CZ88398A3 - Zařízení pro jímání a dodávání plynů - Google Patents

Abstract

Zařízení projímání a dodávání plynu se skládá z tlakové nádrže (2), vybavené přípojkou (8) pro dodávku plynu, dodávacímzařízením(28), kteréje možné připojit k přípojce (8) a zajistit tak dodávku plynu zjednoho konce na konec druhý, dále řídícího ventilu (29), který ovládá objem i - dodávaného plynu. Nádrž (2)je prstencovitá tlaková nádoba, tvořená kovovou prstencovitou skříní, kterámá na svém ’ři' povrchu navinutou vrstvu z vysokopevnostního polymerického vlákna (4) a která nese tahové zatížení, Vlákno (4)je vyrovnána v podstatě meridiánovým, (poledníkovým) směremna prstencovité skříni aje bezjakéhokoliv materiálu tvořícího matrici a to alespoň pro větší část tloušťky vrstvy vlákna (4).

Description

Zařízení pro jímání a dodávaní plynu

Oblast techniky

Tento vynález se týká kompaktního zařízení pro skladování a dodávku plynu, obzvláště pak takové, která je přenosná lidmi.

Dosavadní stav techniky

K zajištění přenosnosti přetiskované nádoby pro skladování plynu je zde obecný požadavek na vysokou pevnost s relativně nízkou hmotností. Navinutí jisté struktury kolem vnitřní kostry je velmi dobře známá technologie, a to jak pro svou pevnost, tak pro svou nízkou host nost při výrobě válcovitých tlakových nádob, jako jsou hlavně zbraní, plynové válce a podobné konstrukce. Takovéto konstrukce, pokud jsou vystaveny působení tlaku, jsou zároveň vystaveny i působení obvodovým tlakům, které jsou velmi významně vyšší než tlaky osové a využití navinutí, navrženého k nesení velké části obvodového napětí, umožňuje konstrukci základny válce, aby byla tato nasměrována k zatížení pouze osovými napětími, čímž vzniká významný potenciál pro úspory hmotnosti. Tradičně je takto navíjená konstrukce vyrobena z kovových drátů s vysokou pevností v tahu. Nedávný technologický vývoj kompozitových materiálů vedl k využití kompozitu, které se skládají z vláknového vinutí uloženého v matrici z pryskyřice.

-2Prstencovité tlakové nádoby nabízejí alternativní geometrické uspořádání oproti válcovitým nádobám. Prstencovité tlakové nádoby se skládají z kovové nebo kompozitové vnitřní prstencovité skříně, převinuté drátem nebo kompozitovým materiálem z vláken a pryskyřičné matrice. Tyto jsou již v dnešní době známé a jsou popsány například v patentové přihlášce UK No.2110566. Tato patentová přihláška nabízí jednak úsporu ve hmotnosti ve srovnání s nenavinutými prstencovitými konstrukcemi. V případě kompozitového vinutí může být výroba celkem složitá, protože konvenční zařízení pro navíjení vláken neumožňuje pohotově aplikaci pryskyřičné matrice během navíjení. Ukazuje se, že je složité zajistit kompletní navlhčení vláken pryskyřičnou matricí a tak neúplně navlhčená vlákna ustanovují zóny, které jsou zeslabené ve své struktuře kompozitového materiálu.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je tedy zajistit lehkou a kompaktní tlakovou nádobu s dodávacím zařízením, založenou na prstencovité tlakové nádobě, mající vláknové navinutí se sníženou hmotností a která by dále zmenšovala některé z výrobních těžkostí, se kterými je možné sé setkat u prstencovítých konstrukcí s navinutým kompozitovým materiálem z vláken a pryskyřičné matrice.

Uvedený úkol splňuje podle tohoto vynálezu tlaková nádoba s dodávacím zařízením, složená ze zásobníkové nádoby, která v sobě může skladovat stlačený plyn a je dále vybavena otvorem pro dodávání plynu, dále pak zařízením pro dodávání plynu, které je připojitelné na uvedený otvor na jednom

Ί

• ·

~3konci a zajišťujícím dodávku plynu skrze druhý konec a poté ještě z ovládacího zařízení, které řídí velikost průtoku dodávaného plynu, podle tohoto vynálezu, jehož podstatou je to, že tlaková nádoba je prstencovitá tlaková nádoba, skládající se z kovové prstencovité skříně mající na povrchu navinutou vrstvu, jenž je schopná nést napětí v tahu a která je vytvořená z nekovových vláken s vysokou pevností v tahu, kde tato vlákna jsou vyrovnána v podstatě poledníkovým směrem na prstencovité skříni.

Jak navinutá vlákna, tak i kovová skříň mají za úkol nést napětí. Stejně jako tomu je u jednoduchých válcových nádob, jsou i tyto konstrukce vystaveny významně vyššímu napětí v poledníkovém směru (meridiánovém, napětí tečná k poledníku), pokud toto srovnáme s „kruhovým,, napětím (ve směru vnějšího obvodu prstence, tečné napětí), kolmým na poledník okolo prstence. Vlákno musí nést pouze část poledníkového zatížení a je proto navinuté v podstatě poledníkovým směrem, místo aby bylo navinuté diagonálně okolo prstence, jako je tomu v případě kompozitových vrstev předchozích konstrukcí, například podle patentové přihlášky UK No.2110566. Kovová skříň nese zbývající poledníkové napětí a celou část napětí kolmou na poledník (normálovou). Použití převinutí, které odnímá část většího poledníkového napětí, umožňuje, aby kovová skříň byla konstruována na nižší zatížení, což vede k lehčímu provedení tlakových nádob, než které by vznikly při použití pouze kovové konstrukce.

