Faltenbalg-Kompensator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Faltenbalg-Kompensator mit einem balgartig geformten Abschnitt, an den sich auf einer oder beiden Seiten ein Verbindungsteil anschließt.

Kompensatoren, die aus den unterschiedlichsten Materialien hergestellt sein können, finden auf sehr vielen technischen Gebieten Einsatz. Auf Gebieten mit hoher Temperatur-, Schwingungsund chemischer Belastung werden bevorzugt Metallkompensatoren eingesetzt, z. B. in Kraftwerken, in der petrochemischen Industrie, in Seewasserentsalzungsanlagen, Kühlwassersystemen in Schiffen, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie, z. B. bei der Herstellung von Adipinsäure, usw.

Dabei dienen die Kompensatoren dazu, in den installierten Leitungssystemen auftretende Spannungszustände abzubauen, insbesondere, wenn große Temperatur- oder Druckschwankungen in dem entsprechenden Leitungssystem auftreten.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Kompensator-Ausbildungen, wobei sich Faltenbalg- Kompensatoren dadurch auszeichnen, daß sie ziemlich große Relativbewegungen zwischen den Anlagenteilen zulassen.

Hochbelastete Faltenbalg-Kompensatoren werden derzeit aus einem speziellen hochwertigen Edelstahl gefertigt, was aber sehr teuer und mit sehr langen Lieferzeiten behaftet ist. Zudem ist bei gewissen Einsätzen die Länge der Standzeit nicht zufriedenstellend, so etwa bei der Herstellung von Adipinsäure, bei der sich bislang Standzeiten von nur etwa 3 bis vier Monaten ergeben.

Aus der FR 721 495 A ist ein Faltenbalg-Kompensator zur Anwendung bei hohen Drücken bekannt, dessen Wandung drei nebeneinander liegende flexible Schichten aufweist, die aus ineinander gedrückten dünnen Blechrohren bestehen. Damit soll ein verringerter Platzbedarf und die Durchführung ziemlich großer Relativbewegungen zwischen den Anlageteilen erreicht werden. Auch wenn bei diesem Faltenbalg-Kompensator z. B. die Möglichkeit besteht, bei Einsatz in der chemischen Industrie die innerste Wandlage als medienberührende Seite aus einem Material zu wählen, das dem chemischen Medium gegenüber günstigere Eigenschaften als die anderen Materialschichten aufweist, ist dies jedoch in Verbindung mit dem Einsatz bei modernen aggressiven Medien nicht mehr ausreichend und beschränkt daher die Verwendbarkeit eines solchen Faltenbalg-Kompensators hierfür ganz deutlich.

Der Faltenbalg-Kompensator, welcher in der DE 31 49 553 A1 beschrieben ist, weist ebenfalls einen mehrlagigen Wandaufbau auf, wobei zwischen der äußeren und der inneren Balglage mindestens eine aus einem dünnwandigen Blech ausgebildete Zwischenlage angeordnet wird. Die Balgborde sind mit den Balganschlußteilen bei Erfassung aller Balglagen dicht verschweißt. Ferner ist eine bis zur Zwischenlage reichende Bohrung für eine Leckanzeige vorgesehen, wobei die Bohrung in der Schweißnaht die Zwischenlage treffend vorgesehen ist. Damit soll die Möglichkeit erreicht werden, durch eine einfache Maßnahme eine Leckanzeige sowohl für außendruck-, als auch für innendruckbelastete Kompensatoren zu schaffen. Die hier geschilderten Maßnahmen führen nicht nur zu einem durchaus etwas kompliziertem Faltenbalg- Kompensator, sondern sind darüber hinaus auch nicht geeignet, bei einer hohen Belastung zu einer langen Standzeit oder zum Einsatz preisgünstigen Materials beizutragen, sondern dienen ausschließlich einer verbesserten Leckageanzeige.

Bei dem Kompensator aus der DE 10 2008 017 599 A1 sind wenigstens zwei Metallagen vorgesehen, zwischen denen wenigstens eine Zwischenlage in Form einer Diffusionsbarriere für das Innenlagenmaterial und/oder für das Außenlagenmaterial angebracht ist. Hierdurch wird verhindert, daß bei Auftreten hoher Temperaturen im Bereich von über 600°C es zu einem punktuellen Verschweißen von Innenlage und Außenlage des Balgs kommen kann. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Maßnahmen sollen insbesondere auch eine wirtschaftlich sinnvolle Herstellung von mehrlagigen Metallbälgen aus aushärtbarem Werkstoff ermöglichen. Dennoch gibt es mehrere Einsatzgebiete, bei denen die Länge der Standzeit dieses bekannten Faltenbalg-Kompensators nicht zufriedenstellt, etwa bei der Herstellung von Adipinsäure.

