums 2 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nicht. Vielmehr verbessert der Oberflächenbereich 11 die Wärmeübertragung zwischen dem kolbenseitigen Ende der Kolbenstange 1 und dem sich in dem Endbereich 8 befindlichen Medium 2, da durch die Aufrauung eine größere Fläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht.
Die Kolbenstange 1 gemäß 2 wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt. Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens waren dabei zwei Teilkörper 3, 4 vorhanden, in denen jeweils ein Teilhohlraum 5, 6 vorhanden war. Diese Teilkörper 3, 4 sind in 3 dargestellt.
Der Teilkörper 3 weist dabei den Teilhohlraum 5 und den Endbereich 8 mit dem aufgerauten Oberflächenbereich 11 auf. In dem zweiten Teilkörper 4 sind der Teilhohlraum 6 und der Endbereich 9 vorgesehen. Der Teilkörper 4 ist einstückig mit der Kurbelschlaufe 13 hergestellt und besteht im Wesentlichen aus einem kurzen, rohrförmigen Körper, der an einem Ende durch eine Wandung der Kurbelschlaufe 13 verschlossen ist.
Die Verbindung von den zwei Teilkörpern 3, 4 wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren folgendermaßen durchgeführt:
Zunächst wird das Medium 2 in teilfestem oder festem Zustand, beispielsweise als Eiszäpfchen, in den Teilhohlraum 5 des Teilkörpers 3 eingesetzt. Anschließend wird der Teilkörper um seine Längsachse X in Rotation versetzt und aus der in 3 gezeigten Position auf den Teilkörper 4 zubewegt. Durch die bei der Berührung der Teilkörper 3, 4 entstehende Wärme und durch einen Pressdruck der Teilkörper 3, 4 gegeneinander werden die Teilkörper 3, 4 miteinander reibverschweißt. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Reibschweißung abgeschlossen ist, ist das Medium 2 noch nicht geschmolzen, so dass dieses während des gesamten Herstellungsprozesses in dem Endbereich 8 verblieben ist und daher nicht aus dem entstandenen Hohlraum 7 oder den Teilhohlräumen 5, 6 entweichen konnte.
Der Teilkörper 3 ist an seinem kolbenseitigen Ende mit einer Gewindebohrung versehen, an der der Kolben 14 befestigt werden kann. Während im Stand der Technik für die Verbindung der Kolbenstange mit dem Kolben ein Stopfen verwendet wurde, kann die erfindungsgemäße Kolbenstange direkt durch eine Schraubverbindung mit dem Kolben verbunden werden. Dadurch hält diese Verbindung deutlich länger als die aus dem Stand der Technik bekannte Verbindung. Durch die stoffschlüssige Verbindung der zwei Teilkörper 3, 4 ist der entstandene Hohlkörper 1 bzw. die Kolbenstange 1 druckdicht für das Medium 2, wodurch ein Entweichen des Mediums 2 aus dem Hohlraum 7 verhindert wird.
Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform zweier Teilkörper 3, 4 mit ihren Teilhohlräumen 5, 6. In dem Endbereich 8 des Teilkörpers 3 ist eine Rückhalteeinrichtung für das Medium vorgesehen, die als erweiterter Bereich des Hohlraums 7 ausgebildet ist. Wird das Medium 2 bei der erfindungsgemäßen Herstellung des druckdichten Hohlkörpers 1 in den Teilhohlraum 5 des Teilkörpers 3 eingesetzt, so kann das Medium 2 in dem erweiterten Bereich in dem Endbereich 8 zum Liegen kommen. Durch die als Haltekragen ausgebildeten Haltemittel 15 wird es dem Medium 2 erschwert, aus dem Endbereich 8 in einen vorderen Bereich des Teilkörpers 3 zu gelangen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei dem anschließenden Reibschweißverfahren das Medium 2 nicht aus dem Teilhohlraum 5 entweichen kann.