Tento vynález nabízí kompaktní přetlakovou nádobu na plyn, která je lehká a má prstencovitý tvar, a oba tyto rysy vylepšují její přenosnost. Prstencovitá geometrie má plošší profil, protože má menší malý průměr než válcová nádoba se

Ί • · ¹¹ ········· • · · 9 · · ···· · ···

9 9 9 9 9 9 9

99 99 9 99

-ϊstejným objemem. Tvar je takto obzvláště vhodný ke skladování tam, kde je nutný plochý profil, nebo se hodí k nesení na zádech člověka, protože jeho tvary přečnívají méně. Prstencovitý tvar je rovněž výhodný pro přenášení na zádech člověka proto, že je lépe uzpůsoben tvarům lidských zad. Kompaktní tvar znamená, že ačkoliv jisté nosné popruhy budou nutné, aby umožnily přenášení nádrže nosičem, mohou být v podstatě velmi zjednodušené a proto i lehčí, pokud je srovnáme s popruhy pro konvenční válcovou nádrž. Zde je umožněno vynechat zadní desku, která je obvykle připevněna jako nutnost pro alespoň trochu větší zádovou plochu, pro upevnění válcovité nádrže. Možnost tuto zádovou desku vynechat je dodatečným faktorem při snižování hmotnosti i při snižování rozměrů, o které za nosičem nádrž přečnívá (z a jeho zády). Oba tyto faktory navíc vylepšují přenosnost. Plošší profil prstencovitého tvaru rovněž sám umožňuje, aby nádrž byla nesena ve vhodném batohu nebo brašně, která nabízí velké usnadnění přenositelnosti a současně poskytne potřebné mechanické uložení.

Další výhoda, která plyne z prstencovitého tvaru, leží ve schopnosti dodávacího zařízení, které může být připojené na vnitřní stranu prstence, čímž je takto zajištěna do jisté míry ochrana a snížení možnosti odtržení či odlomení dodávacího zařízení, jako následek vnějšího nárazu. Z tohoto důvodu je dodávací otvor přednostně umístěn na vnitřní straně prstence. Dodávací zařízení může být permanentně spojeno se skříní nádrže, ale kvůli usnadnění skladování a umožnění výměny tlakové nádoby obsahuje přednostně otvor pro dodávku plynu i zařízení, který umožňuje uvolnitelné spojení dodávacího zařízení a uzavíracího ventilu, který zabraňuje uvolnění plynu, pokud je dodávací zařízení odpojeno.

Ί • · · · ^: ,F.' • .--¾

Obzvláštní výhoda využívání navinuté vrstvy vychází z postupného nahromadění vrstev navinutých vláken na vnitřní straně prstence. Navinutí je takto schopné snést větší část poledníkového napětí na vnitřní stěně prstence, která je zónou, kde je celkové poledníkové napětí nejvyšší. Tento efekt odstraňuje zjevnou potřebu velké dodatečné vrstvy kovu na zónách s větším zatížením a jako následek toho kovová skříň, která tvoří prstenec v podstatě s kruhovým poledníkovým průřezem a uniformní tloušťkou stěn, se blíží optimálnímu výkonu takové skříně z hlediska tlaku se současně minimální redundantní hmotností kovu. Toto vede ke zjednodušení při výrobě. Nicméně bude výhodné to, že kruhový průřez není podstatou účinnosti tohoto vynálezu a že vynález může být tedy aplikován i na prstencovité nádoby s nekonstantním zakřivením, které nemají kruhový průřez poledníku a/nebo příčného řezu, když je takovýto tvar vhodnější k použití u daného vynálezu.

Vhodné materiály pro navinutou vrstvu zahrnují kompozity z polymerů, skla nebo uhlíku nebo i keramických materiálů v termosetové nebo termoplastické matrici. Termosetová pryskyřice může být použita u vláken jako je prepreg ještě před navinutím a může být vytvrzena až po navinutí. Termoplastická pryskyřice může být nanesena použitím svazků jemně impregnovaného vlákna s dostatečnou pružností, která by umožnila navíjení materiálu, jako termoplastická vlákna jsou promíchána s konstrukčními vlákny, nebo jako termoplastický prášek, přilnutý na konstrukční vlákna. Bez ohledu na způsob použitý k proložení termoplastu, bude kompozit vyžadovat následnou konsolidaci pod jistým tlakem za zvýšené teploty. Ve všech případech jsou vlákna okolo poledníku prstencovité nádoby.

Ί » · · · · • · · • · · • · » • · · •1 £Nicméně, protože vynález používá vlákna, navinutá ve směru poledníků, k nesení zatížení pouze v tomto směru, nabízí dodatečnou možnost vynechání matrice docela, nebo alespoň vrstvy matrice určené k nesení zatížení s jednou vrstvou pouze jako povrchová ochrana. V tomto provedení vynálezu bez matrice, vyvolává absence uvedené matrice úsporu hmotnosti, pokud provedení srovnáme s tlakovou nádobou, skládající se ze skříně, převinuté konvenčním kompozitovým materiálem z vláken a matrice a rovněž odstraňuje takový požadavek, že proces musí být kompatibilní s konzistentním smáčením pryskyřice (matrice) během vlastní výroby, takže může být použit jednoduchý navíjecí proces.

Počáteční fází volby materiálu vlákna pro toto suché provedení procesu navíjení vlákna bez matrice podle vynálezu, vychází ze skupiny, jejíž použití bude běžné u termosetových a termoplastických kompozitových materiálů s pryskyřičnou matricí. Materiál, používaný pro navíjení vláken musí mít vysokou pevnost v tahu. Musí to být materiál, u kterého dochází jenom k malé ztrátě pevnosti díky abrazi během navíjení nebo během používání a tak nevyžaduje vlastní matricový materiál, který by „za něj,, odolával abrazi a ochraňoval jej. Podobně, pevnost vlákna musí být jenom málo závislá na jeho vlastní délce (takzvaný délkově-pevnostní efekt), takže potřeba aplikace pryskyřičné matrice, která by přenášela zatížení napříč přelomených vláknech, je minimální. Tyto požadavky směřují proti používání skelných vláken nebo uhlíkových vláken v tomto provedení vynálezu.

Výše uvedeným problémům je možné se vyhnout díky použití vysokopevnostních organických polymerových vláken, protože tento materiál má tendenci být méně citlivý na

ΊΙ • · · · · · · » • · · · · · · · · • · · · ···· · ··· » · • · · · · · · ~7~ povrchové defekty a vykazuje malou závislost na délkověpevnostním efektu. Proto tato vlákna vykazují sníženou tendenci ke ztrátě pevnosti jako následek poškození abrazí. Role matrice při přenosu zatížení napříč zlomenými vlákny je proto méně důležitá u kompozitů, které používají tento typ vláken. Proto se vrstva, nesoucí zatížení v tahu, přednostně skládá z vrstvy vysokopevnostních polymerových vláken, kde tato vlákna jsou zarovnána poledníkovým směrem na prstencovité skříni a jsou bez přítomnosti jakékoliv matrice a to alespoň v podstatné části tloušťky uvedené vrstvy. Aramidová vlákna jsou zde upřednostňována obzvláště pro tento úkol.