Aus dem DE 20 2006 004 536 U1 ist ein Faltenbalg-Kompensator bekannt, der in Verbindung mit aggressiven Medien eingesetzt werden soll. Bei ihm ist die medienberührende Seite mit einem aus mehrfach kreuzweise laminierten PTFE-Folien bestehenden Verbundmaterial ausgekleidet. Allerdings ist der Einsatzbereich solcher Faltenbalg-Kompensatoren wegen der PTFE-Verbundmaterial-Beschichtung relativ beschränkt und insbesondere bei tiefen Temperaturen wird auch das PTFE-Verbundmaterial spröde und bricht. Ein anderer Faltenbalg-Kompensator wird in der DE 10 2007 000 153 B3 zum Einsatz bei Druckmeßgeräten mit Kompensation des Temperatureinflusses zur Messung der Gasdichte empfohlen. Dieser bekannte Kompensator weist zwei koaxial zueinander liegende und voneinander beabstandete Anschlußelemente sowie einen sie verbindenden Faltenbalg auf, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Der Balg ist besonders dünnwandig ausgebildet, was in einem Vorgang erreicht wird, bei dem Metallmoleküle in der Endform des Balgs abgelagert werden, oder auch durch eine Verformung von dünnem Blech. Eine temperaturbedingte Änderung des Fluidvolumens innerhalb des Faltenbalges bewirkt eine Ausdehnung oder eine Kontraktion desselben in Längsrichtung, welche die gewünschte Kompensatorwirkung sicherstellt. Dieser bekannte Faltenbalg-Kompensator ist aber relativ kompliziert aufgebaut und auch nur für einen sehr beschränkten Einsatzbereich verwendbar.

Das DE 20 2009 015 214 U1 beschreibt einen Wellrohrkompensator zur Verwendung bei Installationen von Solarkollektoren, bei denen besonders große Temperaturschwankungen ausgeglichen werden müssen, wobei der Kompensator aus einem Wellrohrabschnitt, aus Befestigungsmitteln, die an diesem angeordnet sind, und aus an den Enden des Wellrohrabschnitts angeformten Dichtflächen besteht. Die Befestigungsmittel sind durch einen axial an den Wellrohrenden angeformten Flansch gehalten, der zugleich die Dichtflächen ausbildet und durch axiale Stauchung wenigstens eines endständigen Wellenberges ausgeformt ist. Dieser bekannte Kompensator kann zwar relativ große Längenunterschiede ausgleichen, ist aber ziemlich kompliziert aufgebaut und zum Einsatz bei aggressiven Medien nicht geeignet.

Der Faltenbalg-Kompensator aus dem DE 202 14 160 U1 für den Einsatz in der chemischen Industrie umfaßt einen Balg aus rostfreiem Stahl mit aufgeschweißten Endstücken in Form von Flanschen, Gewinden o. ä., wobei auf der Innen- und/oder Außenfläche des Faltenbalgs ein Überzug aus thermoplastischem Kunststoff angebracht ist. Zur Herstellung dieses Kompensators bedarf es jedoch wieder der Verwendung speziellen hochwertigen Edelstahls mit den schon weiter oben angegebenen Nachteilen. Auch sind thermoplastische Überzüge relativ teuer und z. B. PTFE ist bei tiefen Temperaturen spröde, was zu Materialbruch in der Beschichtung führen kann.

