Lytron - Total Thermal Solutions
Quick NW Quick NE
 

Tools & Technische Hinweise

 
 

Auswahl der geeigneten Verbindung für Flüssigkeitsleitungen in Ihrer Flüssigkeitskühlanwendung – Teil 1: Anschlussstücke

Die Verbindungen von Flüssigkeitsleitungen sind bei Flüssigkeitskühlanwendungen von zentraler Bedeutung. Die Auswahl, Installation und Instandhaltung der Verbindungen der Flüssigkeitsleitungen eines Systems sind allesamt wichtig für die Vermeidung von Leckagen und den Erhalt der Integrität des Systems. Angesichts der großen Zahl verfügbarer Verbindungsoptionen für Flüssigkeitsleitungen ist die Entscheidung, welche Option für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, oftmals schwierig. Die beiden Hauptverbindungsarten für Flüssigkeitsleitungen in Flüssigkeitskühlanwendungen sind Anschlussstücke und Kupplungen. In Teil 1 dieses Artikels werden zwei wichtige Faktoren behandelt, die bei der Auswahl der Verbindungen von Flüssigkeitsleitungen zu berücksichtigen sind. Darüberhinaus werden die in Flüssigkeitskühlanwendungen am häufigsten verwendeten Arten von Anschlussstücken beschrieben. In Teil 2 dieses Artikels werden Kupplungen behandelt.

I. Analyse der Anwendung

Für die Auswahl der geeigneten Verbindung für die Flüssigkeitsleitungen ist es entscheidend, zunächst Ihre Anwendung genau zu verstehen. Sie sollten sich unter anderem die folgenden Fragen stellen:

  • Welche Kühlflüssigkeit wird verwendet? Viskosität und Korrosivität der Flüssigkeit müssen berücksichtigt werden. Analysieren Sie, wie sich Veränderungen der Viskosität der Kühlflüssigkeit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs auf den Druckverlust in den Verbindungen der Flüssigkeitsleitungen auswirken können. Vergewissern Sie sich, dass die Kühlflüssigkeit mit den Nassmaterialien (z. B. O-Ringen) an den Verbindungen der Flüssigkeitsleitungen chemisch kompatibel sind.
  • Wie groß ist das Rohr bzw. der Schlauch und welche Durchflussmenge ist erforderlich? Der Innendurchmesser der Komponenten der Flüssigkeitspassage wirkt sich erheblich auf den Druckverlust und die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus. Berücksichtigen Sie den Druckverlust in den Verbindungen und überprüfen Sie die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit, um Erosionskorrosionen zu vermeiden.
  • Wie hoch ist die maximale und minimale Betriebstemperatur und der maximale und minimale Druck im System? Die Verbindungen müssen die Dichtigkeit an allen diesen Arbeitspunkten bewahren. Informationen zu der geeigneten Schlauch- oder Rohrwanddicke, Oberflächenausführung, Härte (Durometer für Schläuche), Rundheit und Ovalität (nur bei Rohren) erhalten Sie bei Ihrem Anbieter von Verbindungen für Ihre Flüssigkeitsleitungen.
  • Ist das System Schwingungen, Pulsationen oder Temperaturwechseln ausgesetzt? Die Dichtigkeit zwischen dem Rohr bzw. dem Schlauch und der Verbindung der Flüssigkeitsleitung muss unter Prozessbedingungen bei diesen Änderungen erhalten bleiben. Fragen Sie bei Ihrem Anbieter für die Kühlflüssigkeit nach, welche Verbindung sich für die Flüssigkeitsleitungen Ihrer Anwendung eignet.
  • Wie wird die Verbindung in Ihre Anwendung eingebaut? Die häufigsten Installationsoptionen sind Rohrgewinde, Rohrgelenkanschluss, starrer Rohranschluss, Anschlussgestelle oder Schenkelrohre.
  • Welche Industrienormen oder sonstigen besonderen Anforderungen müssen eingehalten werden? Als Normen sind unter anderem die ISO (International Standards Organization), FDA (Food and Drug Administration der US-Regierung) und die RoHS (Restriction of Hazardous Substances) zu beachten.