Nicméně předepjatá polymerová vlákna' mají tendenci být citlivá na creep (tečení) a napěťovou relaxaci, což může vést ke ztrátě napětí při provozní životnosti a posunutí se z původní polohy. U konvenčních kompozitů je takovémuto pohybu zabráněno přítomností matrice. Aby byla vlákna bez pryskyřičné matrice vhodná pro tento vynález, musí mít takové vlastnosti creepu a napěťové relaxace, které by byly dostatečně nízké, aby vlákna mohla být prakticky předepjatá až na takový stupeň, kde jsou schopná si podržet dostatečné napětí po celou dobu životnosti a zároveň by byla i schopná udržet si odpovídající polohu na prstencové stěně, a to při všech podmínkách, kterým by vlákna v praxi mohla být vystavena.

Polymerová vlákna rovněž vykazují lom na mezi pevnosti v důsledku působícího napětí, k tomu dochází díky dostatečně vysokému statickému zatížení, kde vlákna případně prasknou. Doba do takovéhoto lomu je závislá na působícím napětí a teplotě a může činit až desítky či stovky roků. Ve vztahu k tomuto vynálezu musí být vlastnosti lomu na mezi pevnosti

Ί • · · · · ······ ···· · ···· ··· · · · • · · · «· · · · · · takové, aby napětí vlákna, které vyplývá z libovolného nutného předepjetí ve spojení s předcházením problémům s creepem, společně s dalším napětím, vyplývajícím z tlakového zatížení stěn nádoby, mohlo být absorbováno bez toho, že způsobí lom na mezi pevnosti a to během celé životnosti tlakové nádoby, a při všech praktických podmínkách, kterým může být nádoba vystavena.

Takto vzniká požadavek, aby ve vlastnostech vláken existovalo „okno, ve kterém by mohlo být aplikováno dostatečné počáteční předepjetí, a to na navinutá vlákna, kterým by takto mělo zabránit v pozdějším pohybu, ke kterému může dojít díky ztrátě napětí vlivem creepu, který je bez předepjetí tak vysoký, že způsobuje lom na mezi pevnosti. Vinutí bez pryskyřičné matrice u tohoto provedení vynálezu využívá tato vysokopevnostní polymerická vlákna, které toto „okno mají, a to k vynechání materiálu matrice, kterou vyžadovala předchozí provedení tlakových nádob v podstatě jako svůj fundamentální požadavek, pokud tato nádoba měla mít kompozitové převinutí.

Bylo zjištěno, že aramidová vlákna takovéto „okno ve svých vlastnostech mají a že takováto vlákna jsou proto obzvláště vhodná, pokud pohledneme na úkol vynálezu, aby kompozit byl tvořen vlákny bez matrice. Uhlíková, skelná a keramická vlákna mají tato „okna větší, ale proti jejich použití hovoří problémy, nastíněné výše vzhledem k abrazivní odolnosti a délkově-pevnostnímu efektu. Smíšená vlákna se skládají z jednoho výše uvedeného materiál a navíc i z aramidu, například jde tedy o směs aramid+uhlík, což nabízí vhodný kompromis. Aramidová vlákna ochraňují uhlíková před abrazivními vlivy, které nastávají při navíjení. Během provozu, když poté dochází k relaxaci napětí a ke creepu

9 9

-9v aramidových vláknech, je zatíženi postupně přenášeno na vlákna uhlíková. Toto je hlavní výhodou konstrukce, u které by aramidová vlákna byla blízko limitu na mezi pevnosti.

Je zcela jasné, že otvor v prstencovité skříni nemůže být převinut. Z důvodu výhodnosti konstrukce je nádrž opatřena zónou zesílení vnitřní skříně bez převinutí oblasti, kde je otvor pro dodávku plynu. Nicméně pravděpodobný způsob výroby prstencovité skříně je svařit dohromady dvě zakřivené poloviny „žlabu prstence a v takovémto případě některé konstrukční problémy mohou vyvstat z průsečíku svarů tam, kde je zesílená zóna přivařená na nádobu.

Aby bylo možné překonat tyto obtíže, může být kruhový, nebo částečně kruhový výstupek připevněn přes otvor v prstencovité skříni ještě před jejím převinutím vlákny, tento výstupek se skládá z vnějšího povrchu, do kterého je vsouvána poledníkově orientovaná vrstva vláken, dále z bočního otvoru a ze vzduchového průchodu, který zajišťuje komunikační kanál mezi otvorem v prstencovité skříni a bočním otvorem. Tato konfigurace odstraňuje nebezpečí potřeby měnit tloušťku skříně v blízkosti dodávacího otvoru plynu a to tím, že umožňuje převinutí vlákny v podstatě okolo celého povrchu prstencovité skříně.

Výstupek je přednostně částečně kruhový (či prstencovitý), s půlměsícově tvarovanou sekcí určenou k minimalizaci nespojitostí na jeho hranách. Výstupek je běžným způsobem přivařen ke skříni, přednostně je odchýlen od centrální roviny prstence, aby tak bylo možné se vyhnout . průsečíku se svary, vedenými po směru kruhu, a které by mohly znamenat místa potenciálního oslabení. Externí mazání, například páskou PTFE, je rovněž vhodné, aby bylo možné se 'i

ΒΒΒΒ 99 (| « »· BB • β · ΒΒΒ Β Β Β ·

ΒΒΒ Β Β · · Β Β ΒΒ

ΒΒ ΒΒΒ Β Β Β Β Β Β ΒΒΒΒ ·

ΒΒΒΒ ΒΒΒ ΒΒΒ

ΒΒΒΒ ΒΒ Β ΒΒΒΒ

- /0vyhnout roztřepováni kevlarových vláken na vrcholcích půlměsíce.

