DE10000705A1 - Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck bestehend aus einem Kunststoff-Kernbehälter der mit faserverstärkten Kunststoffen verstärkt ist und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck bestehend aus einem Kunststoff-Kernbehälter der mit faserverstärkten Kunststoffen verstärkt ist und Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Druckbehälter zur Speicherung flüssiger und/oder gasförmiger Medien unter einem Betriebsdruck oberhalb des Atmosphärendrucks, wobei der Druckbehälter einen zur Speicherung des Mediums vorgesehenen Hohlraum umschließt und mindestens einen Anschluß zum Befüllen und/oder Entleeren aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der Anschlußbereich eines mit Faserkunststoffverbund verstärkten Kunststoff-Kernbehälters ein Anschlußstück im Hals- und/oder Boden- und/oder zylindrischen Behälterteil auf, wobei in das Anschlußstück des Kunststoff-Kernbehälters ein Insert eingebracht ist, welches den Ausgang des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters kragenförmig einhüllt.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Druckbehälter zur Speicherung flüssiger und/oder gasförmiger Medien unter einem Betriebsdruck oberhalb des Atmosphärendrucks, wobei der Druckbehälter einen zur Speicherung des Mediums vorgesehenen Hohlraum umschließt und mindestens einen Anschluß zum Befüllen und/oder Entleeren aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters.
Flüssige und/oder gasförmiger Medien werden üblicherweise in Druckbe­ hältern transportiert, die eine geeignete Konstruktion gegen Leckagen, Diffusion oder Permeation des gespeicherten Mediums aufweisen und den mechanischen Beanspruchungen durch Innen- bzw. Außendruck sowie den weiteren Beanspruchungen mechanischer, physikalischer und chemischer Art während des Betriebes standhalten.
Durch geeignete Kombination von Polymeren als Matrix mit hochfesten Fasern als Verstärkung und durch die Wahl eines geeigneten Verstär­ kungsaufbaus lassen sich, den Anforderungen entsprechend, auf das Bauteil maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen. Druckbehäl­ ter aus Faserkunststoffverbunden hergestellt, sind gegenüber herkömmli­ chen Stahl- oder Aluminiumbehältern hinsichtlich drucktechnischer Eignung gleichwertig, bieten darüber hinaus jedoch entscheidende Vorteile wie geringes Gewicht, erhöhte Korrosionsbeständigkeit und extreme Ermü­ dungsfestigkeit.
Aus Faserkunststoffverbunden mit polymeren Matrixsystemen hergestellte Druckbehälter sind bekannt und es existiert eine Vielzahl an Patenten.
Als Beispiel sei das Europa Patent EP 0810081 A1 "Pressure Vessel and Method of Manufacturing Same" genannt. Hierbei wird beschrieben wie eine geschlossene Hüllschicht, die aus einem Kunststoff besteht, im Fa­ serwickelverfahren mit einem Faserkunststoffverbund umhüllt wird. Ein ähnliches Behälterprinzip wird im Europapatent EP 0333013 A1 "Pressure Vessels" beschrieben. Auch in diesem Falle wird eine Hüllschicht mit Fasern derart umgeben, daß die Verstärkungshülse den mechanischen Beanspruchungen standhält.
Andere bekannte Bauarten sind in den Patentschriften DE 197 51 411 C1, DE 195 26 154 C2, EP 0821 194 A2 (Mannesmann), EP 0300931 B1 (Ullit), EP 0333013 A1 (ABB Plast), EP 0550951 A1 (Brunswick), EP 0553728 A1 (EDO) und WO 94112396 (NGV Systems) beschrieben. Die Patentschriften beschreiben Druckbehälter für Gase und/oder Flüssigkeiten, bestehend aus Kunststoffgrundkörpern mit verschieden ausgeführten metallischen Anschlußstücken, die bis auf EP 0333013 A1 den wesentlichen Patentin­ halt darstellen während EP 0333013 A1 dezidiert die Verarbeitungstechnik des Wickelverfahrens bzw. den Laminataufbau und insbesondere eine optimale Kerngeometrie für optimale Spannungsverhältnisse im Faserver­ bundwerkstoff beschreibt.
Die in o. a. Patenten beschriebenen Techniken wiesen im Einsatz einige Unzulänglichkeiten auf, insbesonder Undichtigkeiten im Anschlußbereich bzw. kostenintensive Fertigungstechniken.
