DE102005010206A1

DE102005010206A1 - Bauteil zur Aufnahme und/oder Leitung eines Fluids sowie Verfahren zur Herstellung des Bauteils

Info

Publication number: DE102005010206A1
Application number: DE102005010206A
Authority: DE
Inventors: Frank Finis; Ewald Dr. Schmitz; Hans-Jürgen Staßfurth; Nadine Fischbach; Fred Hoffmann
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2006-09-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zur Aufnahme und/oder Leitung eines fluiden Mediums sowie ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Bauteil. DOLLAR A Um ein Bauteil zur Aufnahme und/oder Leitung eines fluiden Mediums, das als Behälter oder Rohr aus mindestens einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist und einen Innenmantel und einen Außenmantel aufweist, wobei der Innenmantel zur Aufnahme oder Leitung des Fluids ausgebildet ist und der Außenmantel den Innenmantel stützt, mit noch weiter erhöhter Zuverlässigkeit beim Dauereinsatz sowie ein effizientes und ökonomisches Herstellungsverfahren zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Innenmantel (5) und der Außenmantel (6) unter Nutzung mindestens einer im Zuge des Fertigungsprozesses auftretenden Dimensionsänderung mindestens einer der beiden Mäntel (5, 6) ineinander fixiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil zur Aufnahme und/oder Leitung eines fluiden Mediums sowie ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Bauteil.

Vorrichtungen zur Durchleitung und/oder Speicherung von Warmwasser in Form von Trinkwasser mit einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 82°C bestehen im Kontaktbereich mit dem Warmwasser in der Regel aus Kupfer, Messing, Edelstahl, emailliertem Stahl oder sonstig beschichteten Metallen. Die genannten Materialien sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften und/oder Herstellungskosten nachteilig. Zudem führen insbesondere Kupfer und Messing zu einer Trinkwasserbelastung und bei niedrigem pH-Wert unterhalb einer Grenze von pH 6,5 neben einer erheblichen Belastung des Trinkwassers auch zu hohen Korrosionserscheinungen an den jeweiligen Vorrichtungen.

Aufgrund der Kosten, aber auch der fortschreitend verschärften Bestimmungen und Grenzwerte für Trinkwasser und dessen chemische Belastungen ist in der jüngeren Vergangenheit zunehmend ein Einsatz von Kunststoffen in diesem Anwendungsbereich angeregt worden. Die Beanspruchung von fluidführenden Bauteilen im Anwendungsspektrum der Warmwasseraufbereitung und Trinkwasserinstallation ist jedoch gekennzeichnet durch eine Überlagerung verschiedenartiger Belastungsarten. Neben einer rein mechanischen Beanspruchung durch einen Druck von in der Regel mehr als 6 bar und Druckschwankungen treten zusätzlich Temperatur- und Medieneinflüsse auf, die für Polymerwerkstoffe und deren Dauerzuverlässigkeit im Einsatz im allgemeinen kritische Faktoren darstellen. Dabei handelt es sich nicht nur um eine statische Belastung, sondern vielmehr um zyklisch-dynamische Bauteilbeanspruchungen, die aufgrund von Temperatur- und/oder Druckwechseln auftreten. Nicht zuletzt stellt auch das Medium Wasser selber mit seinen vielfältigen Inhaltsstoffen, wie beispielsweise Kalk, Ablagerungen oder Salz- und Chlorkontakten bei Schwankungen im pH-Wert etc., eine weitere wichtige Anschlussgröße für die Verwendung vieler Kunststoffe dar. Die Anforderungen an Kunststoffe in diesem besonderen Anwendungsbereich sind demzufolge sehr hoch.

Aus der DE 102 16 175 C1 ist ein Bauteil der genannten Art bekannt, das als Behälter oder Rohr einen Innenmantel und einen Außenmantel aufweist, wobei der Innenmantel zur Aufnahme oder Leitung des Fluids ausgebildet ist und der Außenmantel den Innenmantel stützt. Als ein in großem Umfang in Behältern gespeichertes oder durch Rohrleitungen transportiertes Fluid, das insbesondere an das Material eines Innenmantels einer Vorrichtung der genannten Art aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung und/oder chemischen Beimischungen sowie Änderungen seiner Temperatur und Schwankungen in einem Betriebsdruck sehr hohe Anforderungen stellt, wird nachfolgend ohne Verzicht auf den Einsatz anderer fluiden Medien nur Trinkwasser behandelt.

Hinsichtlich der Druckdauerfestigkeit sowie einer Druckwechselbelastung sind Druckbehälter in Heißwasserspeichern als besonders kritische Bauteile zu betrachten. Hierzu lehrt die DE 102 16 175 C1 die Verwendung eines hinreichend wasserdichten und temperaturbeständigen Innenmantels, der durch einen stabileren und steiferen Kunststoff-Außenmantel mit zusätzlichen mechanischen Versteifungen gestützt wird.

Es ist die Aufgabe der vorstehenden Erfindung, ein aus mindestens einem Kunststoffmaterial bestehendes Bauteil der vorstehend genannten Art mit noch weiter erhöhter Zuverlässigkeit beim Dauereinsatz sowie ein effizientes und ökonomisches Herstellungsverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils der vorstehend genannten Art mit jeweils mindestens einer Innenschicht aus einem ersten Kunststoff und mindestens einer Außenschicht aus einem zweiten Kunststoff dadurch aus, dass die Innenschicht und die Außenschicht unter Nutzung mindestens einer im Zuge des Fertigungsprozesses auftretenden Dimensionsänderung mindestens einer der beiden Schichten ineinander fixiert werden. Ein dementsprechendes Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenschicht und/oder die Außenschicht durch interne Verspannungen der jeweiligen Kunststoffe spaltfrei miteinander, ggf. auch wieder trennbar, verbunden sind.

Bei der Verarbeitung von Kunststoffen sind fertigungsbedingte Dimensionsänderungen bekannt. Gerade beim Kunststoffspritzguss, aber auch beim Kunststoffdruckguss treten an die Formgebung anschließend Dimensionsänderungen in dem gerade hergestellten Kunststoff-Formteil auf, die unter Bezeichnung Fertigungsschrumpfung bzw. Fertigungsschwund bekannt sind. Ein Fertigungsschwund fällt dabei deutlich größer als jede nachfolgende temperaturbedingte Dimensionsänderung aus. Als weitere Form einer Dimensionsänderung tritt bei Kunststoffen noch eine über der Zeit sehr langsam ablaufende Schrumpfung durch materialintern ablaufende Rekristallisationsprozesse auf.

Neben einem Fertigungsschwund ist aber auch der Vorgang einer inversen Schrumpfung bzw. Ausdehnung eines Kunststoffkörpers direkt im Anschluss an die eigentliche Formgebung technisch realisierbar. Hierzu können beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise chemische und/oder physikalische Treibmittel in das noch warme Kunststoffmaterial eingebracht, z.B. durch Injektionsverfahren, und/oder innerhalb des Kunststoffkörpers aktiviert werden. Durch die Treibmittel, die zum Kunststoffgranulat hinzugefügt werden, wird der Verarbeitungsschwund reduziert oder gar vermieden.

In einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren stehen damit drei Möglichkeiten zur Schaffung einer nahezu spaltfreien Anordnung von einer Außenschicht über einer Innenschicht zur Verfügung:

• die Außenschicht kann auf die Innenschicht aufschrumpfen,
• die Innenschicht kann sich gegen die Außenschicht ausdehnen, oder
• es kann schließlich die Innenschicht sich ausdehnen und zugleich die Außenschicht noch auf die Innenschicht schrumpfen.

Jeder der vorstehend genannten Fälle erlaubt dabei in vorteilhafter Weise die Verwendung mindestens eines bereits vorgefertigten Teilkörpers, der entsprechend einem der vorstehend genannten Szenarien mit einem zweiten Element spaltfrei verbunden wird. Dieses zweite Element kann für diesen Zusammenbauschritt direkt aus einer Form entnommen worden sein, es kann jedoch auch in oder über ein vorgefertigtes erstes Teil in einer Form hergestellt werden, vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren. In jedem der vorstehend genannten drei Fälle wird durch behinderte Dehnung oder behinderte Schrumpfung eine Zug- oder Druckspannung in mindestens eines der miteinander zu verbindenden Elemente induziert.

Eine materialintern auftretende und verbleibende Restspannung kann dabei vorzugsweise in jedem der beiden Mäntel in bestimmten Bereichen eingestellt werden. Diese Restspannung wird dabei so gewählt, dass keines der beteiligten Materialien durch zu hohe intern wirkende Kräfte mechanisch überfordert wird und andererseits sich auch in Folge von alterungsbedingten Schrumpfungsprozessen und/oder Rekristallisationsvorgängen zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel kein Spalt bildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Innenmantel auch im Fall von Temperatur- und/oder Druckwechselbeanspruchungen stets eine ausreichende mechanische Stärkung durch den Außenmantel dahingehend erfährt, dass durch zu starke Dehnung des Innenmantels hervorgerufene Rissbildungen und damit einhergehende Undichtigkeiten im Bereich mindestens des Innenmantels dauerhaft unterbunden werden können.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Innenmantel oder mindestens eine Innenschicht mit mindestens einem physikalischen und/oder chemischen Treibmittel in den Außenmantel eingebracht. Zur Bildung einer in Fluidkontakt stehenden inneren Oberfläche des Innenmantels kann der Innenmantel selber mehrschalig aufgebaut sein, beispielsweise in Form mehrerer Innenschichten. Dabei kann auch für die in Fluidkontakt stehende Innenschicht auf ein vorgefertigtes Element zurückgegriffen werden, das dann in die Außenschicht eingesetzt und durch eine sich zum Abschluss des Fertigungspro zesses dauerhaft ausdehnende zweite Innenschicht spaltfrei mit der Außenschicht verbunden wird.