In der 5 ist eine weitere Ausführungsform der Teilkörper 3, 4 zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Teilkörper 4 weist dabei keinen Hohlraum auf. Somit wird der spätere Hohlraum 7 des Hohlkörpers 1 durch den Teilhohlraum 5 des Teilkörpers 3 gebildet. In dem Endbereich 8 des Teilhohlraums 5 ist eine Rippenstruktur an der Innenwandung des Teilkörpers 3 vorhanden, die durch ein sich dort befindliches Gewinde gebildet wird. Diese Rippenstruktur vergrößert die Oberfläche mit der das Medium 2 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers 1 mit dem Teilkörper 3 in Verbindung steht, was die Wärmeübertragung zwischen dem Medium 2 und dem Teilkörper 3 verbessert.
In der 6 ist eine Aufnahmeeinrichtung 12 für das Medium 2 dargestellt. Die Aufnahmeeinrichtung 12 ist gitterartig ausgebildet und weist eine hülsenartige Raumform mit einem Durchmesser D auf. Die Aufnahmeeinrichtung 12 ist in Radialrichtung vorgespannt, d.h. mit einer Kraft von außen in Richtung ihrer Längsachse beaufschlagt, so dass sich der Durchmesser D verkleinert. Wird die Aufnahmeeinrichtung 12 bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Hohlkörpers 1 in einen Teilhohlraum 6 oder Hohlraum 7 eingebracht, so wirkt die Vorspannung als Haltekraft der Aufnahmeeinrichtung 12 in den Teilhohlraum 5, 6 oder Hohlraum 7. Die Aufnahmeeinrichtung 12 hält somit das Medium 2 und legt dieses an einem Ort in den Teilhohlraum 6 oder Hohlraum 7 fest. Dadurch wird verhindert, dass sich das Medium 2 bei der Herstellung des druckdichten Hohlkörpers 1 in dem Bereich, der gefügt oder verschlossen wird, bewegt.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführung der Aufnahmeeinrichtung 12 für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Aufnahmeeinrichtung 12 weist dabei eine im Wesentlichen rotationselyptische Raumform auf und bildet eine Art Gitterkäfig um das Medium 2. Aus der Gitterstruktur stehen einzelne Ärmchen hervor, die ebenfalls eine Haltekraft in einem Teilhohlraum 5, 6 oder Hohlraum 7 bewirken, der die Aufnahmeeinrichtung 12 und somit das Medium 2 örtlich in dem Teilhohlraum 6 oder Hohlraum 7 festlegt.
Da das Medium 2 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers 1 in flüssigem oder gasförmigem Zustand vorliegt, behindert die Aufnahmeeinrichtung 12 die Bewegung des Mediums 2 von einem Endbereich 8 zum anderen Endbereich 9 bei bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht. Vorteilhafter Weise besteht die Aufnahmeeinrichtung 12 aus einem Material, welches bei den Temperaturen, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers 1 auftreten, nicht schmilzt. Schmelzendes Material könnte sich an die Innenwandung des Hohlkörpers 1 legen und somit den Wärmeübertrag auf das bzw. von dem Medium 2 behindern. Alternativ kann die Aufnahmeeinrichtung 12 aus einem Material gebildet sein, welches zwar bei dem Temperaturen, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers 1 auftreten, schmilzt, welches jedoch eine ausreichend große Wärmeleitfähigkeit besitzt, so dass der Wärmeübertrag zwischen dem Hohlkörper 1 und dem Medium 2 nicht behindert wird.
In den 8A und 8B ist eine Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines druckdichten Hohlkörpers 1 dargestellt. Die 8A zeigt dabei einen Körper 10, der im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und an einem Ende verschlossen ist. Der Körper 10 weist somit einen Hohlraum 7 auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Medium 2 in teilfestem oder festem Zustand in den Hohlraum 7 eingegeben. Anschließend wird der Körper 10 an dem offenen Ende stoffschlüssig verformt. Diese Verformung kann beispielsweise durch Erwärmen dieses Endes und anschließendes Verpressen erfolgen. Der durch diese Prozesse hergestellte Hohlkörper 1 weist somit einen Hohlraum 7 mit darin enthaltenem Medium 2 auf. Das Medium 2 kann nicht aus dem Hohlraum 7 entweichen, wodurch der Hohlkörper 1 druckdicht ist.