Ausgehend hiervon stellt die Erfindung darauf ab, einen Faltenbalg-Kompensator vorzuschlagen, der bei einem einfachen Aufbau und günstiger Herstellbarkeit eine besonders lange Standzeit aufweist und auch für hohe Belastung mit preisgünstigem Material sowie ohne die Notwendigkeit der Verwendung speziell hochwertigen Edelstahls herstellbar ist. Erfindungsgemäß wird dies mit einem Faltenbalg-Kompensator erreicht, der einen balgartig geformten Abschnitt aufweist, an den sich auf einer oder beiden Seiten (jeweils) ein rohrförmiges Verbindungsteil anschließt, und der ferner eine aus einer metallischen Kompositstruktur bestehende Wandung hat, die mindestens zwei unter Preßsitz aufeinander sitzende metallische Lagen umfaßt, zwischen denen jeweils Zwischenräume von 0, 15 bis 0,20 mm gebildet sind und auf der Oberfläche jeder metallischen Lage in den Zwischenräumen ebenso wie an der Wandungsinnen- und der Wandungsaußenseite jeweils eine Beschichtung mit einer unter Vakuum abgeschiedenen Schicht eines Niedertemperatur-Plasmas auf Kohlenstoffbasis mit einer Dicke im Bereich von 1 ,5 pm bis 4,9 pm ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Faltenbalg-Kompensator weist eine durchgehend den balgartig geformten Abschnitt wie auch das bzw. die rohrförmige(n) Verbindungsteil(e) ausbildende Wandung aus einer metallischen Kompositstruktur auf, die mindestens zwei unter Preßsitz aufeinander sitzende metallische Lagen umfaßt, wobei hier auch z. B. drei oder auch mehr als drei solche aufeinander jeweils unter Preßsitz sitzende metallische Lagen vorgesehen sein können.

Obgleich diese Lagen unter Preßsitz aufeinander sitzen, liegen zwischen zwei jeweils aufeinander folgenden metallischen Lagen dennoch gewisse sehr kleine Zwischenräume vor, ohne daß dabei der Preßsitz der aufeinander sitzenden Lagen entfällt. Diese Zwischenräume sollen erfindungsgemäß eine Größe von 0,15 mm bis 0,20 mm haben und es soll sowohl auf der äußeren Umfangsfläche, als auch auf der inneren Umfangsfläche des erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensators ebenso wie innerhalb dieser Zwischenräume zwischen den einzelnen metallischen Lagen auf den Oberflächen jeder Lage eine Beschichtung mit einer unter Vakuum abgeschiedenen Schicht eines Niedertemperatur-Plasmas auf Kohlestoffbasis mit einer Dicke im Bereich von 1 ,5 bis 4,9 pm (DLC-Dünnschicht) ausgebildet sein. Bei diesen DLC-Schichten („Diamond Like Caröon'-Schichten) handelt es sich um Beschichtungen, bei denen unter Vakuum Niedertemperatur-Plasma auf Kohlenstoffbasis zur Ausbildung der gewünschten Beschichtung abgeschieden wird. Solche Verfahren sind z. B. aus der DE 101 20 405 A1 , der DE 102 03 543 A1 , der DE 197 22 624 A1 und der DE 10 2005 032 890 A1 bekannt.

Die DLC-Dünnschichten auf Kohlenstoffbasis führen trotz ihrer sehr geringen Schichtdicke zu einer diamantähnlichen Oberfläche, wobei in ihnen der Kohlenstoff sowohl in planarer Form (Sp2) wie auch daneben in Diamantform mit tetraedrischen Bindungen zwischen den einzelnen Ionen (Sp3) vorliegt. Diese DLC-Schichten sind außerordentlich verschleißfest, haben Anti- Hafteigenschaften, sind hitzebeständig, dekorativ und zeigen hervorragende tribologische Eigenschaften. Sie sind chemisch inert, kratzfest, extrem hart, aber auch extrem dünn und sehr korrosionsbeständig. Ihr Reibwert (trocken gegen 100 Cr6) liegt im Bereich von 0,05 bis 0,15 (maximal) und sie sind bis zu Temperaturen von über 400°C hitzebeständig.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensators erfolgt dabei in der Form, daß zunächst die verschiedenen metallischen Lagen unter Preßsitz aufeinander angebracht werden und dabei der Preßsitz so gewählt wird, daß Zwischenräume zwischen zwei aufeinander folgenden metallischen Lagen im Bereich von 0,15 bis 0,20 mm auftreten.

Sodann wird - nach der Ausformung des balgartigen Abschnitts - diese mehrlagige metallische Struktur des Kompensators der Vakuum-Abscheidung von Niedertemperatur-Plasma auf Kohlenstoffbasis in einem geschlossenen Prozeßraum unterzogen, wobei die Abscheidung des Niedertemperatur-Plasmas bei dieser Gelegenheit gleichzeitig überall auf den metallischen Schichten stattfindet, und zwar nicht nur auf der Wandungsinnen- und der Wandungsaußenseite der aus den verschiedenen Lagen bestehenden Wandung, sondern auch (gleichzeitig) innerhalb der Zwischenräume zwischen den einzelnen Lagen (und dort an den Oberflächen der beiden den Zwischenraum jeweils begrenzenden metallischen Lagen). Nach dieser Beschichtung ist ein Faltenbalg-Kompensator geschaffen, bei dem sogar die im Preßsitz aufeinander sitzenden metallischen Lagen auch innerhalb der sehr kleinen Spalte zwischen ihnen an ihren Oberflächen dort mit einer solchen DLC-Oberflächenbeschichtung sehr geringer Dicke versehen sind.