II. Bestimmung der Art der Flüssigkeitsleitungsverbindung

Wie bereits erwähnt, werden in Flüssigkeitskühlanwendungen hauptsächlich zwei Arten von Verbindungen für Flüssigkeitsleitungen verwendet: Anschlussstücke und Kupplungen. Beide dienen zur Verbindung von Komponenten geschlossener Kühlsysteme, beispielsweise von Ventilen, Pumpen, Kühlplatten, Wärmetauschern, Schläuchen usw. Eine strenge Definition der einzelnen Verbindungsarten aufzustellen ist schwierig. Statt dessen lassen sich leichter die Unterschiede in ihrer Verwendung beschreiben.

Ein Anschlussstück wird normalerweise bei Anwendungen verwendet, für die das häufige Trennen von Geräten oder Teilen während des Gebrauchs nicht nötig ist. Der Grund: Das wiederholte Entfernen kann Leckagen verursachen. Anschlussstücke sind normalerweise im Vergleich zu Kupplungen recht kostengünstig und sind in verschiedenen Größen, Typen und Materialien erhältlich. Für den Ein- und Ausbau von Anschlussstücken ist Werkzeug erforderlich.

 Abbildung 1: Flüssigkeitsgekühltes Gehäuse
mit Schnellverschlusskupplungen

Kupplungen eignen sich zum schnellen Anschließen und Trennen einer Leitung ohne Flüssigkeitsverlust und ohne Eindringen von Luft in das System. Wenn eine Anlage schnell montiert oder routinemäßig gewartet oder repariert werden muss, sind Kupplungen zur Verbindung der Flüssigkeitsleitungen die bessere Wahl. Modulförmig konstruierte Anlagen wie flüssigkeitsgekühlte Gehäuse, wie sie beim Militär eingesetzt werden, brauchen beispielsweise Schnellverschlusskupplungen für die Wartung oder Reparatur im Feld. (Siehe Abbildung 1.) Kupplungen werden in diversen Materialien angeboten, darunter Kunststoffe wie Acetal und Nylon. Diese sind kostengünstig und vertragen sich mit einer breiten Auswahl an Flüssigkeiten. Kunststoff kann zudem in diversen Farben geformt werden, damit man unterschiedliche Flüssigkeitsleitungen unterscheiden kann. Metallkupplungen werden normalerweise in anspruchsvolleren Umgebungen verwendet, in denen Schwingungen, höherer Druck, Gewicht, Temperaturwechsel, Personenschutz und andere schwierige Bedingungen nach einer höheren Lebensdauer und mehr Stärke verlangen.

In diesem Artikel werden nur Anschlussstücke behandelt. Der Artikel für den nächsten Monat behandelt Kupplungen.

Arten von Anschlussstücken

In Flüssigkeitskühlanwendungen werden zahlreiche Arten von Anschlussstücken verwendet. Die häufigsten sind: Anschlussstücke mit Wulst oder Haken, konisch zulaufende NPT-Rohrgewinde, gerade SAE-Gewinde, 37° AN-Bördelverbindungen, Schneidringverschraubungen, mechanische Greifverbindungen und Verschraubungen mit stirnseitiger O-Ring-Dichtung.

Anschlussstücke mit Wulst

 Abbildung 2: Anschlussstück mit Wulst,
mit Klemme und Schlauch,
wie sie häufig in Kühlplatten und
Wärmetauschern vorkommen.

Dieses Anschlussstück besteht aus einem geraden Rohr, dessen Außendurchmesser mit einem Wulst versehen ist (siehe Abbildung 2). Die Verbindung wird durch eine Übermaßpassung zwischen dem Innendurchmesser des Schlauches und dem Außendurchmesser des Anschlussstücks abgedichtet. Mit der Klemme wird die Dichtung fest verschlossen und der Schlauch festgehalten. Wulstrohre werden nach dem US Military Standard MS33660 (Militärnorm der USA) oder nach dem Aerospace Standard AS5131 (Luft- und Raumfahrtnorm der USA) gefertigt. Eine angemessene Wulstkonstruktion sowie die Auswahl der richtigen Klemme und des richtigen Schlauches sind für eine leckagensichere Verbindung entscheidend. Genauere Informationen über Anschlussstücke mit Wulst finden Sie im Anwendungshinweis Auswählen von Anschlussstücken und Schlauchklemmen für Kühlplatten und Wärmetauscher von Lytron.