Bezugszeichenliste

1: Hohlkörper/Kolbenstange
2: Medium
3: Teilkörper
4: Teilkörper
5: Teilhohlraum
6: Teilhohlraum
7: Hohlraum
8: Endbereich
9: Endbereich
10: Körper
11: Oberflächenbereich
12: Aufnahmeeinrichtung
13: Kurbelschlaufe
14: Kolben
15: Haltemittel
X: Längsachse
D: Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4405091 A1 [0003]
DE 2324850 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) durch Fügen von zumindest zwei Teilkörpern (3, 4), die in gefügtem Zustand den Hohlkörper (1) bilden, der das Medium (2) in bestimmungsgemäßem Gebrauch des Hohlkörpers (1) in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand enthält, wobei die zumindest zwei Teilkörper (3, 4) stoffschlüssig gefügt werden, wobei in zumindest einen Teilhohlraum (5, 6) zumindest eines Teilkörpers (3, 4) vor dem Durchführen des stoffschlüssigen Fügens das Medium (2) in teilfestem oder festem Zustand eingesetzt wird und wobei danach das stoffschlüssige Fügen durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) durch Verschließen eines einzigen Körpers (10), der in verschlossenem Zustand den Hohlkörper (1) bildet, der das Medium (2) in bestimmungsgemäßem Gebrauch in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand enthält, wobei der Körper (10) stoffschlüssig verschlossen wird, wobei in einen Hohlraum (7) des Körpers (10) vor dem Durchführen des stoffschlüssigen Verschließens das Medium (2) in teilfestem oder festem Zustand eingesetzt wird und wobei danach das stoffschlüssige Verschließen durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (3, 4) unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig gefügt werden oder der Körper (10) unter Wärmeeinwirkung stoffschlüssig verschlossen wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10) mittels Verformung und/oder Materialzugabe stoffschlüssig verschlossen wird oder die Teilkörper (3, 4) mittels Verformung und/oder Materialzugabe stoffschlüssig gefügt werden.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Fügen oder Verschließen mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere Reibschweißen oder Rührreibschweißen, durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (2) Wasser und/oder Diphyl und/oder Perchlorethylen und/oder Trichlorethylen ist.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (2) zusammen mit einer das Medium (2) aufnehmenden Aufnahmeeinrichtung (12) eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (12) gitter- oder netzartig ausgebildet ist und/oder eine hülsenartige, kugelige oder rotationselliptische Raumform aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (12) federnd vorgespannt, insbesondere in einer Radialrichtung vorgespannt, eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines für ein vorbestimmtes Medium (2) druckdichten Hohlkörpers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (2) in festem Aggregatzustand eingesetzt wird.
Kolbenstange mit einem, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten, druckdichten Hohlkörper (1) mit einen Hohlraum (7) bildenden Teilkörpern (3, 4) oder einem einen Hohlraum (7) aufweisenden Körper (10), wobei der Hohlkörper (1) stoffschlüssig verschlossen ist und wobei der Hohlraum (7) ein Medium (2) enthält, das bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Hohlkörpers (1) flüssig und/oder gasförmig ist.
Kolbenstange gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) in zumindest einem Endbereich (8, 9) eine Rückhalteeinrichtung für das Medium (2) und/oder eine das Medium (2) aufnehmende Aufnahmeeinrichtung (12) aufweist.
Kolbenstange gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteeinrichtung als erweiterter Bereich des Hohlraums (7) ausgebildet ist und Haltemittel (15), z. B. eine Halteschulter, einen Haltekragen oder einen Haltekonus aufweist.
Kolbenstange gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteeinrichtung einen aufgerauten Oberflächenbereich (11) aufweist.
Kolbenstange gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) in zumindest einem Endbereich (8, 9) eine Rippen- oder Lamellenstruktur, z. B. in Form eines Gewindes oder in Form von Längsrillen oder Längsstegen aufweist.
Verwendung der Kolbenstange gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15 in einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelschlaufenmotor, insbesondere zur Ausbildung von Kolbenstangen einer Kurbelschlaufe.