Dodatečnou výhodou navinuté vrstvy je to, že zahrnutím uhlíkových vláken s vyšším modulem pružnosti může být pevnost navinuté vrstvy zvýšena a umožní tak, aby poledníková pevnost převinuté zóny (tj. výsledek Youngova modulu pružnosti a tloušťky) byla přibližně rovná té pevnosti, kterou vykazuje nepřevinutá zóna. Zároveň dochází ke snížení napětí, které může být vyvoláno nespojitostmi v pevnosti materiálu.

Převinutá vrstva z vláken bez matrice je přednostně zakryta ochranou vrstvou. Ta slouží ke kompenzaci, částečně kvůli absenci ochrany před vlivy vnějšího prostředí, porovnávané s matricí u konvenčního vláknového kompozitu a obzvláště je zde kvůli ochraně vláken před osvícením světlem ve viditelné a ultrafialové části spektra, které jinak může mít nepříznivý vliv na pevnost vlákna (obzvláště tam, kde je pro navinutou vrstvu použito aramidové vlákno) a v neposlední řade je zde ochranná vrstva i kvůli ochraně vláken před vlhkostí a k ochraně před abrazí. Ochranná vrstva může být nejjednodušeji vytvořena jako ochranná elastomerická vrstva, nanesená na navinutá vlákna, například jako barva. Alternativně je neprostupná vrstva nanesena na navinutá vlákna a další vrstva vláken je navinuta přes tuto ochranou vrstvu a je na ní aplikována pryskyřičná matrice. Proto navinutá vrstva vykazuje vnější charakteristiky konvenčního kompozitu s pryskyřičnou matricí, ale celková charakteristika navinuté vrstvy a proto i podstatné mechanické vlastnosti, zůstávají v souladu se suchou navinutou vrstvou, bez pryskyřičné matrice, která je upřednostňovaným provedením tohoto vynálezu s výhodami,

Ί ··♦· «· ·· · ·· ·· • · · 9 9 9 9 9 9 9

9 9 » » · · · 9 9 9

9 9 9 9 9 9999 9 999 9 9

9 9 · 9 9 9 9 9 ·

9· 99 · 99 99

- A1které jsou zde publikovány.

Navíjecí napětí vláken vyžaduje pečlivé řízení, aby byla zajištěna jeho dostatečná velikost a bylo se tak možné vyhnout tomu, že se navinutá vrstva stává volnou a náchylnou ke sklouzávání, jakmile ve vláknech po jisté době nastává relaxace napětí a creep, ale zároveň nesmí být napětí příliš vysoké, aby nedošlo k překročení meze pevnosti vlákna. Dále, navinutá vrstva může být napjatá, díky čemuž dochází k aplikaci tlakového předpětí, působícího na kovovou skříň a tím může být zvýšen i tlak, který může být udržován uvnitř nádoby.

Napětí navinuté vrstvy se přednostně mění, aby bylo možné vyvolat rovnoměrné rozložení napětí v konečném výrobku, Současně s tím, jak jsou jednotlivé vrstvy vláken navíjeny, jejich vnější vrstvy vyvolají tlakové zatížení nejen na kovové skříni nádoby, ale rovněž i na vnitřní vrstvy vláken. Pokud je udržováno konstantní napětí navíjené vrstvy a převinutí je dost silné (tloušťka), může toto vést k uvolnění napětí ve vnitřních vrstvách, takže když na tyto začne působit tlak během provozu, nejsou potom schopné unést plnou část zatíženi, která by jim měla odpovídat. Řešení tohoto problému spočívá ve snížení navíjecího napětí během samotného procesu navíjení, takže tahové napětí je rovnoměrněji rozložené po všech vrstvách navinutého vlákna u plně převinuté nádoby. Nicméně u tenkostěnných nádob může mít potřeba změnit napětí ve vláknech jenom minoritní význam.

Použití převinuté vrstvy v souladu s tímto vynálezem umožňuje volbu režimu výskytu závady, takže může být zvolen výhodnější režim pro danou nádobu a její použití. S nadbytečným vláknem v navinuté vrstvě nastane lomová

Ί

000 000 000 0 0 0 · · · 0 · 0 0 0 0 • · · ·' 0 0 0000 · ··· 0 0 0000 00 0 000 00 00 00 · 00 00

-/2závada ve směru obvodovém, což jinými slovy znamená poledníkový lom, který je způsobený zatížením, jenž vzniká kolmo na poledník. Pokud bude vláken ve vrstvě nedostatek, dojde k obvodovému lomu jako k prvnímu, tj. dojde k lomu kolmému na poledník, způsobeným zatížením, působícím ve směru poledníku. V tomto případě je možné využít dalších voleb zahrnutím změn tloušťky stěny prstence a je tedy možné vytvořit zeslabené oblasti.

U kovové skříně je vznášen požadavek na snížení hmotnosti s danou pevností, který vede k přednostnímu používání hliníkového materiálu a jeho slitin, nebo ještě lépe k používání titanu a jeho slitin, ačkoliv ocel a jiné kovy mohou být použity rovněž, obzvláště pokud jde o aplikace, kde hmotnost není hlavním konstrukčním faktorem.

K zajištěním konzistentní dodávky plynu zahrnuje řídící mechanismus regulátor tlaku, který je přednostně dvoustupňový.

Další aplikace vynálezu je na poli dýchacích přístrojů s tlakovou nádobou na plyn, která slouží jako nádoba pro dýchací plyn (kyslík, směs kyslik/inertní plyn, vzduch, atd.) a s dýchací maskou a ventilem, jenž nastavuje přímo uživatel a který je připojen na druhý konec otvoru pro dodávku plynu. Prstencovitý tvar je velmi snadno přenosný a konstrukce je kompaktní a lehká, což jsou důležité faktory při rozvažování o uplatnění tohoto vynálezu. Ochrana, navržená spojením dodávacího zařízení s místem na vnitřku kruhu, je zcela jasně obzvláště hodnotná u tohoto provedení vynálezu.