Anschlussstück mit Haken

Wie die Anschlussstücke mit Wulst werden auch die Anschlussstücke mit Haken für Schlauchleitungen verwendet. Anschlussstücke mit Haken (siehe Abbildung 3) sind Anschlussvorrichtungen für Flüssigkeitsleitungen, die mit einem oder mehreren durchgehenden Kanten versehen sind. Diese Kanten halten den Innendurchmesser des Schlauches und dichten ihn ab. Die Neigung und Tiefe des Hakens, die Schärfe der haltenden Kanten, die Anzahl der Haken und der Abstand zwischen den Haken tragen allesamt dazu bei, wie gut das Anschlussstück hält und abdichtet. Genauere Informationen über Anschlussstücke mit Haken erhalten Sie unter „Die Kombination der Schlauchleitungen und der Anschlussstücke mit Haken sollte nicht dem Zufall überlassen bleiben“.

Abbildung 3: Anschlussstück mit Haken
und NPT-Gewinde, mit Klemme und Schlauch.

Anschlussstücke mit NPT-Gewinde (National Pipe Thread)

Diese Anschlussstücke haben ein konisch zulaufendes Innen- oder Außengewinde (siehe Abbildung 3). Die Dichtung an diesen Anschlussstücken entsteht zwischen der Seite, der Kopffläche und der Basis der beiden verbundenen Metallflächen. Da es bei der Installation zum Verschleiß der aneinandergefügten Metalloberflächen kommen kann, muss auf die Außengewinde unbedingt ein Schmiermittel oder ein Dichtungsmittel aufgetragen werden, um Schäden zu vermeiden. Als Dichtungsmittel für Gewinde ist Teflon-Band (Polytetrafluorethylenband) weit verbreitet. NPT-Anschlussstücke werden häufig als Verbindungen für Flüssigkeitsleitungen in Kühlsystemen wie Rückkühler und in Kühlkomponenten wie hartgelöteten Plattenwärmetauschern verwendet. Eine gute Informationsquelle über die Herstellung zuverlässiger Gewinderohrverbindungen finden Sie in „Pipe Thread Types and Designations (Gewinderohrtypen und deren Verwendungen)“2.

Anschlussstücke mit SAE-Gewinde (Society of Automotive Engineers)

 Abbildung 4: Anschlussstück mit
geradem SAE-Gewinde, wird normalerweise bei
im Vakuum hartgelöteten Kühlplatten
verwendet, beispielsweise bei der
CP30G01 von Lytron.

Anschlussstücke mit geradem SAE-Gewinde sind so konstruiert, dass der Halt über die Gewinde erfolgt. Im Gegensatz zu NPT-Gewinden erfolgt die Dichtung hier nicht von Metall auf Metall, sondern mithilfe eines O-Rings. Dieser befindet sich im Allgemeinen an der Basis des Außengewindes. (Siehe Abbildung 4.) Diese Art des Gewindeanschlussses bietet gegenüber einer NPT-Verbindung den Vorteil, dass die Wartung, der Zugriff und die Wiederherstellung des Anschlusses erheblich leichter sind. Ein weiterer Vorteil besteht gegenüber Druckringverbindungen, die normalerweise mit einem höheren, aber engeren Drehmomentbereich festgezogen werden. Hierdurch können die Gewinde leichter abgerieben werden oder reißen, oder es können Teile des Anschlussstücks verbogen werden, was Leckagen verursachen könnte. Die Dichtung von Gummi auf Metall sorgt für „Griffigkeit“ beim Anziehen des Anschlussstücks. Anschlussstücke mit O-Ring sind tendenziell teurer als Dichtungen nur aus Metall. Bei der Installation von Anschlussstücken mit O-Ringen muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass der O-Ring nicht beschädigt wird oder verrutscht. Durch Auswahl eines ungeeigneten O-Rings oder durch Wiederverwendung eines bereits verformten oder beschädigten O-Rings können Leckagen auftreten.

Druckringverbindungen

 Abbildung 5: Druckringverbindung, wie sie
in den Wärmetauschern und Kühlplatten
von Lytron mit geraden „SB“-Anschlüssen
verwendet wird.