Allen vorstehend mit Weiterbildungen beschriebenen Lösungen für ein Bauteil in Form eines Druckbehälters oder eines Rohres mit Fluidbelastung durch erwärmtes Trinkwasser ist damit gemeinsam, dass sie als mehrschichtige Strukturen aus mindestens zwei Kunststoffen gebildet werden, wobei eine Aufteilung der verschiedenen Anforderungen an mehrere Kunststoffe mit unterschiedlichem Eigenschaftsprofil vorgenommen werden kann. Der Innenmantel bzw. der Inliner wird geeignet für Mediendauerbeständigkeit und insbesondere dauerhafte Dichtigkeit auch im Heißwasserkontakt ausgewählt. Als Materialien für den Innenmantel kommen hierzu beispielsweise Polyethylen PE, Polypropylen PP oder Polybuten PB-1 zum Einsatz.

Der äußere Stützmantel bzw. die mindestens eine Außenschicht wird den maximal zu erwartenden mechanischen Anforderungen entsprechend ausgewählt, um zu verhindern, dass der Inliner zu stark gedehnt wird, was auf Dauer die Bildung von Rissen zur Folge hätte. Dementsprechend kommen für die Außenschicht als äußerer Stützmantel vorteilhafterweise durch Glasfasern, Kohlenfasern, Aramidfasern oder Naturfasern oder in sonstiger Weise faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, wie beispielsweise Polyamid PA, Polyphenyloxid PPO, Polyphenylsulfid PPS oder Polyphtalamid PPA.

Als Herstellprozesse sind bei der Wahl thermoplastischer Kunststoffe zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauteile mit Spritzgieß- oder Druckgussverfahren vergleichsweise einfache und kostengünstige sowie kunststofftypisch rationelle Produktionsverfahren einsetzbar. Ein Mehrkomponentenspritzguss ist zur Erzielung einer spaltfreien Verbindung zwischen Au ßen- und Innenmantel aufgrund interner Verspannungen der jeweiligen Kunststoffe genauso einsetzbar, wie ein Schrumpfprozess bzw. inverser Schrumpfprozess. Bei gegenüber dem Stand der Technik bekannten und in der Regel als umwickelte Mehrschichtkörper aufgebauten Behältern ist erfindungsgemäß eine deutliche Reduzierung des Bauteilgewichtes zu erzielen. Gleichzeitig kann eine vorteilhafte Erhöhung des geometrischen Gestaltungsspielraumes bei der Konstruktion bei hoher funktionaler Integrationsdichte erzielt werden.

In einer wesentlichen Ausbildung der Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Bauteil an einem freien Ende mit einem Flansch versehen. An diesem Flansch kann das erfindungsgemäße Bauteil mit einem im wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildeten Flanschbereich eines weiteren Bauelementes durch Verschraubung abdichtend verbunden werden. Die Ausbildung des Flanschbereiches ist dabei im Hinblick auf eine lokale Reduzierung von Bauteilspannungen optimiert ausgeführt. Eine Krafteinleitung in den Flanschbereich erfolgt in einer Ausführungsform der Erfindung über kreisringförmige Metallflansche mit einer Kontur, die Spannungsspitzen in Kunststoffen entgegenwirkt. Spannungsspitzen in den Kunststoffen wirkt ein erfindungsgemäß ausgebildeter Metallflansch u.a. dadurch entgegen, dass mechanische Belastungen auf größere Kunststoff-Regionen gleichmäßig verteilt werden. In einem Flanschring kann in einer Weiterbildung der Erfindung ein Gewindedurchzug mit Gewinde angeformt sein, wodurch auf Muttern zur Herstellung einer Verschraubung verzichtet werden kann.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt eine Verschraubung eines Flanschbereichs auch ohne einen metallischen Flanschring in Form einer konventionellen Durchsteckverschraubung oder mittels Kunststoff-Direktverschraubung.

Hierzu sind domartige Erhöhungen auf der Schraubenkopfseite zur gleichmäßigeren Krafteinleitung in den Kunststoff und eine domartige Ausbildung eines entsprechenden Bereiches auf der Konterpartseite bei Anbindung an den Flansch und die zugehörige Wand des Außenmantels durch gleichmäßige und runde Übergänge in allen Dimensionen vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die späteren Verschraubungen im Bereich der Flansche praktisch spielfrei oder mit leichter Pressung mit einem Zugmittel ausgeführt. Hierdurch wird ebenfalls eine verteilte Krafteinleitung in die jeweils beteiligten Kunststoffe erzielt.