φφφφ φφ

-/11 Seznam obrázků na výkresech

Možná provedení tohoto vynálezu jsou nyní popsána na některých příkladech, jenom s odkazy na připojené nákresy, na kterých:

Obr.l ukazuje perspektivní pohled na tlakovou nádobu pro dýchací přístroj, v souladu s provedením podle tohoto vynálezu,

Obr.2 ukazuje příčný řez vedený tlakovou nádobou pro dýchací přístroj z obr.l, a to v blízkosti otvoru pro dodávku plynu,

Obr.3 ukazuje průřez dvoustupňovým regulátorem a čelním prvkem, určeným k připojení na otvor pro dodávku plynu z obr.1 a z obr.2,

Obr.4 je pohled v perspektivě na alternativní provedení tlakové nádoby pro dýchací přístroj v souladu s tímto vynálezem,

Obr.5 je řez nádobou z obr.4 vedený paralelně k její ose a v blízkosti dodávacího otvoru pro plyn.

Obr. 6 je perspektivní pohled na alternativní provedení dodávacího otvoru v tlakové nádobě,

Obr.7 je příčný řez tlakovou nádobou z obr.6, vedený v blízkosti dodávacího otvoru pro plyn,

Obr.8 je pohled v perspektivě na spojovací adaptér vhodný k použití ve spojení s dodávacím otvorem pro plyn z obr.6 a obr.7,

Obr. 9 je meridiánový řez vedený v blízkosti dodávacího otvoru pro plyn z obr.6 a obr.7,

Obr.10 je meridiánový řez vedený skrze výztuž rozptylovací desky napětí v blízkosti dodávacího otvoru pro plyn.

Ί ·*··<*· ·· · · · ·· ···«······ • · · · · · a · ··· • · ··· ·>·»·· ··* · · ·*····· · · · • · · · · · · φ · · ·

Příklady provedení vynálezu

Obr.l ukazuje prstencovitou tlakovou nádobu pro plyn, určenou pro dýchací přístroj v provedení podle vynálezu, opatřenou oddělitelným dodávacím zařízením ve stavu, kdy je tento dýchací přístroj odpojen. Prstencovítá vnitřní nádrž 2 má objem devět litrů a konstrukční tlak 21,1 MPa (207 barů) a je vyrobena z hliníkové slitiny 6061, vhodně· ze dvou zahnutých „žlabů svařených dohromady. Nádrž 2 má kruhový meridiánový a příčný průřez s celkovým průměrem 400 milimetrů a průměr vnitřního otvoru je 128 milimetrů. Nádrž 2 může například být vyrobena ze dvou zahnutých prstencovitých žlabů svařených dohromady. Stěna prstence má konstantní základní tloušťku stěny 6,5 milimetrů. Nádrž 2 je převinutá vláknem 4 z materiálu Kevlar-49™ a navinutá vrstva má tloušťku 2,5 milimetrů, měřenou na vnitřní straně prstence (toto bude odpovídat menší tloušťce na vnějšku prstence jako následek efektu nahromadění, jenž je vlastní prstencovité geometrii, jak již bylo uvedeno výše), kromě malé části 9 skříně, která je ponechána bez převinutí, aby tak bylo umožněno provést vyústění či připojení 8 tlakového regulátoru. Převijecí technika není součástí vynálezu a navíjení může být aplikováno použitím normálních standardních přístrojů a technologií pro navíjení materiálu na prstencovité jádro, s čímž jsou jistě odborníci v tomto oboru jistě dobře obeznámeni. Je třeba možné použít zařízení používané pro výrobu elektrických vinutí, jako třeba prstencových transformátorů a reostatů, s menšími úpravami k dosažení nepřekryté oblasti 9. Konstrukce je taková, že když je nádoba natlakovaná, přibližně polovina poledníkového ί

·φφ· ·φ «φ • · · φ · φ ····

ΦΦΦ«ΦΦ·ΦΦΦΦ φ · · · φ · ···· · ··· · · • Φφφ · φ φ φφφ φφ φφ Φ· · φφ φφ napětí je nesena převinutou vrstvou vláken 4 a zbývající poledníkové napětí a celé napětí kolmé na poledník je neseno hliníkovou skříní nádrže 2.

Vlákno je opatřeno překrytím, zajišťujícím ochranu před vlivy okolního prostředí. Toto se skládá z vrstvy barvy 6 z elastomerického polyuretanu, nanesené na navinuté vlákno _4.

Obr.l ukazuje pouze jednu část vrstvy barvy 6 se zbytkem odstraněným z důvodu lepšího popisu pod ním ležící vrstvy vláken 4, ale v každém případě při aktuálním používání bude vrstva barvy 6 pokrývat celé převinutí.

Tlaková nádoba pro plyn vyžaduje zónu se zesílenou vnitřní částí skříně bez převinutí v části 9 skříně, která je určená pro osazení připojení 8 regulátoru tlaku. Toto je nakresleno na obr.2, který tvoří příčný řez vedený skrze oblast v blízkosti připojení tlakového regulátoru. Protože tato část 9 není převinuta vláknem 4, bude optimální konstrukce vyžadovat, aby kov skříně byl zesílen v části 10 stěny prstence ve srovnání s vnější částí 12 stěny prstence, aby zde bylo možné zachytit vyšší zatížení, které zde vzniká následkem prstencovité geometrie. Aby bylo možné toto napětí zachytit, je stěna zesílena a to ze základních 6,5 milimetrů tloušťky, přes hodnotu asi 10,5 milimetrů na vnější části 12 stěny prstence až na 15 milimetrů na vnitřní části stěny prstence. Nepřevinutá zóna 9 musí být tak malá, jak je jenom možné, aby bylo snížena hmotnost tlakové nádoby rovněž co nejvíce. V tomto případě je nepřevinutá část 9 omezena úhlem oblouku prstence a = 34°. Jak ukazuje obr.2, přechod je postupný, v přechodové zóně, aby byl minimalizován účinek nespojitostí v tuhosti, vyplývající z relativně nízké tuhosti materiálu Kevlar*, což může způsobit další nárůst přídavného zatížení. Jako alternativní nebo dodatečný rys

Ί ·*·· ·· »· « ·· ·· • · · · * · »»·· ··· · · · · · · ·► • · · · · « ···· r ·♦· · · ···· ··· ··» ·· 99 99 · ·· ··

-Μ může převinutí obsahovat tužší uhlíková vlána společně s Kevlarem“, aby tak byla vyrovnána poledníková zatížení v převinutých a nepřevinutých zónách poněkud přesněji a rovněž i dále snížena nespojitost zatížení.