Druckringverbindungen bestehen aus drei Teilen: einer Gewindemutter, einem Gehäuse und einer Muffe oder einem Schneidring (siehe Abbildung 5). Wird die Gewindemutter angezogen, so wird die Muffe zusammengedrückt und passt sich an den Umfang des Rohrs an. Die Muffe muss korrekt ausgerichtet werden, damit sie ordnungsgemäß funktioniert. Ein Vorteil dieser Art des Anschlussstücks besteht darin, dass die Montage ohne Spezialwerkzeug ausgeführt werden kann. Zu den Nachteilen gehört, dass dieses Anschlussstück nur in wenigen Materialien erhältlich ist (Messing oder Kupfer) und im Vergleich zu Bördelverbindungen, Schneidringverschraubungen oder mechanischen Greifverbindungen nur sehr geringen Druck aushalten kann. Druckringverbindungen sind daher für Anwendungen, die Schwingungen, Temperaturwechseln oder anderen dynamischen Kräften ausgesetzt sind, nicht zu empfehlen.

Bördelverbindungen

Bördelverbindungen bestehen ebenfalls aus drei Teilen: Mutter, Schutzkappe, Gehäuse und starres Rohr mit Bördelrand (siehe Abbildung 6.) Die Dichtung von Metall auf Metall erfolgt, indem die Mutter festgezogen wird und so das Anschlussstück in das Rohrende mit dem Bördelrand hineinzieht. Anschlussstücke dieser Art halten normalerweise höheren Druck aus als Druckringverbindungen. Für die Herstellung der Bördelverbindung mit dem Rohrende im Zuge der Vorbereitungen für die Installation ist entsprechendes Werkzeug nötig. Wird die Bördelverbindung des Rohrs nicht in der geeigneten Weise hergestellt, so können bei dünnen oder brüchigen Rohrleitungen axiale Risse entstehen. Vorsicht ist auch beim Zuschneiden des Rohrs geboten, da schlecht konstruierte Rohrabschneider oder ungeeignete Bügelsägen eine unebene Dichtungsfläche bewirken. Es gibt diverse Arten von Bördelverbindungen. 37° Bördelverbindungen in handelsüblicher Qualität, auch als 37° JIC Bördelverbindungen bezeichnet, werden gemäß der SAE-J514/ISO 8434-2-Norm gefertigt und verwenden ein gerades UNS-Gewinde (Unified Thread Standard) der Klasse 2A/2B.  Ein weiterer Typ ist die 45° JIC Bördelverbindung. Diese wird häufig bei Anwendungen mit geringem Druck eingesetzt, beispielsweise bei Brennstoffleitungen und Klima- oder Heizungsanlagen. Dann gibt es noch die 37° AN Bördelverbindung. Diese wird gemäß AN-Norm MIL-F-5509 gefertigt (der Luft- und Raumfahrtnorm der USA). Diese beiden Verbindungen sind zwar miteinander kompatibel, aber die 37° AN Bördelverbindung verwendet bei den Gewinden eine engere UNS-Toleranz der Klasse 3, wodurch sich die Ermüdungsfestigkeit um 40 % erhöhen lässt. Daher sind 37° AN Bördelverbindungen etwa dreimal so teuer wie die ähnlichen 37° SAE/JIC Bördelverbindungen. Da der Unterschied zwischen diesen Verbindungen für das bloße Auge nicht sichtbar ist, sind 37° AN Bördelverbindungen mit einem MS- oder AN-Zertifikat gemäß MIL-P-5509D gekennzeichnet. Der Unterschied ist auch an ihren schriftlichen Spezifikationen zu erkennen. Beispielsweise können sie folgendermaßen spezifiziert sein: „AN Bördelverbindung: ½-20 UNJF-3B, SAE/JIC Bördelverbindung: ½-20 UNF-2B“.

Abbildung 6: 37º AN Bördelverbindung,
wie sie normalerweise bei Wärmetauschern
mit „AN“-Endanschlüssen verwendet wird.

Schneidringverschraubungen

 Abbildung 7: Schneidringverschraubung,
wie sie normalerweise bei Rohrwärmetauschern
und Kühlplatten mit geraden
„SB“-Endanschlüssen verwendet werden.