Durchführungen in einem erfindungsgemäßen Bauelement, wie sie beispielsweise für Ein- und Auslaufrohre sowie Heizkörperdurchführungen benötigt werden, zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass sie unter sanfter Einbindung der Durchführungen in eine gewählte Ausgangsgeometrie des Bauteils unter Nutzung großzügiger Radienübergänge in mechanisch weich ausgeführten Bereichen integriert werden. Das Kunststoff-Material des Bauteils behält so die Möglichkeit, äußere Belastungen durch eine zulässige Materialverformung intern abzubauen. In diesem Sinne werden auch für Heizkörperdurchführungen mehrere einzelne Öffnungen vorgesehen, deren Umgebungsbereiche über Radien mit konturangeformten Versteifungsstegen im Bereich des Außenmaterials und unter Geometrieanpassung hinsichtlich des Innenmantels miteinander verbunden sind.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen und entsprechender Herstellungsverfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: Eine Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform einer Halbschale eines Warmwasser-Druckbehälters;
2a und 2b: eine Schnittdarstellung durch den Anspritzbereich der Druckbehälter-Halbschale gemäß 1 in einer Schnittdarstellung sowie einer perspektivischen Draufsicht;
3: eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Halbschale für eine Warmwasser-Druckbehälter gemäß 1;
4a bis 4c: Ausschnitte perspektivischer Schnittdarstellungen und einer perspektivischen Ansicht eines Flanschbereiches der Halbschale von 1;
5a bis 5c: perspektivische Teilansichten einer ersten Ausführungsform eines metallischen Flanschringes;
6a und 6b: Ausschnitte perspektivischer Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines metallischen Flanschringes;
7a und 7b: perspektivische Darstellungen der zu den Flanschbereichen gemäß 4a und 5b korrespondierenden Flanschbereiche eines anzuschließenden Bauteils;
8a und 8b: perspektivische Darstellung analog den Abbildungen von 5b und 5c;
9a und 9b: perspektivische Darstellungen analog den Abbildungen der 6a und 6b;
10: eine perspektivische Draufsicht auf einen Warmwasser-Druckbehälter mit zwei über eine Flanschverbindung mit Kunststoff-Direktverschraubung miteinander verbundenen Halbschalen;
11: eine Schnittdarstellung einer Kunststoff-Direktverschraubung;
12a bis 12c: bemaßte Einzelteildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Kunststoff-Direktverschraubung gemäß den 10 und 11;
13: eine perspektivische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Halbschale von 10;
14: eine Detailvergrößerung von 13;
15a und 15b: eine Draufsicht auf Heizkörper-Durchführungen an einem erfindungsgemäßen Druckbehälter mit einer Schnittdarstellung in einer Ebene E-E;
16a und 16b: eine Draufsicht auf den in 15a dargestellten Bereich von innen mit einer Schnittdarstellung in der Ebene F-F;
17: eine Schnittdarstellung durch den Bereich eines Heizflansches eines Warmwasser-Druckbehälters;
18: eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausschnitts von 17;
19: eine Schnittdarstellung eines Auslaufrohres;
20a bis 20c: eine Außen- und zwei Innenansichten des Auslaufrohres von 19;
21: eine Schnittdarstellung eines Einlaufrohres
22a bis 22c: eine Außenansicht und zwei Innenansichten von Elementen des Einlaufrohres von 21;
23: eine perspektivische Darstellung einer Halbschale mit einem Heizflansch gemäß 15a/b, einem Auslaufrohr gemäß 19 und einem Einlaufrohr gemäß 21 in einer Außenansicht und
24: eine perspektivische Darstellung der Halbschale von 23 in einer Innenansicht.
Über die verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bauelemente hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
Die Schnittdarstellung von 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Halbschale 1 eines Warmwasser-Druckbehälters. Die Halbschale 1 weist an einem geschlossenen Ende einen halbkugelförmigen Behälterbereich 2 auf, der zu einem offenen Ende der Halbschale 1 hin in einen zylindrischen Behälterbereich 3 stetig und streng harmonisch übergeht. Die dargestellte Halbschale 1 ist im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsverfahren für Kunststoff-Fluidbehälter aus Kunststoffteilen hergestellt worden, die jeweils in einem Kunststoffspritzguss- oder Kunststoffdruckguss-Verfahren gefertigt und formschlüssig miteinander verbunden worden sind. Aus dem Stand der Technik ist dagegen die Fertigung eines blasgeformten, fluidresistenten Kunststoff-Hohlkörpers bekannt, der in einem sehr aufwendigen Verfahren zur Ausbildung einer mechanisch stabilen Außenschicht beispielsweise durch harzgetränkte Glasfasern umwickelt wird. Dagegen wird die in 1 dargestellte Halbschale 1 in einem nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt:
In einem ersten Schritt wird ein Innenmantel 5 bzw. ein Inliner in einem Spritzgießverfahren vorgefertigt und mindestens so weit abgekühlt, dass Bauteilschwindungen bzw. ein Fertigungsschwund im wesentlichen abgeschlossen ist. Damit liegt nun der Innenmantel 5 mit einer fixierten Geometrie vor. In einem zweiten Spritzgussprozess wird nun ein Außen mantel 6 aus einem anderen Kunststoffmaterial gefertigt. Direkt anschließend an den Abschluss der Formgebung des Außenmantels 6 wird der vorgefertigte Innenmantel 5 in den Außen- bzw. Stützmantel 6 eingelegt. Vorzugsweise wird der Innenmantel 5 direkt nach dem Entformen in den noch heißen Außenmantel 6 eingelegt, so dass ein weiterer auf zuschaltender Aufheizprozess für den Außenmantel 6 entfallen kann und der bei Kunststoffverarbeitungen gegenüber jeder thermischen Ausdehnung stets wesentlich größer ausfallende Fertigungsschwund des Außenmantels 6 für eine formschlüssige Verbindung zwischen Außenmantel 6 und Innenmantel 5 nach Abkühlung des Außenmantels 6 und dem Wirksamwerden des Verarbeitungsschwundes des Materials des Außenmantels 6 sehr effektiv genutzt werden kann. Denn das Material des Außenmantels 6 ändert durch den Verarbeitungsschwund seine Geometrie derart, dass der Außenmantel 6 auf die Kontur des Innenmantels 5 dauerhaft weitgehend spaltfrei aufschrumpft.
Das Einlegen des Innenmantels 5 erfolgt vorteilhafterweise direkt an der Spritzgussmaschine, die den Außenmantel 6 herstellt, durch ein geeignetes Handlingsystem oder einen Roboter. Dabei wird durch die Abstimmung der Bauteilgeometrien sowie der Verarbeitungsparameter im Spritzgussverfahren der jeweiligen Bauteile 5, 6 eine gezielte Schrumpfung erzielt, durch die sich der Außenmantel 6 als geschlossene Schicht mit definierter Vorspannung an das Material des Inliners bzw. des Innenmantels 5 anlegt.
Eine Spaltbildung zwischen Innen- und Außenmantel 5, 6 und eine damit verbundene schädliche Minderung der mechanischen Unterstützung des Innenmantels 5 durch den Außenmantel 6 wird durch die im Zuge der Fertigungsschrumpfung hervorgerufene statische Vorspannung sehr wirkungsvoll unterbunden. Durch diese Vorbelastung des Innenmantels 5 durch vom Außen mantel 6 herrührenden äußeren Druck kann in dem gewählten sicherheitskritischen Anwendungsgebiet einer Warmwasser-Druckspeicherung ein in der Regel permanent vorhandener, statischer Innenbelastungsdruck von ca. 5 bis etwa 15 bar dieser Außenbelastung entgegenwirken und damit die in Summe auf das Kunststoffmaterial des Innenmantels 5 wirkenden Kräfte absenken. In Summe sind hierdurch höhere Belastungen eines entsprechenden Warmwasser-Druckbehälters erreichbar.
Die Vorspannung kann dabei für unterschiedliche Bereiche und gewählte Geometrien an die Halbschale 1 verschieden hoch eingestellt werden. Diese Einstellung kann über eine geeignete Geometrieauswahl bereits im Entwurfsstadium an eine spätere Bauteilbelastung angepasst erfolgen. In Bereichen hoher Bauteilbelastung können höhere Vorspannungen eingestellt werden als im Bereich niedriger Bauteilbelastung. Bei einem vorstehend beschriebenen zweischaligen Druckbehälter sollte die Vorspannung als Resultat einer Schrumpfung um ca. 0,1 bis 0,3 mm eingestellt werden. Dabei sollte die radiale Vorspannung auf die Zylinderwand wesentlich höher als die Vorspannung in Längsrichtung der Halbschale 1 sein. Im vorliegenden Fall werden auf den Durchmesser von ungefähr 200 mm im zylindrischen Behälterbereich 3 ca. 0 bis 0,5 mm Schrumpfung zur Vorspannungserzeugung und in Längsrichtung bzw. parallel zu der Mittelachse M 0 mm Schrumpfung vorgesehen.
Es ist damit ein mehrwandiges Druckbehälter-Bauteil in Form einer Halbschale 1 aus zwei Kunststoffen gebildet worden, wobei eine Aufteilung der im Betrieb eines Warmwasser-Druckbehälters auftretenden Anforderungen auf die beiden Kunststoffe vorgenommen werden kann. Die Kunststoffe weisen daher auch ein unterschiedliches Eigenschaftsprofil auf, wonach das Material des Inliners bzw. des Innenmantels 5 ge eignet für einen dauerhaften Heißwasserkontakt mit entsprechender Resistenz gegenüber chemischen Beimischungen von Trinkwasser ist, und der Außenmantel 6 als mechanischer Stützmantel des Innenmantels 5 ausgebildet ist. Hierzu wird für den Außenmantel 6 im vorliegenden Fall ein faserverstärkter Kunststoff verwendet, vorzugsweise ein glasfaserverstärktes Polyamid PA. Für das medienresistente und dichte Innenmaterial wird Polybuthen-1 bzw. PB-A als Kunststoffmaterial verwendet.