Diese Kompositstruktur der Wand des erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensators ermöglicht eine gewisse Beweglichkeit der einzelnen Metallschichten, auch im Preßsitz aufeinander, in Längsrichtung zueinander, was die dort abgesetzte hochreine Graphitbeschichtung besonders begünstigt. Durch die Beschichtung im Vakuum wird sichergestellt, daß keine Verunreinigungen in der hochreinen Graphitschicht beim Abscheiden enthalten sind.

Die Verwendung der DLC-Dünnschichten auf Kohlenstoffbasis gibt andererseits aber auch die Möglichkeit, für die metallischen Lagen preislich günstiges Standardmaterial anstelle des früher erforderlichen hochwertigen speziellen Edelstahls einzusetzen, was gerade im Hinblick auf die preisliche Gestaltung und die Vermeidung der bei diesem speziellen Edelstahl sehr langen Lieferzeiten außerordentlich günstig ist. Zudem ist die Standzeit solcher mit DLC- Dünnschichten bedeckten Teile sehr groß.

Die eingesetzten DLC-Schichten sind auch hervorragend biokompatibel und lebensmittelecht. Da ihre Reibeigenschaften sehr gut sind, läßt sich auch der auftretende Verschleiß deutlich reduzieren. Wenn bei dem erfindungsgemäßen Falten balg-Kompensator die Beschichtungsdicke größer als 4,9 μηη gewählt wurde, zeigte es sich , daß dann gewisse Delaminations-Erscheinungen auftraten. Wurde die Schichtdicke kleiner als 1 ,5 m gewählt, dann trat eine deutliche Verschlechterung der Schichteigenschaften auf.

Es hat sich bei dem erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensator als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jede metallische Lage eine Dicke von 0,3 mm bis 2 mm (vor der Ausformung des balgartigen Abschnitts) aufweist. Durch eine entsprechende Anordnung mehrerer übereinander sitzender Lagen läßt sich ein merklicher Bereich für die Dicke der Wandung des Kompensators erfassen. Dabei können metallische Lagen gleicher Dicke ebenso wie metallische Lagen unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden, um eine bestimmte Wandungsdicke zu erreichen.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensator jede Beschichtung so ausgeführt, daß sie eine Mikrohärte (HV 0,05, d. h. Vickers-Härte bei einer Regelbelastung von 0,05 kg, vgl. DIN 50 133) von 2.000 bis 4.000, bevorzugt aber von 3.000, aufweist.

Die Schichtdicke der Beschichtungen beträgt innerhalb des vorgegebenen Bereiches bevorzugt 3 bis 3,5 pm.

Eine ganz bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kompensators wird erreicht, wenn vier unter Preßsitz aufeinander sitzende metallische Lagen einer Dicke von jeweils 0,3 mm mit Zwischenräumen zwischen ihnen von jeweils 0, 15 mm (vor der Verformung des balgartig geformten Abschnitts) mit einer Beschichtungsdicke von jeweils 2 m vorgesehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Faltenbalg-Kompensators, und

Fig. 2 eine stark vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus Fig. 1. Der in Fig. 1 in Seitenansicht gezeigte Faltenbalg-Kompensator 1 weist einen mittleren, balgförmig geformten Abschnitt 2 auf, der an seinen beiden axialen Enden jeweils in ein rohrförmiges Verbindungsteil 3 bzw. 4 ausläuft.

Der Faltenbalg-Kompensator 1 ist durchgängig über seine gesamte Länge mit einer Wandung 12 versehen, die vor der Ausformung des balgartigen Abschnitts 2 durchgängig eine gleiche Wanddicke d aufweist, wobei nach der Ausformung des balgartigen Abschnitts 2 infolge der Ausbildung der Falten die Wanddicke dort etwas geringer wird.

Fig. 2 zeigt eine stark vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus Fig. 1 zum Aufbau der Wandung 12, in einem axialen Schnitt eines Teilstücks der Wandung 12.

Die Wandung 12 besteht aus zwei metallischen Lagen 5 und 6, die in radialem Preßsitz aufeinander sitzen und deren jede eine Lagendicke c von 0,3 bis 2,0 mm aufweist. Dennoch wird zwischen ihnen ein Zwischenraum 7 gebildet, der eine radiale Größe von 0,15 mm bis 0,20 mm aufweist.