Přípojka 8 regulátoru tlaku je standardní konstrukce M18, 25 milimetrů dlouhá a opatřená vnitřním závitem 14, který usnadňuje připojení regulátoru a odpovídajícího dýchacího náustku nebo obličejové masky a odpovídajícího přístroje, který je odpojený a proto také není na obrázku nakreslen. S tímto přístrojem odpojeným je tlaková nádoba ukázána jako uzavřená zpětným ventilem 15. Jako alternativa může být použit izolační ventil, zašroubovaný do závitu M18 označeného pozicí 14. Usazení přípojky 8 regulátoru tlaku na vnitřní stranu prstence nabízí mnohem kompaktnější konstrukci a i lepší stupeň ochrany regulátoru tlaku, jakmile je tento připojen a použit.

Obr.3 ukazuje částečný řez oddělitelným regulátorem tlaku, který je vhodný pro vložení do tlakové nádoby pro plyn, ukázané na obr.l a na obr.2 a který snižuje tlak plynu vycházejícího z tlakové nádoby na tlak okolního prostředí. Konektor 21 se závitem shodným s Ml 8 závitem 14 přípojky 8 regulátoru je zde konstruován k napojení regulátoru na nádrž. Vložením tohoto konektoru 21 se otevře zpětný ventil 15 v nádrži a poté je dodávka plynu do komory 23 regulátoru řízena otočným řídícím ventilem 25. Tlakový regulátor 27 je pružinového typu. Plyn poté proniká do dodávacího potrubí 28, skrze ventil 29 ovládaný uživatelem, který zajišťuje objem dodávaného plynu a poté vniká do náustku 30 či obličejové masky.

Je jasné, že zatímco dvoustupňový regulátor je upřednostňovaným typem, vynález je použitelný i pro tlakovou

- onádobu na plyn s neodnímatelně připojeným dýchacím zařízením, ať už toto obsahuje nebo neobsahuje tlakový regulátor.

Obr.4 ukazuje alternativní provedení tlakové nádoby v souladu s tímto vynálezem. Prstencovitá vnitřní nádoba 31 má podobné vnější rozměry jako předchozí příklad a je vyrobena z titanové slitiny, TÍ-6A1-4V. Nádrž 31 je konstruovaná pro objem 6 litrů a s provozním tlakem 31,65 MPa (300 barů) . Nádrž 31 má kruhový meridiánový a příčný průřez s celkovým průměrem 340 milimetrů a průměr vnitřního otvoru je 112 milimetrů a základní tloušťka stěny je 3,2 milimetrů.

Nejprve má na sobě nádrž naneseno krycí uhlíkové vlákno, tvořené epoxidovým prepregem. Prepreg je nanesený v pruzích na nádrž 31 a tyto jsou zarovnány tak, že vlákna leží v podstatě kolmo na směr poledníku a tak vytvářejí, po standardní konsolidaci a vytvrzení, vyrovnanou kompozitovou vrstvu 32, která nese část zatížení v tomto směru. Nádrž je převinutá vláknem 34 Kevlar-49™ podobným způsobem, jako tomu bylo u předchozího případu. Část z kruhového zatížení je zachycena vrstvou 32 z uhlíkových vláken místo kovu, což vede k významným dalším úsporám na hmotnosti. Je potřeba věnovat pozornost konstrukci, aby bylo možné se vyhnout koncentracím napětí tam, kde vrstva 32 ustupuje zesíleném oblasti a dále je nutné zajistit, aby přechodová oblast byla dostatečně rozsáhlá, aby zajistila účinný přenos zatížení do kompozitové vrstvy 32. Dvě alternativní _s řešení jsou nakreslena na obr.5, (a) u jednoho je zužující se hrana prepregu 35 nanesená na nádrž a zajišťuje tak zužující se přechodovou oblast, a (b) u druhého jsou několikerý vrstvy prepregu 36 naneseny tak, aby zajistily stupňovitou

Ί • · ··········· • · · · · · ···· · ··· · · • · · · ··· · · · • · · · ·· · · · 9 9

- přechodovou zónu. Vrstva 37 ochraňující převinutí před působením okolního prostředí je nanesená přes suché převinutí 34. Nicméně je zřejmé, že koncepce krycího prepregu není podstatným rysem ani hliníkové převinuté konstrukce, ani titanové převinuté konstrukce nádrže.

Obr.6 až obr.9 se vztahují na alternativní provedení dodávacího otvoru pro plyn.

Uniformní tloušťka stěny prstencovité skříně 41 je vyrobená pravděpodobně ze dvou prstencovitých „žlabů svařených k sobě. Očko 42 je při vařeno ke skříni a je opatřeno vzduchovými průchody 43, které zajišťují propojení s otvorem 44 ve stěně prstencové skříně. Očko je přednostně odsazeno od středové roviny prstence, aby tak bylo možné se vyhnout průsečíku s kruhovými svary, které by jinak mohly vytvořit potenciální slabá místa. Nicméně z provozních důvodů (například výhoda ochrany nabízené umístěním spojení na stranu vnitřku kruhu) je -výhodné, aby vyústění přípojky regulátoru nebylo daleko od „rovníku.

Nádrž je převinuta vláknem 46 Kevlar-49™ podobným způsobem jako předchozí příklad, nejprve tak daleko, jako je každá strana očka 42, a poté oddělenou navíjecí operací i na horní straně očka 42. Nádrž je takto převinutá po celém rozsahu a je takto odstraněna potřeba zesílené oblasti v blízkosti dodávacího otvoru pro plyn.

Povrchový povlak 48 je aplikovaný podle potřeby, aby ochránil vlákna 46.

K provedení spojení s regulátorem tlaku je použito spojení 49 typu „bendžo (je vidět na obr.8). Výčnělek 53 je vložený do průchodu 43 v očku 42, takže otvor 50 je zarovnaný s otvorem 44 ve stěně prstencovité skříně. Gumový těsnící kroužek 54 zajišťuje vzduchotěsné spojení a plyn je

ΊΙ

• · ~4°l — tak schopen projít skrze průchod 51 do otvoru 52, který zajišťuje spojení regulátoru a má velikost M18 nebo je to jiný normovaný závit, a který usnadňuje napojení regulátoru a připojeného dýchacího přístroje - náustku nebo obličejové masky a připojeného přístroje (například takového, jaký je nakreslen na obr.3).