Kunststoffdruckguss- und Kunststoffspritzgussverfahren erlauben eine vielseitigere und ökonomischere Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen als nach dem Stand der Technik bekannte Herstellprozesse für Fluiddruckbehälter, wobei gerade thermoplastische Kunststoffe durch Spritzgießen vergleichsweise einfach und kostengünstig zu verarbeiten sind und kunststofftypisch rationelle Produktionsverfahren auch bei einem gegenüber dem Stand der Technik erhöhten geometrischen Gestaltungsspielraum einsetzbar sind. Beispiele für eine nun erreichbare, wesentlich erhöhte funktionale Integrationsdichte werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen von Halbschalen 1 noch im Detail beschrieben werden.
Der Innenmantel 5 und der Außenmantel 6 weisen im Bereich der Mittelachse des Halbschalenkörpers 1 im kugelförmigen Behälterbereich 2 einen gemeinsamen Anspritzbereich 4 auf. Eine Hälfte des rotationssymmetrisch ausgebildeten Anspritzbereichs 4 ist in einer Schnittdarstellung in 2a zur Illustration des Verlaufes der Innen- und Außenmantelbereiche sowie der entsprechenden Kunststoffschicht-Mächtigkeiten dargestellt. Die Abbildung von 2b zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Teil des Anspritzbereiches 4, wie er nachfolgend in einem Isolationsbehälter eines Warm wasser-Druckspeichers aufgenommen oder integriert werden muss.
Von dem Anspritzbereich 4 aus fließen die entsprechenden Kunststoffe bei ihren Herstellungsprozessen in den entsprechenden Formen zu einem Flansch 7 hin. Der Flansch 7 weist in seinem durch den Kunststoff des Außenmantels 6 gebildeten Bereich Ausnehmungen auf, deren Mittelachse 8 parallel zu der Mittelachse M des Halbschalenkörpers 1 verlaufen. Ferner weist der Flansch 7 außenseitig ebenfalls durch den Kunststoff des Außenmantels 6 gebildete Rippen 9 auf. Der Flansch 7 dient der Verbindung der Halbschale 1 mit einem rohrförmigen weiteren Bauteil oder einer Halbschale 1 gemäß vorliegender Ausführungsform in spiegelbildlicher Anordnung. Hierbei wird eine Verschraubung der Flansche 7 bevorzugt, die entlang der Mittelachse 8 entsprechende Ausnehmungen aufweisen. In nicht weiter dargestellter Weise werden zwischen zwei Flansche 7 noch Dichtungen und oder Dichtmittel angeordnet.
Zur Erhöhung der Andruckkraft unter Berücksichtigung der besonderen physikalischen Materialeigenschaften des Kunststoffes der Außenmantelschicht 6 verläuft der Flansch 7 in radialer Richtung nach außen laufend um einen Winkel α ansteigend. Diese Abweichung von einem planen Verlauf des Flansches 7 wird vorzugsweise durch Schrumpfungserscheinungen im Bereich der Rippen 9 schon im Zuge der Bauteilkonstruktion vorgegeben und durch den Fertigungsprozess automatisch verwirklicht. Unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 4a bis 12c wird nachfolgend noch im Detail auf Ausbildungsformen und Varianten zum Aufbau und Verbindung von Flanschen 7 eingegangen werden.
Das vorstehend insbesondere unter Bezugnahme auf die Abbildung von 1 beschriebene Herstellungsverfahren wird aufgrund der besonderen Bedeutung des Fertigungsschwundes und dessen vorteilhafte Nutzung im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Schrumpfverfahren bzw. als Abkürzung für "mould shrink assembly" mit MSA-Verfahren bezeichnet. Unter Nutzung der vorstehend zu 1 beschriebenen geometrischen Besonderheiten einer Halbschale 1 kann in einer alternativen Herstellungsweise ein Mehrkomponentenspritzguss verwendet werden, bei dem zunächst der Innenmantel 5 als Inliner gespritzt wird. Der Inliner 5 wird dann nachfolgend von einem Stützmantel 6 umspritzt. Dabei muss das Material des Innenmantels 5 so ausgewählt werden, dass es beim Umspritzen mit dem Material des Außenmantels 6 mechanisch und/oder thermisch nicht zu stark belastet bzw. sogar geschädigt wird. Hierbei muss bei der Materialauswahl berücksichtigt werden, dass das Innenmaterial höhere Verarbeitungstemperaturen als das äußere Material haben muss. Zudem müssen Werkstoffkennwerte, wie Verarbeitungsschwund und lineare Wärmeausdehnung der beiden Materialien aufeinander abgestimmt werden. Diese häufig gegensätzlichen Anforderungen sind in der Regel recht schwer gleichzeitig zu erfüllen, wobei die einzelnen Materialien teuer sind, oder aber aufgrund der hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Materialien gestellten Anforderungen das später hergestellte Bauteil den Anforderungen eines Betriebes nur noch in Teilbereichen genügen. Würde hingegen zuerst der Außenmantel 6 gespritzt und anschließend der Inliner angespritzt werden, so ergäbe sich aufgrund des Verarbeitungsschwundes des Inliner-Materials fast zwangsläufig eine Spaltbildung zwischen dem äußeren Stützmantel 3 und dem Inliner 5, oder es kommt bei einer Verbindung der beiden Kunststoffe zu hohen inneren Spannungen des Verbundes, die insbesondere im Bereich der Grenzschichten auftreten.
Daher wird ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren der vorstehend genannten Art in nachfolgend dargestellter Art und Weise abgewandelt, um eine wesentlich höhere Freiheit bei der Materialauswahl für Innenmantel 5 und Außenmantel 6 bei Auswahl eines jeweils optimalen Materials und Einsatz kostengünstiger Kunststoffmassen in einfachen Spritzgießprozessen in herkömmlichen Spritzgießwerkzeugen zum Einsatz bringen zu können: An die Fertigung des Innenmantels 5 anschließend wird dieser durch eine Schutzkappe 10 in dem thermisch sehr stark beanspruchten Anspritzbereich 4 abgedeckt und somit geschützt. Während des nachfolgenden Umspritzens des Inliners 5 durch das Kunststoffmaterial des Außenmantels 6 wird der Anspritzbereich 4 des Innenmantels 5 durch das Auftreffen der plastifizierten Kunststoffmasse des Außenmantels 6, durch die Temperaturerhöhung und aufgrund der Reibung und Scherbelastung des im Anspritzbereich herrschenden maximalen Spritzdrucks extrem belastet. Das von seiner physikalischen Härte her "weichere", niedriger temperaturbeständige Kunststoffmaterial wird beim Umspritzen durch ein höherwertiges Kunststoffmaterial, das beispielsweise mit Glasfasern gefüllt ist, im Anspritzbereich 4 geschädigt, oder sogar vollständig aufgeschmolzen. Um dies zu verhindern, wird eine Schutzkappe 10 eines höherwertigen, temperaturbeständigen Kunststoffs auf den Innenmantel 5 vor dem eigentlichen Umspritzen aufgesetzt. Hierdurch wird der Anspritzbereich 4 des als Inliner wirkenden Innenmantels 5 vor Beschädigungen geschützt. Die Größe der Schutzkappe 10 wird auf die Materialwahl und die im Regelfall zu erwartenden Schädigungseffekte angepasst ausgewählt. Die Schutzkappe 10 kann im Fertigungsverfahren z.B. durch ein Handlingsystem bei Mehrkomponenten-Spritzguss eingelegt werden. Es kann eine spezielle Geometrie vorgesehen werden, die zur Aufnahme der Schutzkappe dient. Durch die vorzugsweise formschlüssig gewählte Geo metrie, einer leichten Vorspannung der Schutzkappe auf dem Inliner oder einer speziellen Rastgeometrie wird sichergestellt, dass die Schutzkappe 10 beim Umspritzen auf dem Innenmantel 5 verbleibt. Zur Reduzierung von thermischer Erwärmung durch Reibung und Scherung sowie zum Erzielen eines möglichst geringen Druckverlustes beim Einspritzen wird für die Schutzkappe 10 eine Geometrie mit möglichst großen Radien und weichen, stetig harmonisch laufenden Übergängen vorgesehen. Die Wanddicke der Schutzkappe 10 wird Belastungen beim Spritzen durch Wanddicken- und Geometrievariation angepasst ausgebildet. Dementsprechend wird in Bereichen höherer Belastung beim Umspritzen eine dickere Wandstärke in der Schutzkappe 10 vorgesehen, als im Bereichen geringerer Belastung. Bei der Materialwahl für die Schutzkappe 10 wird zudem die Belastung und die jeweilige Materialpaarung der Kunststoffe des Innenmantels 5 sowie des Außenmantels 6 mit den entsprechenden Verarbeitungsschwindungen und linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten berücksichtigt. Die Geometrie der Schutzkappe 10 und eine verbleibende Kontur nach dem Umspritzen wird vorzugsweise in der Struktur des äußeren Bauteils geometrisch berücksichtigt.
Im vorliegenden Fall entspricht die Schutzkappe 10 von ihrer Form her im wesentlichen der des Einspritzbereiches 4 gemäß der Ausschnittsdarstellung von 2b. Als Materialien für den Innenmantel 5 kommen Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polyoxymethylen POM oder Polybuten PB-1 in Betracht. Als Materialien für die Schutzkappe 10 können Polyamid PA und Polypropylen PP in glasfaserverstärkter Ausführung sowie mit PET-Fasern verstärktes Polypropylen PP eingesetzt werden. Um eine gute Materialverträglichkeit sicherzustellen, wird vorzugsweise das gleiche Material für die Schutzkappe 10 vorgesehen, wie es für den Innenmantel 5 verwendet wird, wobei allerdings für die Schutzkappe 10 eine Faserverstärkung in Form von Glasfasern oder PET-Fasern vorgesehen wird. Hierdurch wird die mechanische und thermische Belastbarkeit des Materials der Schutzkappe 10 erhöht, so dass durch Einsatz des vorstehend mit Varianten beschriebenen Verfahrens gegenüber einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils mindestens ein Verfahrensschritt eingespart und auch ein ganz neues Verbundmaterial hergestellt werden kann.
Durch das Umspritzen bei der vorstehend beschriebenen Belastung wird in jedem Fall Material der Schutzkappe 10 im Anspritzbereich aufgeschmolzen und abgetragen sowie durch die sog. heiße Seele beim Füllvorgang der Kavität der Form weitertransportiert. Beim Abkühlen verbleibt das aufgeschmolzene Material der Schutzkappe 10 als Fremdmaterial im Inneren der eigentlichen zweiten Materialkomponente, also des Außenmantels 6. Ein Schnitt durch einen nach diesem Verfahren hergestellten fertigen Körper stellt 3 dar. Durch diesen Weitertransport eines dritten Materials inmitten zweier anderer Kunststoffe entsteht ein neuer Mehrkomponentenwerkstoff mit ganz neuen Eigenschaften. Durch Wahl der Materialien, der Prozessparameter und der Geometrie kann der Aufschmelz- und Verteilungsprozess des Materials der Schutzkappe 10 beeinflusst und gesteuert werden. Die Schutzkappe 10 dient also nicht nur als Schutz des Innenmantels 5, sondern auch als Basismaterial für einen Mehrkomponentenwerkstoff mit der umspritzenden Materialkomponente des Außenmantels 6.