Die in den Patenten der Fa. EDO beschriebene Anschlußtechnik führte beispielsweise nach relativ kurzer Betriebsdauer zu Undichtheiten im Anschlußbereich zwischen dem metallischen Anschlußstück und dem Kunststoff-Grundkörper mit der Folge, daß die Behälter wieder aus dem Betrieb genommen werden mußten. Von dem Patent der Fa. NGV-Systems ist beispielsweise bis heute keine einzge Anwendung, vermutlich aufgrund der kostenintensiven Fertigungstechnik, bekannt. Auch bei dem patentierten Design der Fa. Brunswick fielen einzelne Behälter durch Leckagen im Betrieb aus (Quelle: Powertech Labs/Vancouver).
Die hier beschriebene Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus Faser­ kunststoffverbund zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck mit einem Kunststoff - Kernbehälter wobei der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde liegt, einen Druckbehälter derart weiterzubil­ den, daß die im Stand der Technik genannten Nachteile bzw. beschriebe­ nen Ausfälle im Betrieb vermieden werden. Es soll ein Faserkunststoffver­ bundbehälter mit geringem Eigengewicht, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig langzeitiger Dichtheit ge­ schaffen werden, der den mechanischen Beanspruchungen standhält und kostengünstig herzustellen ist.
Die Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik von Druckbehältern aus Faserkunststoffverbund derart weitergebildet, daß insbesondere eine hohe und langzeitige Dichtheit am Anschlußstück auch bei extremen wechselnden thermischen und mechanischen Betriebsbeanspruchungen sichergestellt wird.
Die Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung bei dem eingangs genannten Behälter dadurch gelöst, daß der Anschlußbereich eines mit Faserkunststoffverbund verstärkten Kunststoff-Kernbehälters ein Anschluß­ stück im Hals- und/oder Boden und/oder zylindrischen Behälterteil aufweist, wobei in das Anschlußstück des Kunststoff-Kernbehälters ein Insert eingebracht ist, welches den Ausgang des Anschlußzapfens des Kunst­ stoff-Kernbehälters kragenförmig einhüllt.
Das Insert ist in einer Ausführungsform mit einer ringförmigen Nut für einen Dichtring, unterhalb des auslaufenden Kragens des Inserts, zwischen Insert und Innenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters versehen. Zudem ist in einer Ausführungsform eine weitere ringförmige Nut mit einem Dichtring an der Oberfläche des auslaufenden Kragens des Insert vorgesehen, der mit der Druckleitungszuführung, beispielsweise einer Rohrleitungsaufnahme und/oder einem Ventil, verpreßt wird. In weiterer Ausgestaltung kann der Behälter mit einer Öffnung im zylindri­ schen Teil zum Befüllen und Entleeren des Behälters versehen sein.
Das Anschlußstück ist zur Oberfläche des Kunststoff-Kernbehälters kra­ genförmig geformt. Um eine weitere gezielte Kraftübertragung zwischen Faserkunststoffverbund und Anschlußstück zu gewährleisten, weist das Anschlußstück beispielsweise Kerben, Erhebungen und/oder Schlüssel­ flächen im Bereich der Verbindung zum Faserkunststoffverbund auf.
Als Verstärkungsfasern im Faserkunststoffverbund können beispielsweise - jedoch nicht ausschließlich - Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Polymerfasern, organische Fasern, metallische Fasern und/oder andere Fasertypen Einsatz finden.
Hinsichtlich des entsprechenden Verfahrens zur Herstellung eines Druck­ behälters aus Faserkunststoffverbund für die Speicherung flüssiger und/ oder gasförmiger Medien unter einem Betriebsdruck oberhalb des Atmo­ sphärendruckes wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die folgenden Schritte gelöst:
  • a) Ausbildung der Innenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff- Kernbehälters zur Aufnahme des Inserts durch entsprechende Formge­ bung im Herstellungsverfahren des Kunststoff-Kernbehälters und/oder durch nachträgliche Bearbeitung der Innenoberfläche des Anschluß­ zapfens des Kunststoff-Kernbehälters.
  • b) Einbringen des Inserts durch Schrumpfen des vorab aufgeheizten Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters in den Anschlußzapfen und/oder durch Einpressen und/oder durch Schrumpfen des Inseris nach vorangegangener Abkühlung des Inserts in den Ausgang des An­ schlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters.