Ähnlich wie andere Druckringverbindungen bestehen Schneidrohrverschraubungen aus einer Gewindemutter, einem Gehäuse und einer oder mehreren Muffen. Bei Verschraubungen mit einer Muffe (siehe Abbildung 7) schneidet die Stirnkante in die Rohroberfläche, um den Halt herzustellen. Die Dichtung entsteht auf der langen, tiefen Oberfläche zwischen der Muffe und dem konisch zulaufenden Innenrohr. Schneidringverschraubungen werden normalerweise mit einer Muffe konstruiert. Bei Konstruktionen mit zwei Muffen sorgt die erste Muffe für die Dichtung und die zweite für den Halt. Die federartige Wirkung der Muffe(n) bei der Installation gleicht die Variationen des Rohrmaterials und der Rohrhärte sowie die Dicke der Rohrwand und etwaige Temperaturwechsel aus. So entsteht eine leckagenfreie Verbindung der Flüssigkeitsleitungen für die unterschiedlichsten Anwendungen.

Mechanische Greifverbindungen

 Abbildung 8: Mechanische Greifverbindung,
wie sie normalerweise bei
Rohrwärmetauschern und Kühlplatten mit
geraden „SB“-Endanschlüssen verwendet werden.

Mechanische Greifverbindungen bestehen aus einer Gewindemutter, einem Gehäuse und zwei Muffen. Der Unterschied zu den oben beschriebenen Schneidrandverschraubungen mit zwei Muffen besteht darin, dass mechanische Greifverbindungen die hintere Muffe als Federkraft für die vordere Muffe verwenden. Die Dichtung entsteht durch Aufeinanderprägen der Oberflächen von Rohr und Anschlussgehäuse (siehe Abbildung 8). Ein weiterer Unterschied zur Konstruktion der Schneidrandverschraubungen liegt darin, dass dieser Anschluss nach der Installation besser getrennt und wiederhergestellt werden kann, ohne dabei die Komponenten des Anschlussstückes oder die Rohrleitungen zu beschädigen.

Anschlussstücke mit stirnseitiger O-Ring-Dichtung

 Abbildung 9: Anschlussstück mit
stirnseitiger O-Ring-Dichtung,
wie sie normalerweise bei Rohrwärmetauschern
mit geraden „SB“-Endanschlüssen verwendet werden.

Anschlussstücke mit stirnseitiger O-Ring-Dichtung bestehen aus einem Anschlussgehäuse mit Gewinde und O-Ring-Mulde, O-Ring, Gewindemutter und Schutzkappe oder Schlaucharmatur. Das Anschlussteil erzeugt die Dichtung, wenn die Schlaucharmatur, die fest an das Rohr angelötet oder angeschweißt ist, den O-Ring an der Stirn des Anschlussgehäuses mit Gewinde zusammendrückt, während die Mutter auf das Außengewinde des Anschlussgehäuses aufgeschraubt wird. (Siehe Abbildung 9.) Dieses Anschlussstück ist ein System mit „null Spiel“, weil Sie die Rohrleitung nicht abzufedern oder zu ziehen brauchen, um das Anschlussstück aufzusetzen oder das System zu entleeren. Diese Rohrverbindung kann viele Male auseinander- und wieder zusammengebaut werden. Sie brauchen nur den O-Ring einzusetzen und die Verbindung mit dem vom Hersteller empfohlenen Drehmoment festzuziehen. Der O-Ring passt sich gut an Unregelmäßigkeiten in der Dichtungsoberfläche an. Diese Arten von Anschlussstücken werden für Anwendungen mit hohen Schwingungen empfohlen, weil der O-Ring Stöße besser dämpft als jedes Dichtungssystem mit Metall auf Metall.

Angesichts so vieler erhältlicher Anschlussoptionen ist es sehr wichtig, dass Sie Ihre Anwendung genau kennen und wissen, wie häufig diese getrennt und neu verbunden werden muss. Die Zuverlässigkeit und Brauchbarkeit Ihres Systems hängen von dem ausgewählten Anschlussstück ab. Um sicherzustellen, dass Sie das geeignete Anschlussstück für Ihre Anwendung auswählen, arbeiten Sie am besten zu Beginn des Konstruktionsprozesses Hand in Hand mit Ihrem Partner für Anschlussstücke oder Flüssigkeitskühlkomponenten.

1Brown, Jim, Colder Products Company, Don't Be Too Casual Pairing Tubes to Barbed Fittings“, Medical Design, September 2007, Seite 28.

2Colder Products Company, Pipe Thread Types and Designations“, www.colder.com/Technical/WhitePapers/PipeThreadWhitePaper/tabid/954/Default.aspx.