Zum Erzielen einer ausreichenden Festigkeit eines Warmwasser-Druckbehälters in einem Verbindungsbereich zwischen zwei Teilelementen, wie beispielsweise zwei spiegelsymmetrisch angeordneten Halbschalen 1 gemäß 1 oder 3, werden an Flanschverbindungen 7 aus dem Stand der Technik bekannte Verschraubungen vorgesehen. Die Ausschnitte perspek tivischer Schnittdarstellungen eines Flanschs 7 der Halbschale 1 gemäß 4a und 4b zeigen zudem weiter aus dem Stand der Technik für Kunststoff-Spritzgusskörper bekannte Auskernungen, die in bekannter Weise einer Verzugsminderung im Flanschbereich dienen.
Wie bereits vorstehend zu 1 beschrieben, so ist ein Bereich um einen Flansch 7 herum zur formschlüssigen Aufnahme des Innenmantels 7 zur Abstützung des Dichtbereiches ausgebildet. Der Flanschbereich ist nicht exakt horizontal, sondern zur Wandung des zylindrischen Behälterbereiches 3 hin um einen Winkel α leicht angewinkelt ausgebildet. Dies wird durch umlaufend am Flansch 7 angeordnete Rippen 9 dadurch in vorbestimmbarer Art und Weise bewirkt, dass die Rippen 9 die angeformte Kontur des Flansches 7 beim Abkühlen in eine Richtung zieht. Alternativ kann auch diese Besonderheit durch konstruktive Maßnahmen in der Kontur der Behältergeometrie vorgesehen werden. Bei Verschrauben der beiden Bauteile bzw. im vorliegenden Fall zweier Behälterhalbschalen 1 wird die Kontur der jeweiligen Flansche 7 in die horizontale Trennebene hinein verformt und eine Zugspannung am äußeren Stützmantel bzw. Außenmantel 6 im Bereich der nicht weiter dargestellten Flanschverschraubung erzeugt. Unter Innendruckbelastung verformt sich der jeweilige zylindrische Teilbereich 3 der Behälterhalbschalen 1 tonnenförmig, wodurch im Bereich des Flansches 7 in Summe eine lokale Reduzierung der von der Verschraubung hervorgerufenen Bauteilspannungen bewirkt wird.
4c zeigt in Darstellung eines Ausschnitts einer perspektivischen Ansicht des Flanschbereiches 7 die geometrische Form und Anordnung von Rippen 9 im Übergang vom zylindrischen Behälterbereich 3 hin zum Flansch 7 an der Außenschicht 6. Die Behälterhalbschalen 1 sind im Bereich des Flansches 7 also umlaufend mit Rippen 9 einer speziellen Geometrie versehen. Durch diese Rippen 9 wird eine weiche Anbindung des Flansches 7 an die Außenkontur u. a. dadurch verwirklicht, dass sehr viele Rippen 9 vorgesehen sind, um Spannungskonzentrationen möglichst auf einem niedrigen Niveau zu halten.
Mit dem Einsatz von Metallflanschen 11 kann diese Grenze einer zulässigen Belastung des Kunststoffmaterials der Außenschicht 6 noch weiter erhöht werden. Dabei werden an den Behälterhalbschalen im Bereich der Flansche 7 Flanschringe 11 angeordnet, die der Kontur der Rippen 9 folgen, wie in der Schnittdarstellung von 5a als Weiterbildung der Schnittdarstellung von 4b verdeutlicht ist. Durch die Ausformung des Metallflansches 11, die nicht in Kontakt mit der zugehörigen Rippe 9 oder mit der Wandung des zylindrischen Behälterbereiches 3 steht, wird auch bei Innendruckbelastung des geschlossenen Druckbehälters und entsprechend tonnenförmiger Verformung der zugehörigen Behälterhalbschale 1 eine zwangsläufige Verformung auch im Bereich der Rippen 9 abgefangen und gestützt. Dabei ist der weiche und geometrisch gesehen sanfte Übergang der vorstehend beschriebenen Stützgeometrien von entscheidender Bedeutung. Punkt- und/oder linienförmige Belastungen werden zugunsten flächenförmiger Krafteinleitungsbereiche aufgelöst. Der obere Bereich der Flanschringe 11 ist dementsprechend, wie u.a. in 5a dargestellt, nach außen geklappt, um einen sanften und kerbfreien Übergang von einem Endbereich des Flanschrings 7 zu der Außenkontur der Behälterhalbschalen 1 zu schaffen.
Zur Reduzierung des Teilkreisdurchmessers und damit einhergehend auch zur Reduzierung des Hebelarmes sowie der Flansch- bzw. Dichtsitzaufweitung und Bauteilbelastung wer den die durch die Achse 8 dargestellten Verschraubungspositionen in Bereiche nahe der Wandung des im vorliegenden Beispielfall zylindrischen Behälterbereiches 3 verlegt. Dies ist in der perspektivischen Darstellung gemäß 5b anhand der Mittelachse 8 einer Ausnehmung angedeutet, die in dem Metallflansch 11 und dem Flansch 7 fluchtend vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform wird im Bereich der Ausnehmung auf Rippen 9 verzichtet, wobei auch der metallische Flanschring 11 eine Ausnehmung 12 im Bereich der Mittelachse 8 der Verschraubungsausnehmung aufweist.
Um die Kerbwirkung und Flächenpressung im Bereich der Krafteinleitung der nicht weiter dargestellten Verschraubungen entlang der Mittelachse 8 zu reduzieren, wird in den Flanschringen 11 ein Krafteinleitungsbereich 13 mit einer federelastischen Verprägung im Bereich der Ausnehmung 12 an den durch die Mittelachse 8 dargestellten Befestigungspunkten vorgesehen. Die Ausnehmung 12 erfolgt in der dargestellten Ausführungsform dabei derart, dass die Rippenstruktur nicht auf die Ausnehmung 12 oder deren Kantengeometrie trifft. Diese abgestimmte Ausformung der Verrippung 9 des Flanschbereiches 7 sowie die Formgebung des metallischen Flanschringes 11 im Bereich der Mittelachse 8 von nicht weiter dargestellten Verschraubungen ist im Schnitt der Ebene A-A in 5c skizziert dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist in den in dem Flanschring 11 durch die Mittelachse 8 angedeuteten Ausnehmungen ein Gewindezug mit Innengewinde angeformt. Hierbei kann im Zuge der Verschraubung auf den Einsatz separater Muttern entsprechend verzichtet werden. Die Ausbildung eines derartigen Metallflanschrings 11 ist in perspektivischer Darstellung in 6a mit Schnittdarstellung einer Ebene B-B in 9b skizziert wiedergegeben.
In den 7a, 7b, 8a, 8b und 9a, 9b sind die vorstehend zu einem Flansch 7 einer oberen Halbschale 1 eines Warmwasser-Druckbehälters beschriebenen Gegebenheiten für ein über den Flansch 7 hinaus anzuschließendes Bauteil zeichnerisch in perspektivischen Ausschnittsdarstellungen sowie Schnitten zur Vervollständigung der Offenbarung wiedergegeben. Hierbei gilt prinzipiell das vorstehend Gesagte in analoger Weise.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt eine Verschraubung ohne Einsatz von Flanschringen 11 in Form einer Kunststoff-Direktverschraubung. Die perspektivische Darstellung von 10 zeigt eine Draufsicht auf einen Warmwasser-Druckbehälter in einer entsprechenden Ausführungsform mit zwei über eine Flanschverbindung mit Kunststoff-Direktverschraubung miteinander verbundenen Halbschalen 1 in einem Ausschnitt, der im wesentlichen den Bereich der beiden Flansche 7 zeigt. Als wesentliche Besonderheiten werden bei dieser Ausführungsform verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Flächenpressung durch eine angepasste Geometrie in den Kunststoffteilen bzw. Flanschen 7 möglichst gering zu halten.
11 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Flansche 7 und den angrenzenden Bereich der jeweiligen Bauteile, der für Spannungsspitzen besonders anfällig ist. Am Flansch 7 der Halbschale 1 ist eine Hülse 14 als domartige Erhöhung ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass auch auf einer späteren Schraubenkopfseite eine möglichst gleichmäßige Krafteinleitung erfolgt. Auf der Seite des gegenüberliegenden Flansches 7 ist eine Ausnehmung 15 mit einem Innengewindebereich 16 ebenfalls in domartiger Ausbildung angeformt. Der Hülse 14 und der domartig umschlossenen Ausnehmung 15 ist gemeinsam, dass in beiden Fällen eine Anbindung an den jeweiligen Flansch 7 und eine benachbarte Zylinderwand 3 des zugehörigen Bauteils durch gleichmäßige runde Übergänge in allen Dimensionen erfolgt. Eine geringfügige Schrägstellung der Flansche 7 um einen Winkel α zur Injizierung von Zugspannungen bei der Verschraubung wird aus den vorstehend zu 1 beschriebenen Gründen auch in dieser Ausführungsform realisiert. Weiter wird auch in dieser Ausführungsform in anhand der Schnittdarstellung von 11 nachvollziehbarer Weise die Verschraubung in den Flanschen 7 möglichst nahe an einen mit dem Fachmann bekannten Maßnahmen ausgestatteten Dichtungsbereich hinein verlegt, wie bereits vorstehend zu der Abbildung von 5b ausgeführt.
Zur noch gleichmäßigeren Krafteinleitung und entsprechenden Vermeidung von Spannungsspitzen kann die Hülse 14 bzw. Durchführungsbohrung der späteren Verschraubung praktisch spielfrei oder mit leichter Pressung mit einem nicht weiter dargestellten Zugmittel ausgeführt werden. Möglich ist hierzu beispielsweise die Ausbildung eines entsprechenden zylindrischen Ansatzes einer nicht zeichnerisch dargestellten Schraube oder eine entsprechende Dimensionierung einer durch die Ausnehmung 15 bis in den Anfangsbereich des Gewindebereiches 16 hindurch einzusteckenden Hülse. In die Ausnehmung 15 ist der Gewindebereich 16 durch eine gewindeformende Schraube in einer von Kunststoff-Direktverschraubungen her bekannten Art und Weise eingeformt. Ein konkretes Ausführungsbeispiel mit weitgehend vollständiger Bemaßung ist in den 12a bis 12c für eine vorstehend unter Bezug auf die Abbildungen der 10 und 11 beschriebenen Kunststoff-Direktverschraubung eines Warmwasser-Druckbehälters wiedergegeben. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass in den 12a bis 12c die schraffierten Schnittbereiche nur das Material der jeweiligen Außenmantelschicht 6 betreffen.