  • c) Montage des Anschlußstückes an der Außenoberfläche des Anschluß­ zapfens des Kunststoff-Kernbehälters wobei ggf. die untere Kragenseite des Anschlußstückes mit geeigneten Fügetechniken mit der Außen­ oberfläche des Kunststoff-Kernbehälters fest verbunden werden kann.
  • d) Verstärkung des vormontierten Kunststoffkernbehälters mit Faserkunst­ stoffverbund und Einsetzen der Druckleitungszuführung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Behälter geschaffen werden, die die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen, Funk­ tionen und Effekte aufweisen, auf die vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen wird.
Die zu speichernden Medien können Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendi­ oxid, Propan, Erdgas, Wasserstoff oder aber andere technische Gase oder Flüssigkeiten oder dergleichen sein. Die Erfindung ist auf keine besondere Art von Speichergasen und/oder Flüssigkeiten beschränkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein wie vorstehend beschriebener Behälter, der insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden.
Beispiel für mögliche Verwendungsformen sind in beispielhafter und nicht abschließender Aufzählung die Verwendung als Druckgefäß für Brenngase, wie beispielsweise Erdgas- oder Wasserstoff, für Gasbetriebene Fahrzeu­ ge, Druckgefäße für Pneumatik- und Hydraulikanwendungen, Druck­ luftspeicher in Lastkraftwagen, Bussen und Bahnen, als Druckgefäß für Feuerlöscher, als Druckgefäß für Rettungssysteme (zum Beispiel Airbag), als Druckgefäß für Propangas.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Anschluß­ bereiches
Fig. 2 eine schematischen Draufsicht des erfindungsgemäßen Behälters gemäß einer zweiten Ausführungsform mit zentrisch angeordneter Befüll- und Entleerungsöffnungen in einem Deckel
Fig. 3 einen schematischen Draufsicht des erfindungsgemäßen Behälters gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei versetzt angeordneten Be- und Entladeöffnungen im Deckel.
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Behälters der Fig. 1-3 mit einem optional zusätzlich im zylindrischen Behälterteil angeordneten Be- und Entladeöffnungen.
In Fig. 1 ist der Anschlußbereich einer Ausführungsform schematisch im Querschnitt dargestellt. An mit Faserkunststoffverbund (1) verstärkter Kunststoff-Kernbehälter (2) zur Speicherung von flüssigen und/oder gas­ förmigen Medien unter Druck ist ein Anschlußstück (3) im Hals- und/oder Boden und/oder zylindrischen Behälterteil angebracht.
In dem Anschlußstück (3) des Kunststoff-Kernbehälters (2) ein Insert (4) vorgesehen, welches den Ausgang des Anschlußzapfens des Kunststoff- Kernbehälters (2) kragenförmig einhüllt.
Das Insert (4) kann eine ringförmige Nut für einen Dichtring unterhalb des auslaufenden Kragens des Inserts (4) zwischen Insert und Innenoberfäche des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters (2) sowie eine weitere ringförmige Nut mit einer Dichtring an der Oberfläche des auslaufenden Kragens des Insert aufweisen, der mit der Druckleitungszuführung (5) (Rohrleitungsaufnahme und/oder Ventil) verpreßt wird. Zudem wird durch eine vorgeschaltete Bearbeitung oder einer anderen geeigneten Herstel­ lung des Anschlußzapfens die Innenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters z. B. durch Aufschrumpfen auf das Insert verbun­ den mit der Folge einer hohen Maßgenauigkeit der Außengeomtrie des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters.
Das Anschlußstück (3) ist zur Oberfläche des Kunstoff-Kernbehälters (2) hin kragenförmig mit oder ohne an der Kragenoberfläche angeordneten Erhebungen ausgebildet und/oder um 90° versetzten Schlüsselflächen an der Außenoberfläche des Anschlußstückes im Bereich des Faserkunst­ stoffverbundes (1) ausgeführt. Diese Ausführung des Anschlußstückes ermöglicht eine gezielte Kraftübertragung von Faserkunststoffverbund (1) zum Anschlußstück (3) sowie eine Verdrehsicherung bei Montage und Demontage des Rohrleitungsanschlusses oder eines Ventils.
In Fig. 2 ist eine schematischer Draufsicht des erfindungsgemäßen Behäl­ ters gemäß einer Ausführungsform dargestellt wobei der Behälter über das zentrisch angeordneten Anschlußstück (3) befüllt und/oder entleert werden kann.