Toto provedení usnadňuje výrobu nádoby a vyhýbá se strukturálním problémům, které mohou vyplynout z protínajících se svarů tam, kde zesílená oblast je svařená s nádobou. Velikosti otvorů se pravděpodobně budou řídit potřebou zajistit vložení endoskopu z důvodů vnitřní kontroly, místo toho, aby se řídily velikostí potřebnou pro průchod vzduchu.

Obr.9 ukazuje upřednostňovanou geometrii očka 42 před aplikací převinuté vrstvy. Aby převinutá vrstva mohla plnit svou funkci, vyžaduje positivní zakřivení ve všech bodech, takže může vyvolávat tlak na skříň 41 směrem dovnitř. Proto očko 42 musí mít dlouhý půlměsícovitý tvar, patrně s vnějším profilem, který by tvořil elipsu. Velká část očka je zatížena na tlak, takže může být odlévaná nebo formovaná tvářením z plastu. Proto i složitý tvar nepředstavuje žádný problém. Půlměsíc může být vyroben z jednoho kusu, nebo může být tvořen individuálním kusem materiálu, který se připevňuje k přivařenému místu.

Tam, kde půlměsíc křižuje kruhový svar na prstenci, není žádoucí aby tento byl proveden jako spojitý svar. Samozřejmě, že pevný přivařený prvek, připevněný takto na skříň, by dilatací způsoboval velká pnutí a tím i velká zatížení svarů, toto by tedy byla potenciální místa únavových lomů. Nicméně pokud půlměsíc není připevněn napevno ve všech bodech, může vyžadovat „mazání, například

Ί ~2opoužitím vrstvy 56 z PTFE nebo nylonu, která by zabránila posouváni se vůči skříni nádrže (a tím by bylo možné se i vyhnout možnému zdroji únavových lomů). Alternativou (která není kreslena) je série bodových svarů s odlehčovacími vruby (které snižují obvodovou pevnost), ale toto řešení má v sobě potenciální nevýhodu, protože tvoří místa, která jsou více zasažitelná tepelným zářením.

Vnější mazání, například PTFE páskou, je rovněž výhodné proto, že dovoluje se vyhnout poškození Kevlaru na vrcholcích půlměsíce. V ukázaném příkladě je mazání zajištěno PTFE páskou 58.

Zbývající strukturální problém tkví v tom, že při konstruování tlakové nádoby jakéhokoliv typu je žádoucí vyvolat situaci tak, aby počáteční lom nastával směrem od spojů, oček, apod., konstrukce nádoby.

a spíše v typické, uniformní části Tímto způsobem může být dosaženo konzistentních a předvídatelných tlakových výbuchů. Pomocí navržené konstrukce může nadbytek Kevlaru zajistit pravděpodobně potlačení lomu podél kruhových svarů, v tomto případě bude pravděpodobný lom veden meridiánem, a vznikne z kruhových zatížení.

Naneštěstí v sestavě, která je předkládána, bude nejpravděpodobnějším místem počátečního lomu (malý) otvor v prstenci obklopený svarem a oblastí zasaženou tepelným žárem.

Možným způsobem by bylo použití kovové záplaty nebo kompozitu přilepeného na vnitřní povrch prstence. Toto by konstrukčně zajišťovalo přenos značně velkého napětí (asi 10+15% celkového) a tak i potlačení předčasného vzniku lomu v zóně zasažené působením žáru.

Výrobní postup popsaný pro provedení vynálezu z obr.6 i

• · · · • · · · » · · ·· • · · · · · ···· ··*·«·«···· • · · · · ······ ··· · · • » · · · · · · · · • · · · · · · · · · · až obr.9 by byl modifikován tak, aby bylo možné při vařit očko na jeden ze „žlabů. Pak by byla nanesená záplata na vnitřní povrch žlabu naproti očku. Dva žlaby by poté byly svařeny dohromady, aby tak vytvořily prstenec a převinutí by bylo navinuto jako obvykle.

Velikost záplaty by byla částečně určena blízkostí kruhového svaru a teplotou, kterou by lepidlo bylo schopné snášet. Je zde možnost volby mezi epoxidovým lepidlem, snášejícím teploty až do 170°C, nebo bismaleidovým lepidlem, která snáší až 300°C, ale není zase tak kvalitní z hlediska pevnosti.

Koncept spojení typu „bendžo z obr.6 až obr.9 byl vyvinut jako prvek umožňující výrobu tlakového spojení se současným převinutím celého povrchu prstence vlákny. Alternativním řešením, které je nakresleno na obr.10, je možnost, která připouští existenci některé nezesílené zóny a pokouší se o minimalizaci jejího zeslabujícího účinku.

Obnažené oblasti představují problém obzvláště u tenkostěnných nádob z vysokopevnostních kovů. Místní zesílení skříně je nežádoucí a komplikuje výrobu a vede ke koncentraci napětí a možným zdrojům únavového lomu (což by bylo možné předpokládat u pevného prvku pevně připojeného k dilatující skříni). Provedení z obr.10 využívá rozptylovací desku napětí, která přemosťuje obnaženou oblast, obr.10a ukazuje řez skrze rozptylovací desku napětí v místě vstupní trubky 61, a obr.10b řez vedený v místě od vstupní trubky 61.

Deska 62 je zakřivená tak, aby se vyrovnala zakřivení prstencovité skříně 64 a má otvor takový, aby dosedla přes vstupní trubku 61 a hrany s nálitkem. Deska zajišťuje přídavnou podporu v obnažené oblasti, kde chybí převinutí • ·

-η66. Deska by měla být volně připevněná a měla by proklouzávat po prstenci s tím, jak tento dilatuje. K usnadnění tohoto kroku může být použit mazací film.

Deska bude vystavená působení velkých střihových napětí a stejně tak i ohybových napětí, proto musí být dostatečně silná a z vhodného materiálu, aby vyhověla těmto požadavkům. Obecně nejsou vláknové kompozity vhodné k tomu, aby odnímaly střihové zatížení mimo rovinu. Preferovány jsou izotropické materiály, zajišťující odolání vloženým spojům nebo fitinkám. Tímto způsobem možnost získání konzistentního výbuchu tlaku, charakterizovaného nízkým koeficientem změn, je vylepšena.