In einer alternativen Ausführungsform des in 10 dargestellten Halbschalenelementes 1 wird gemäß der Abbildung von 13 die Anbindung zum Flansch 7 hin in Richtung der Behälterwand des zylindrischen Behälterbereiches 3 durch Rippen 17 gestützt. Dabei wird der Übergang zwischen den domartig ausgebildeten Hülsen 14 und der Behälterwandung mit einem kleinen Radius R von ca. 0,6 mm ausgeführt, wie in 14 in Vergrößerung eines Ausschnitts von 13 dargestellt ist. Insbesondere ist tieferliegend zwischen den beiden Rippen 17 der Übergang vom Flansch 7 zur Außenmantelschicht 6 mit einem kleinen Radius von ca. 0,6 mm ausgeführt. Unter Belastung verformt sich die Behälterwandung ge genüber der Hülse 14 der nicht weiter dargestellten Schraubverbindung, so dass sich ein Winkel zwischen den genannten Elementen verringert. Es entstehen damit Druckspannungen am Übergang der Elemente. Bei einem groß gewählten Radius R entstehen höhere Spannungen, weil Material zusammengedrückt wird. Wird das Material entfernt, was im vorliegenden Fall durch einen klein gewählten Radius r geschehen ist, können dort keine nennenswerten Druckspannungen auftreten, und das Gesamtniveau der Spannungen wird reduziert. Die Rippen 17 verteilen die bei der Verformung auftretenden Druckspannungen auf einen größeren Materialbereich. Im vorliegenden Fall werden zwei Rippen 17 zur gleichmäßigeren Verteilung der Druckspannungen eingesetzt, was zu einer Reduzierung der maximal auftretenden Druckspannungen führt. Die Rippen 17 sind dabei so ausgelegt, dass sie keine Zugspannungen aufnehmen. Dies würde zu Spannungskonzentrationen und damit erhöhten Spannungen führen. Einzige Aufgabe der Rippen 17 besteht darin, Druckspannungen in größere Material- bzw. Geometriebereiche abzuleiten und zu verteilen, da Kunststoffe viel höhere Druckspannungen als Zugspannungen ertragen können.
Gegenüber den Rippen 17 mit ihrem Übergangsradius R von ca. 0,6 mm kann ein Radius R_f im direkten Übergang der Wandung des zylindrischen Bereiches 3 in den Flansch 7 mit ca. 2 bis etwa 8 mm vergleichsweise groß ausfallen, um in der Ausführungsform von 13 u.a. die Funktion der Rippen 9 der Ausführungsform gemäß 1 ff. zum Ankippen des Flansches 7 um einen Winkel α mit übernehmen zu können. Die primäre Aufgabe des Radius R_f besteht in der Minderung der Kerbwirkung in diesem Übergangsbereich.
Durchführungen, Öffnungen oder sonstige Unterbrechungen der kompletten Struktur eines Druckbehälter sind im Hinblick auf eine Dauerzuverlässigkeit problematisch, da sie aufgrund der Geometrieänderungen und Abweichungen von einer druckidealen Form zwangsläufig zu höheren Bauteilspannungen und damit zu größeren Materialbelastungen führen. Eine Ausführungsform zur Ausgestaltung von Heizkörperdurchführungen an einem Warmwasser-Druckbehälter ist in einer Draufsicht in 15a sowie einer dazugehörigen Schnittdarstellung in der Ebene E-E in 15b wiedergegeben. Demnach zeichnen sich Heizkörperdurchführungen 18 in einer Halbschale 1 durch Öffnungen aus, die möglichst klein gehalten sind und im Bereich des Außenmantels 6 auch kleiner als im Bereich des Innenmantels 5 ausgebildet sind. Diese Öffnungen der Durchführungen 18 sind zudem einer jeweiligen ausgangsdruckoptimierten Kontur der Halbschale 1 angepasst ausgebildet. Um die Durchführöffnungen 18 insbesondere für Heizkörperdurchführen möglichst klein halten zu können, sind mehrere einzelne Öffnungen für jedes Rohr und/oder Meßfühler oder Meßsensor eines elektrischen Heizkörpers vorgesehen. Im vorliegenden Fall sind gemäß 15a drei Öffnungen 18 vorgesehen, wobei zwei für die Anschlüsse des Heizelementes und einer für Temperaturfühler etc. genutzt werden kann. Zwischen den Durchführungen 18 sind in der in 15a dargestellten Weise stegartige Verstärkungen 19 im Außenmantel 6 zur gleichmäßigeren Verteilung interner Bauteilspannungen vorgesehen. Gemäß der Darstellung der 16a und der zugehörigen Schnittdarstellung in der Ebene F-F der 16a in 16b sind auf der Behälterinnenwandseite V im Bereich der Durchführungen 18 Dichtungsbereiche 20 vorgesehen, die im Material der Innenschicht 5 gebildet werden. Auch diese Durchführungen werden im Bereich der Dichtbereiche 20 über Stege 21 im Material der Innenschicht 5 miteinander verbunden. Zwischen den Durchführungen 18 sind also an beiden Mantelflächen Versteifungsstege 19, 21 vorgesehen, die diesen Bereich gerade in einem groben Bereich der Halbschale 1 hinsichtlich auftretender Biegebeanspruchungen verstärken. Die Außengeometrie der beiden außenseitig angeordneten Durchführungen 18 ist der eigentlichen Behältergeometrie angepasst, wobei die Außengeometrie der mittleren Durchführung 18 geradlinig verlaufend ausgeführt ist, um eine Anlagefläche für eine Verschraubung zu schaffen.
Als Alternative zu der in 15a, b und 16a, b dargestellten Heizkörperdurchführung ist in 17 eine Schnittdarstellung durch den Bereich eines Heizflansches eines Warmwasser-Druckbehälters unter teilweise Andeutung eines elektrischen Heizkörpers sowie von Temperaturüberwachungs- und Schutzeinrichtungen in einer Schnittdarstellung wiedergegeben. An die Stelle eines Durchsteckens von Einzelelementen durch Durchführungen 18 mit jeweils separaten Dichtbereichen 20 ist nun im kugelförmigen Behälterbereich 2 der Halbschale 1 eine kreisförmige Öffnung 22 vorgesehen. In einem Bereich nahe der Öffnung 22 ist ein umspritzter metallischer Flanschring 23 vorgesehen. Der Flanschring 23 umgreift die Öffnung 22 und ist mit dem Inliner-Material der Innenschicht 5 umspritzt, so dass der Flanschring 23 nicht in Kontakt mit dem im Innenraum V befindlichen Warmwasser gelangen kann. Die Öffnung 22 wird mit der Flanschplatte 25 verschlossen, die mit einer Druckplatte 24 am Flanschring 23 über Schraubbolzen 27 verbunden ist. Zur Positionierung und Fixierung der Flanschplatte 25 sind am Flanschring 23 zur freien Außenseite hin orientierte Schraubbolzen 27 vorgesehen, die am Flanschring 23 in anhand der perspektivischen Schnittdarstellung von 18 ersichtlichen Art und Weise als äquidistant auf einem Kreis angeordnete Fixierungspunkte vorgesehen sind. Damit bietet diese Ausführungsform den Vorteil der Vorfertigung einer kompletten elek-trischen Baugruppe aus Heizkörper HK und Sicherungs- und Temperaturüberwachungselementen, die im Flanschring abdichtend fixiert und separat getestet als feste Einheit in den Warmwasserdruckbe hälter bzw. die anhand der 17 und 18 beschriebene Halbschale 1 durch lösbare Fixierung abdichtend befestigt wird. Für einen Warmwasser-Druckbehälter mit einem Durchmesser von ca. 200 mm im Bereich der Flansche 7 ist in 17 eine beispielhafte Bemaßung in Auszügen wiedergegeben.
Der Flanschring 23 weist eine umlaufende Nut 23a oder Ausnehmung auf, die das Inlinermaterial beim Umspritzen ausfüllt. Die Druckplatte 24 hält das Inlinermaterial im montierten Zustand in der Nut 23a des Flanschringes 23 in Position. Die Tiefe der Nut 23a beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 0,3 mm, damit der Flanschring nicht zu stark geschwächt wird. Bei einer stärkeren Vertiefung ist die Verklammerung zwischen Flanschring 23 und dem Inlinermaterial verbessert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Außenschicht 6 über den Flanschring 23 geführt und mittels Schraubaugen oder Befestigungslaschen befestigt. Die Schraubbolzen 27 sind durch nicht dargestellte Schraubaugen oder Befestigungslaschen gesteckt, wodurch die Außenschicht fest mit dem Flanschring 23 verbunden ist. Die Außenschicht liegt vorteilhaft zwischen dem Flanschring 23 und der Druckplatte 24. Um die Außenhaut 6 nicht zu beschädigen, sind um die Schraubbolzen Hülsen gesteckt, damit keine Spannkräfte auf die Außenhaut 6 wirken und die Spannkräfte der eigentlichen Verschraubung aufrecht erhalten werden. Damit wird ein Fließen des Materials der Außenhaut 6 vermieden.
In einer Halbschale 1 werden Durchführungen für Ein- und Auslauf weiterhin in einem Krempenbereich angeordnet, wobei die entsprechenden Durchführungen durch sanftes Einbinden in die druckoptimiert ausgelegte Ausgangsgeometrie unter Nutzung großzügiger Radienübergänge bei weitgehender Vermeidung von Verrippungen integriert werden. Durchführungen stellen zwar weiterhin Schwächungen innerhalb eines Druckbehälters dar, es wird jedoch auf eine Versteifung derartiger Bereiche mit dem Ziel einer bei Belastung mechanisch weicher wirkenden Ausführung verzichtet, damit das Kunststoffmaterial der Halbschale die Möglichkeit bekommt, die äußeren Belastungen durch eine zulässige Verformung intern abzubauen. Eine spezielle Geome-trie für ein Warmwasser-Auslaufrohr 28 ist in der perspektivischen Schnittdarstellung von 19 als Ausschnitt eines Krempenbereiches der Halbschale 1 dargestellt. Vom Behälterinnenraum V aus läuft ein aus dem Material des Innenmantels 5 gebildetes Innenrohr 29 durch die eigentliche Wandung der Halbschale 1 hindurch und geht im wesentlichen stetig in ein Anschlussende 30 des Auslaufrohrs 28 über, das nun zweischichtig aufgebaut ist, indem das Material des Innenmantels 5 als Innenauskleidung nach außen hin vom Kunststoffmaterial des Außenmantels 6 umschlossen wird. Die äußere Stützkontur der Durchführung bzw. des Auslaufrohrs 28 aus dem Material des Außenmantels 5 wird in nicht weiter dargestellter Art und Weise zur Befestigung von Wasseranschlusselementen, beispielsweise mit einem Anschlussaußengewinde, einer Schnapp- oder Rastgeometrie versehen. Die Innenkontur kann in vorteilhafter Weise etwas hervorstehen bzw. die Außenkontur überragend ausgebildet werden, damit dieser Bereich bereits für eine Abdichtung mittels Flachdichtung oder zur Anpassung an eine andere Dichtgeometrie unter Verwendung von O-Ringen etc. angepasst vorbereitet wird. Die Abbildungsfolge der 20a bis 20c zeigt eine Außen- und zwei Innenansichten des Auslaufrohres 28 von 19.