Auf der radialen Außenseite der Wandung 12 ist über deren Mantelfläche hinweg eine Beschichtung 8, an der radialen Innenfläche der Wandung 12 eine Beschichtung 9 und im Zwischenraum 7 an der dortigen radialen Endfläche der metallischen Lage 5 eine Beschichtung 10 und an der dortigen radialen Endfläche der metallischen Lage 6 eine Beschichtung 11 angebracht.

Bei diesen Beschichtungen handelt es sich jeweils um eine DLC-Dünnschicht mit einer Beschichtungsdicke b von jeweils 2,0 μηη, und zwar jeweils um eine unter Vakuum abgeschiedene Schicht eines Niedertemperatur-Plasmas auf Kohlenstoffbasis, wobei es sich um amorph aufgebaute Kohlenstoffschichten handelt, die aus sp2- und aus sp3-Bindungen bestehen, wobei die ersteren charakteristisch für Graphit und die letzteren charakteristisch für Diamant sind. Da diese DLC-Schichten somit über die beiden Bindungsarten verfügen, werden sie auch oftmals als dichtamorphe diamantartige Kohlenstoffschichten bezeichnet.

Zur Herstellung einer solchen Wandstruktur werden die z. B. zwei metallischen Lagen 5 und 6, die trotz Ausbildung eines Zwischenraums 7 zwischen ihnen mit Preßsitz aufeinander angeordnet sind, in einen unter Vakuum stehenden Reaktor mit entsprechend eingebauten Graphitelektroden eingebracht, deren eine als Kathode und deren andere als Anode dient. Zwischen diesen wird ein Lichtbogen gezündet, wozu zusätzlich das sehr leicht ionisierende Argon eingeleitet wird. Aufgrund der hohen Temperaturen im Lichtbogen wird das Graphit an den Elektroden in die Plasmaphase überführt, wobei sich dieses Plasma in Form einer Wolke zwischen der Kathode und der Anode befindet. Unterhalb der Plasmawolke ist ein Substrathalter angebracht, auf dem der zu beschichtende Kompensator angeordnet wird.

Als zusätzliche Komponenten können außerdem auch noch Fremdatome wie Wasserstoff, Silizium oder Fluor in das Kohlenstoff-Netzwerk der DLC-Schichten eingebaut sein.

Dabei erfolgt eine Plasmaanregung der Gasphase durch die Einkopplung von gepulster Gleichspannung mittelfrequenter (KHz-Bereich) oder hochfrequenter (MHz-Bereich) Leistung, z. B. 100 ... 300 KHz. Bei einem typischen Verfahrensablauf ist die Leistungsdicke am Substrat 0,1 ... 0,5 W/cm ² , der Prozeßdruck 1 ... 100 Pa und die Depositionsrate liegt dann bei 1 ... 2 pm/h.

Verfahren zum Aufbringen von DLC-Dünnschichten sind dem Fachmann bekannt; es wird auf die weiter oben in der Beschreibung hierfür angeführten Schutzrechtsveröffentlichungen rein beispielshalber verwiesen.

Befindet sich der Faltenbalg-Kompensator 1 in einem solchen Beschichtungsreaktor, setzen sich die DLC-Dünnschichten an allen Außenwänden der metallischen Schichten 5 und 6 ab, auch innerhalb des Zwischenraumes 7. Dabei wird der Zwischenraum 7 nicht vollständig ausgefüllt, sondern an den beiden den Zwischenraum radial begrenzenden Oberflächen der beiden metallischen Schichten 5 und 6 wird jeweils eine eigene Beschichtung 10 bzw. 11 in Form solcher DLC-Dünnschichten abgeschieden, auch im Bereich des balgartig geformten Abschnitts 2.

Hiernach ist der Faltenbalg-Kompensator 1 fertig und kann eingesetzt werden.

Durch die DLC-Dünnschichten 10 und 11 im Zwischenraum 7 zwischen den metallischen Schichten 5 und 6 wird ein Aufbau erreicht, bei dem die beiden metallischen Schichten in Axialrichtung relativ zueinander eine gewisse Verschieblichkeit aufweisen, wobei infolge der sehr geringen Reibzahlen, welche die DLC-Dünnschichten 10 und 11 haben, gerade in deren gegenseitiger Reibpaarung die relative Verschiebung der metallischen Lagen 5 und 6 der Wandung 12 nur einer geringen Reibung unterliegt.