Když uvažujeme o převinuté prstencovíté tlakové nádobě, ať už s konceptem spojení typu „bendžo” z obr.6 až obr.9, nebo s konceptem rozptylovací desky napětí z obr.10, někdo by možná očekával, že první lom nastane hlavně díky působení kruhových zatížení (konstrukce je určená k využití nadměrného převinutí k potlačení lomu díky poledníkovému zatížení). Očekávaný lom by měl patrně formu meridiánové trhliny, vedoucí okolo malého obvodu prstence. V kruhovém směru může být nejslabší zóna pravděpodobně nalezena v oblasti svaru a/nebo oblasti zasažené působením žáru okolo tlakového vstupu, tj. buď na sloupku nebo na vstupní trubici.

Vyhnout se lomu lokálním zesílením je nežádoucí z důvodů již výše uvedených. Rozptylovací deska napětí nezajišťuje nic, co by vedlo k odstranění membránových zatížení, která vedou k lomu.

Možným řešením je použití tenké záplaty přilepené k povrchu prstence okolo svaru. Pro toto je ideální CFRP a technologie pro nanášení těchto záplat je rovněž velmi dobře

Ί »φ · Φ • φ φ · • φ etablovaná tak, jak ji vytvořila práce společnosti SMC na opravách kompozitů. Protože ztráta pevnosti okolo svarů není považována za velikou, tloušťka potřebného materiálu může být celkem malá, možná i méně než 0,5 milimetrů. Tak i zvýšení hmotnosti bude minimální.

Metoda zesilující záplaty je použitelná jak pro koncept půlměsíce z obr.6 až obr.9, tak i pro koncept rozptylovací desky napětí z obr.10. V prvním případě by dodatečná tloušťka vytvořila menší problém v oblasti, kde prostor je na prvním místě. V případě druhém by záplata byla nutná k funkci pod rozptylovací deskou napětí a tak by nutně musela mít dostatečnou pevnost, aby vydržela působící tlaková napětí.

Claims (17)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro jímání a dodávaní plynu, které se skládá z tlakové nádrže (2), vybavené přípojkou (8) pro dodávku plynu, dodávacím zařízením (28), které je možné připojit k přípojce (8) a zajišťuje tak dodávku plynu z jednoho konce na konec druhý a dále s řídícího ventilu (29), který ovládá objem dodávaného plynu, vyznačuj ící se tím, že nádrž (2) je prstencovitá tlaková nádoba, tvořená kovovou prstencovitou skříní, která má na svém povrchu navinutou vrstvu z vysokopevnostního polymerického vlákna (4) a která nese tahové zatížení, kde vlákno (4) je vyrovnáno v podstatě meridiánovým (poledníkovým) směrem na prstencovité skříni a je bez jakéhokoliv materiálu tvořícího matrici a tó alespoň pro větší část tloušťky vrstvy vlákna (4) .
2. 2. Zařízení podle nároku 1., vyznačuj ící se tím, že přípojka (8) pro dodávku plynu je umístěna na vnitřní straně prstence.
3. 3. Zařízení podle nároku 1. nebo nároku 2., vyznačující se tím, že přípojka (8) pro dodávku plynu obsahuje dále prvek, který zajišťuje uvolnitelně spojení dodávacího zařízení a uzavíracího ventilu a které zabraňuje uvolnění plynu ve chvíli, když je dodávací zařízení odpojeno.
4. 4. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že skříň (64) je tvořená prstencem s kruhovým poledníkovým průřezem a s rovnoměrnou tloušťkou stěny.
5. 5. Zařízení podle nároku 4., vyznačuj ící 'f ~2^~

   99 9 9 ^f9 9 '·'·· 9 9 9 9

   9 ♦ 9 9. 9 9 9 9 9 9

   99 9 9 999 9 999

   99 999 9 9999 9 999 9 9

   9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

   9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 se tím, že vlákno (4) je aramidová.
6. 6. Zařízení podle nároku 5., vyznačuj ící se tím, že vrstva nesoucí tahové zatížení je vyrobená ze smíchaných vláken (4), tvořených aramidovými vlákny v kombinaci s jedním z dále uvedených vláken: uhlíkové, skelné nebo keramické.
7. 7. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že vláknové převinutí (34, 66) je předepjaté tak, aby vyvolávalo kompresní předpětí působící na kovovou skříň (64).
8. 8. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že skříň (64) je vyrobena z materiálu, zvoleného ze skupiny tvořené hliníkem a jeho slitinami a titanem a jeho slitinami.
9. 9. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že tlaková nádrž (2) je opatřena částí (10) se zesílenou vnitřní skříní bez převinutí (34, 66) v místě přípojky (8) pro dodávku plynu.
10. 10. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků 1. až nároku 9., vyznačující se tím, že prstencovité nebo částečně prstencovité očko (42) je upevněno na otvoru (44) v prstencovité skříni (41) pod převinutím, toto očko (42) se skládá z vnějšího povrchu, který je pokrýván poledníkově navinutými vlákny (46), z bočního otvoru a ze vzduchového průchodu (43), který zajišťuje spojení mezi otvorem (44) v prstencovité skříni a bočními otvory.
11. 11. Zařízení podle nároku 11., vyznačující se tím, že očko (42) je částečně prstencovité s půlměsícovitě tvarovanou sekcí.
12. 12. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků,

    Ί vyznačující se tím, že ovládací zařízení je tvořené tlakovým regulátorem (27).
13. 13. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, zeje umístěné v brašně a skládající se ze prvků pro připevnění zařízení na záda člověka a takto ulehčující nesení.
14. 14. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je v provedení ukázaném na obr.l a obr.2.
15. 15. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, žejev provedení ukázaném na obr.4 a obr.5.
16. 16. Zařízení podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, žejev provedení ukázaném na obr.6 až obr.9.
17. 17. Dýchací zařízení, skládající se z nádrže na plyn, jenž může přenášet člověk, a z dodávacího zařízení, podle jakéhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že tlaková nádrž (2) na plyn slouží jako nádrž pro dýchací plyn a že zařízení se dále skládá z dýchací obličejové masky (30) a ventilu (29) ovládaného uživatelem, napojeného na druhý konec přípojky (8) pro dodávku plynu.