Eine besondere Ausführungsform einer Halbschale 1 weist gemäß der perspektivisch angelegten Schnittdarstellung von 21 eine noch speziellere Geometrie im Behälterinneren auf. Hier wird eine spezielle Einlaufgeometrie eines Ein laufrohres 31 für Kaltwasser dargestellt, die im Behälterinneren als Strömungsbremse mit einer Prallplatte 32 versehen ist. Die in perspektivischen Draufsichten vom Innenraum V der Halbschale 1 her noch in den Abbildungen von 22b und 22c dargestellte Einlaufgeometrie mit Prallplatte 32 ist dabei vorteilhafterweise ohne Verwendung von Schiebern und/oder Hinterschneidungen bei der Herstellung des Innenmantels 5 aus einer Kunststoff-Spritzgußform zu entformen. Dabei gilt für ein freies äußeres Anschlussende 33 des Einlaufrohrs 31 das vorstehend zum Anschlussende 30 des Warmwasser-Auslaufrohres 28 Gesagte entsprechend.
23 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen kompletten Innenmantel 5 einer Halbschale 1 mit einem Heizflansch gemäß den Abbildungen der 15a und 15b, einem Auslaufrohr gemäß 19 und einem Einlaufrohr gemäß 21 in einer Außenansicht unter Angabe von besonderen Behälterradien für einen Warmwasser-Druckbehälter mit ca. 10 l Fassungsvermögen mit einem Flansch-Außendurchmesser von ca. 200 mm. Im Anspritzbereich 4 der Halbschale 1 weist der kugelförmige Behälterbereich 2 einen Radius R₁ von ca. 150 mm auf. Dieser Radius R₁ ist einstellbar zwischen den Grenzen R_1min halber Flanschdurchmesser D bis R_1max = D. Für die übrige Oberfläche des kugelförmigen Behälterbereiches 2 wird ein Radius R₂ von 70 mm gewählt. Dieser zweite Radius R₂ wird ungefähr als halber Wert des Radius R₁ gewählt, so dass sich R₂ ungefähr als 1/3 des Behälterdurchmessers D bestimmen lässt. Bei vorgegebenem Behälterdurchmesser D ergeben sich aufgrund der Bedingung tangentialer Stetigkeit an den Übergängen der Bereiche verschiedener Krümmungsradien jeweils bei Wahl von R₁ entsprechend R₂ und umgekehrt. Im Übergangsbereich zu einem Auslaufrohr 28 oder einem Einlaufrohr 31 ist ein Radius R₃ von ca. 12,5 mm vorgesehen. Dieser dritte Radius R₃ wird bestimmt ungefähr als ein 1/6 von R₂ und bewegt sich in den Grenzen von R_3min = 0,1·R₂ bis R_3max = 0,5·R₂.
Auf der Behälterinnenseite ergeben sich die Innenradien r^# unter Berücksichtigung der Bauteilwanddicke und der Radien der Behälteraußenseite. Schon aufgrund der Wandstärke des Innenmantels 5 von ca. 2,5 mm und des nicht weiter dargestellten Außenmantels 6 von ca. 5 mm ergeben sich für auf der Behälterinnenseite einer Halbschale 1 anzuwendende Radien entsprechend abweichende Werte. Gemäß der Abbildung von 24 wird auf der Behälterinnenseite des Anspritzbereiches 4 des Innenmantels 5 ein Radius r₁ ^# von 147,5 mm eingestellt, hieran schließt sich ein Bereich mit r₂ ^# von 67,5 mm an. Im Bereich der Strömungsbremse 32 des Kaltwasser-Einlaufrohrs 31 sowie des Warmwasser-Innenrohrs 29 des Wasserauslaufes 28 ist ein Übergangsradius r₃ ^# von 15 mm vorgesehen, der in einen Radius r₄ von 1 mm zur direkten Anbindung von entsprechenden Geometrien übergeht. Damit erfolgt die Anbindung von Geometrien, wie beispielsweise der Strömungsbremsung oder einem Rohrstück, an einen Radius r₃ ^# mit einem vergleichsweise kleinen Radius, der gängigen Konstruktionsempfehlungen für Kunststoffe entspricht und demgemäss ca. r_4min = 0,25 mm bis ca. r_4max = 7,5 mm beträgt.
In einem alternativen Herstellungsverfahren wird eine gegenüber dem zu 1 beschriebenen Herstellungsverfahren besonderer Wert auf eine dimensionsgenauere Herstellung der als Stützmantel dienenden Außenschicht 6 der Halbschale 1 Wert gelegt. Hierzu wird bei der Herstellung des Außenmantels 6 ein chemisches oder physikalisches Treibmittel dem erwärmten Kunststoffmaterial zugesetzt. Hierdurch wird der Schwund und der Verzug beim Spritzgießprozess reduziert. Somit wird eine kontrollierbarere Passform im Hinblick auf den als Inliner zu umschließenden Innenmantel 5 bei Minderung der Gefahr von Spaltbildung und Eigenspannungen ermöglicht. Durch geschäumte Strukturen wird zudem das Zähigkeitsverhalten des Außenmantelmaterials und die Anfälligkeit gegenüber Rissbildung reduziert, da die Poren als Rissstopper wirken und somit eine Erhöhung der Leistungsgrenzen eines entsprechend ausgebildeten Außenmantels 6 sowie dessen gesamter Lebensdauer erzielt werden kann.
Die vorstehend beschriebene Schrumpftechnik kann mit, wie aber auch ohne die Verwendung von chemischen oder physikalischen Treibmitteln in beliebig vielen Schichten und/oder übereinander und ineinander anzuordnenden Bauteilen angewandt werden. Insbesondere ist auch eine Kombination mit einer herkömmlichen Mehrkomponententechnik möglich. So kann eine Außenschicht 6 insbesondere auch auf eine in Form eines geschlossenen Körpers bzw. eines aus zwei Halbschalen gebildeten geschlossenen Hohlkörpers aufgeschrumpft werden, wobei auch Nahtstellen bzw. sonstige Verbindungsstellen des bereits geschlossenen Inliners oder mehrerer Inliner in diesem Schritt auch umschlossen werden bzw. umspritzt werden können.
Wird in einem alternativen Verfahren der Stützmantel bzw. Außenmantel 6 als Vorspritzling gefertigt, so muss der Inliner bzw. Innenmantel 5 in den Stützmantel 6 eingespritzt werden. Aufgrund der Verarbeitungsschwindung würde sich in der Regel ein Spalt zwischen diesen beiden Bauteilen bilden und/oder eine hohe Spannung in einer Grenzschicht zwischen den beiden verschiedenen Kunststoffmaterialien entstehen. Um dies zu vermeiden und eine gegenüber der vorstehend beschriebenen Herstellungsweise duale Herstellung zu ermöglichen, wird der Inliner 5 mit chemischen und/oder physikalischen Treibmitteln in der erwärmten Kunststoffmasse verarbeitet, um den Schwund zu minimieren. Eine Oberfläche würde durch den Einschluss von Treibmitteln im Inliner 5 dann jedoch eine zum Teil poröse Struktur aufweisen. Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise mit Gasgegendruck bzw. nach einem Mucell-Verfahren mit Gasgegendruck gearbeitet. Hierdurch wird an der Oberfläche des Inliners 5 auch ohne Einsatz einer weiteren vorgefertigten Inliner-Schale bzw. Innenschicht eine definiert glatte und geschlossene Fläche geschaffen. Eine geringere mechanische und physikalische Wechselwirkung durch Reibung etc. mit dem Stützmantel 6 sowie eine definierte Fläche zum fluiden Medium bietet nachfolgend weniger Angriffsflächen zur Einlagerung von Diffusionen oder Spaltrissbildung im Bereich des Inliners 5. Durch geschäumte Strukturen wird wiederum, nun auf der Seite des Inliners 5, das Zähigkeitsverhalten verbessert und damit die Anfälligkeit zur Rissbildung reduziert, da Poren wiederum als Rissstopp und damit zur Erhöhung von Leistungsgrenzen sowie der Lebensdauer wirken. Somit kann insgesamt in Erweiterung bekannter Verfahren und Bauteile eine Kombination verschiedener Bauteile nach Art einer Sandwich-Struktur für den Stützmantel 6 verwirklicht werden. Demnach könnte ein Stützbehälter 6 durch Spritzen hergestellt werden. Dem vorgefertigten Behälter als Innen-Hohlkörper können in einer Wickeltechnik Glasfasern aufgelegt werden und beispielsweise durch Epoxydharz verfestigt werden. Diese Struktur könnte dann wiederum als Inliner genutzt und schließlich mit einer Außenstruktur überspritzt und/oder durch Schrumpfung umschlossen werden.
Vorstehend wurden insbesondere unter Bezugnahme auf die Abbildungen der 4a bis 12c mechanisch sehr hoch beanspruchte Bauteilbereiche beschrieben. In einer Weiterbildung der Erfindung werden als neue Ausführungsform im Bereich von Schraubaugen oder in sonstigen Krafteinleitungsbereichen von Kunststoffbauteilen alternativ gezielt porig und damit rissunanfällig verformbare, mechanisch als weicher als das Aus gangsmaterial zu betrachtende Bereiche eingebracht, um die Krafteinleitung in das Bauteil gleichmäßiger und ohne Spannungserhöhungen bzw. bei Ausgleich von sonst auftretenden Spannungskonzentrationen zu realisieren. Mit partiell in ein Bauteil in den vorgenannten Bereichen – insbesondere durch Injektionstechniken – eingebrachtem Gasinnendruck bzw. Treibmitteln können derartige verformbarere Bereiche zur Verbesserung der Gesamteigenschaften eines Warmwasser-Druckbehälters realisiert werden. In Frage kommen hierzu Gas- und Wasserinjektionstechniken und/oder das Einspritzen von andersartigen Kunststoffen in die sogenannte heiße Seele eines Vorspritzlings.