In Fig. 3 ist eine schematischer Draufsicht des erfindungsgemäßen Behäl­ ters gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt wobei der Behälter über zwei versetzt angeordneten Anschlußstücke (3) befüllt und/oder entleert werden kann.
Fig. 4 stellt beispielhaft eine optionale Ausführung von Fig. 2 und Fig. 3 in der Weise dar, falls aus technischen Gründen ein weiterer Anschluß (3) im zylindrischen Behälterteil angeordnet werden muß.

Claims (8)

1. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck mit einem Kunststoff-Kernbehälter der einen oder mehrere Anschluß­ stücke im Hals- und/oder Boden und/oder zylindrischen Behälterteil aufweist, von denen mindestens ein Anschlußstück zur Aufnahme eines einschraubbaren zylindrischen oder konischen Gewinde aufweisenden Druckleitungszuführung wie z. B. einem Ventil oder Rohrleitungsan­ schluß ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet daß im Anschluß­ zapfen des Kunststoff-Kernbehälters ein zylindrisches Insert mit einem am Anschlußzapfenende einhüllenden bzw. umlaufenden Kragenende montiert ist, wobei mindestens zwei Dichtungen in der Weise angeord­ net sind, daß mindestens eine Dichtung zwischen Insert und Innenober­ fläche des Kunststoffanschlußzapfens des Kunststoffkernbehälters so­ wie mindestens eine weitere Dichtung zwischen Insert und Drucklei­ tungszuführung angeordnet ist.
2. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zwischen Insert und Innenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff- Kernbehälters und/oder die Dichtung zwischen der Kragenoberfläche des Inserts und der Druckleitungzuführung aus ringförmigen Nuten in Verbindung mit einem Dichtring und/oder einem anderen geeigneten Dichtmittel oder einer Dichtscheibe besteht.
3. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragenoberfläche des Anschlußstückes der Kontur der Kunststoff-Kernbehälteroberfläche angepaßt ist und ggf. an der unteren Kragenseite mit geeigneten Füge­ techniken mit der Außenoberfläche des Kunststoff-Kernbehälters fest verbunden werden kann.
4. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück mit Gewinde und/oder Klebung und/oder anderen Fügetechniken mit der Außenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters verbunden ist und/oder mit der Außenoberfläche des umlaufenden Kragen des Inserts verbunden ist.
5. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück mit konischem oder zylindrischem Innengewinde zur Aufnahme der Druck­ leitungszuführung versehen ist.
6. Mit Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkunststoff­ verbund entsprechend der günstigsten mechanischen Spannungen auf der Kragenoberfläche in den zylindrischen Ausnehmungen des An­ schlußstückes eingearbeitet werden kann wobei Erhebungen bzw. Aus­ nehmungen an der Kragenoberfläche und/oder Schlüsselflächen im Anschlußstück im Bereich des Faserkunststoffverbundes einen höheren Drehmomentwiderstand des Anschlußstückes über den Faserkunst­ stoffverbund gegenüber eingedichteten Ventilen oder Rohrleitungen bewerkstelligt.
7. Verfahren zur Herstellung von mit Faserkunststoffverbund verstärkten Kunststoff-Kernbehälter zur Speicherung von flüssigen und/oder gas­ förmigen Medien unter Druck dadurch gekennzeichnet, daß im An­ schlußzapfen des Kunststoff-Kernbehälters ein Insert nach vorange­ gangener Ausbildung der Innenoberfläche des Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters z. B. in Form einer mechanischen Bearbeitung eingebracht wird, der zu einer höheren Maßgenauigkeit der äußeren Zapfengeometrie durch die definierte zylindrische Außengeometrie des Inserts führt, wobei das Insert durch Schrumpfen des vorab aufgeheiz­ ten Anschlußzapfens des Kunststoff-Kernbehälters in den Anschluß­ zapfen und/oder durch Einpressen und/oder durch Schrumpfen des Inserts nach vorangegangener Abkühlung des Inserts eingebracht wird.
8. Verfahren zur Herstellung von mit Faserkunststoffverbund verstärkten Kunststoff-Kernbehälter nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Insert vor Montage des Anschlußstückes mit dem Anschlußzapfen des Kunststoff-Kernbehälters eingebracht wird.
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