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Aufnahme und/oder Leitung eines fluiden Mediums aus mindestens einem Kunststoffmaterial, bei dem das Bauteil aus einem Innenmantel mit einem Außenmantel umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) und der Außenmantel (6) unter Nutzung mindestens einer im Zuge des Fertigungsprozesses auftretenden Dimensionsänderung mindestens einer der beiden Mäntel (5, 6) ineinander fixiert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine materialintern auftretende und verbleibende Restspannung in jedem der beiden Mäntel (5, 6) eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenmantel (5) oder mindestens eine Innenschicht mit mindestens einem chemischen und/oder physikalischen Treibmittel in den Außenmantel (6) eingebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) mit chemischen und/oder physikalischen Treibmitteln in der erwärmten Kunststoffmasse mit Gasgegendruck bzw. nach einem Mucell-Verfahren verarbeitet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenmantel (6) unter Nutzung seiner Fertigungsschrumpfung im wesentlichen spaltfrei über einem vorgefertigten Innenmantel (5) oder einem geschlossenen Innen-Hohlkörper angeordnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) und/oder der Außenmantel (6) aus mehr als einer Schicht eines Kunststoff-Materials aufgebaut werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) und der Außenmantel (6) mit jeweils mindestens einer Schicht aus thermoplastischen Kunststoffen in Spritzguss- oder Druckgussverfahren hergestellt werden, insbesondere in einem Mehrkomponentenspritzguss unter Nutzung eines Schrumpfprozesses oder eines inversen Schrumpfprozesses.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren nach der Fertigung des Innenmantels (5) der thermisch sehr stark beanspruchte Anspritzbereich (4) durch eine Schutzkappe (10) abgedeckt und vorzugsweise verrastend fixiert wird, und diese Anordnung nachfolgend durch das Kunststoffmaterial des Außenmantels (6) umspritzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bauteil an einem freien Ende ein Flansch (7) zur abdichtenden Verbindung mit einem weiteren Bauteil durch eine Verschraubung angeformt wird, der im Hinblick auf eine lokale Reduzierung von Bauteilspannungen optimiert ausgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass über zwei Bauteile (1) über kreisringförmige Metallflansche (11) miteinander durch Verschrauben verbunden werden, wobei die Metallflansche (11) mit einer Kontur versehen werden, die Spannungsspitzen in den Kunststoffen u.a. dadurch entgegenwirkt, dass mechanische Belastungen auf größere Kunststoff-Regionen gleichmäßig verteilt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zur gleichmäßigeren Krafteinleitung in den Kunststoff, zur Spannungsverteilung und zum Abbau lokaler Spannungsspitzen durch ein zulässiges Verformen des Kunststoffs vorgenommen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschraubung eines Flanschbereichs in Form einer Durchsteckverschraubung oder mittels Kunststoff-Direktverschraubung erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschraubung praktisch spielfrei oder mit leichter Pressung von Hülsen (14) des Flansches (7) mit einem Zugmittel ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchführungen für Ein- und Auslaufrohre (28, 31) sowie Heizkörperdurchführungen (18) unter sanfter Einbindung in eine gewählte Ausgangsgeometrie des Bauteils unter Nutzung großzügig bemessener Radien oder Radienübergänge (r_i, R_j) in mechanisch weich ausgeführten Bereichen integriert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mechanisch sehr hoch beanspruchte Bauteilbereiche von Kunststoffbauteilen gezielt porig und damit rissunanfällig verformbare, mechanisch im Vergleich mit dem Ausgangsmaterial als weicher zu betrachtende Bereiche bzw. geschäumte Strukturen eingebracht werden, indem beispielsweise Injektionstechniken angewandt werden, insbesondere Gas-, Wasser- und/oder Treibmittelinjektionstechniken und/oder das Einspritzen von andersartigen Kunststoffen in die sogenannte heiße Seele eines Vorspritzlings.
Bauteil zur Aufnahme und/oder Leitung eines fluiden Mediums, das als Behälter oder Rohr ausgebildet ist und einen Innenmantel und einen Außenmantel aufweist, wobei der Innenmantel zur Aufnahme oder Leitung des Fluids ausgebildet ist und der Außenmantel den Innenmantel stützt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) und/oder der Außenmantel (6) durch interne Verspannungen der jeweiligen Kunststoffe spaltfrei ineinander fixiert sind.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) jeweils mindestens eine Innenschicht aus einem ersten Kunststoff, und der Außenmantel (6) mindestens eine Außenschicht aus einem zweiten Kunststoff aufweist.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) aus Polyethylen PE, Polypropylen PP oder Polybuten PB-1, und/oder der Außenmantel (6) als äußerer Stützmantel aus einem insbesondere durch Glasfasern, Kohlenfasern, Aramidfasern oder Naturfasern oder in sonstiger Weise faserverstärktem Polyamid PA, Polyphenyloxid PPO, Polyphenylsulfid PPS oder Polyphtalamid PPA besteht.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (5) und der Außenmantel (6) mit jeweils mindestens einer Schicht aus thermoplastischen Kunststoffen Produkte eines Spritzguss- oder Druckgussverfahrens sind, insbesondere eines Mehrkomponentenspritzguss-Verfahrens unter entsprechender Nutzung einer Schrumpfung oder einer inversen Schrumpfung von Innenmantel (5) und/oder Außenmantel (6).
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in mechanisch hoch beanspruchten Bereichen insbesondere des Außenmantels (6) durch Treibmittel oder Injektionen ge schäumte Strukturen integriert sind.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Fertigung nach einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren eine Schutzkappe (10) über einem thermisch sehr stark beanspruchten Anspritzbereich (4) des Innenmantels (5) abdeckend angeordnet ist, wobei das Material der Schutzkappe (10) vorzugsweise dem des Innenmantels (5) in Form der Kunststoffe Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polyoxymethylen POM oder Polybuten PB-1 ähnlich oder bis auf Zugabe einer Faserverstärkung dem Material des Innenmantels (5) gleich ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen Flansch (7) zur Ausbildung einer abdichtenden Schraubverbindung mit einem Flansch (7) eines weiteren Bauteils aufweist.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (7) über Rippen (9) mit einer Außenwandung des Bauteils verbunden ist.
Bauteil nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (7) mindestens in einem radialen Außenbereich unter einem Winkel (α) gegenüber der normal zur Mittelachse (M) stehenden Ebene steht.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (7) über einen Übergang mit einem Radius (R_f) von ca. 2 bis etwa 8 mm mit einer Außenwandung des Bauteils verbunden ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (7) zur flächigen Verteilung von durch eine Verschraubung hervorgerufenen mechanischen Spannungen mit einem kreisringförmigen Metallflansch (11) mindestens teilweise überdeckt ist.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisringförmige Metallflansch (11) Ausnehmungen (12) im Bereich einer Mittelachse (8) des Flansches (7) aufweist.
Bauteil nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flanschring (11) ein Krafteinleitungsbereich (13) mit einer federelastischen Verprägung im Bereich der Ausnehmung (12) an den durch die Mittelachse (8) dargestellten Befestigungspunkten vorgesehen ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den in dem Flanschring (11) durch die Mittelachse (8) angedeuteten Ausnehmungen ein Gewindezug mit Innengewin de angeformt ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (7) zur Ausbildung einer Kunststoff-Direktverschraubung ausgebildet ist, indem Hülsen (14) als domartige Erhöhungen auf der Schraubenkopfseite zur gleichmäßigeren Krafteinleitung in den Kunststoff und eine domartige Ausbildung eines entsprechenden Bereiches auf der Konterpartseite bei Anbindung an den Flansch und die zugehörige Wand des Außenmantels durch gleichmäßige und runde Übergänge in allen Dimensionen vorgesehen sind.
Bauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (14) über Rippen (17) an die Behälterwandung angebunden sind, wobei die Rippen in dem Übergangbereich vorzugsweise einen Radius (R) von ca. 0,6 mm aufweisen.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Halbschale (1) in einem Anspritzbereich (4) ein kugelförmiger Behälterbereich 2 ausgebildet ist, wobei der Innenmantel (5) bei einem Flanschdurchmesser (D) von ca. 200 mm außenseitig im Anspritzbereich (4) einen ersten Radius (R₁) von ca. 150 mm aufweist und der erste Radius (R₁) unter der Bedingung tangentialer Stetigkeit in einen zweiten Radius (R₂) übergeht, der ungefähr halb so groß wie der erste Radius (R₁) ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einem außenseitigen Flanschdurchmesser (D) von ca. 200 mm auf der Behälterinnenseite Innenradien (r_i ^#) unter Berücksichtigung der Bauteilwanddicke und der Radien (R_j) der Behälteraußenseite und unter Berücksichtigung der Wandstärke des Innenmantels (5) von ca. 2,5 mm und des Außenmantels (6) von ca. 5 mm ergeben, wobei auf der Behälterinnenseite des Anspritzbereiches (4) des Innenmantels (5) ein erster Innenradius (r₁ ^#) von ca. 147,5 mm und hieran anschließend ein Bereich mit einem zweiten Innenradius (r₂ ^#) von ca. 67,5 mm eingestellt ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Durchführungen für Ein- und Auslaufrohre (28, 31) sowie Heizkörperdurchführungen (18) unter sanfter Einbindung in eine gewählte Ausgangsgeometrie des Bauteils unter Nutzung großzügig bemessener Radien oder Radienübergänge (r_i, R_j) in mechanisch weich ausgeführten Bereichen integriert sind.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16–34, dadurch gekennzeichnet, dass von einem m Behälterinnenraum (V) aus ein aus dem Material des Innenmantels (5) gebildetes Innenrohr (29) durch die eigentliche Wandung des Bauteils bzw. der Halbschale (1) hindurchläuft und im Wesentlichen stetig in ein Anschlussende (30) eines Auslaufrohrs (28) übergeht, das nun zweischichtig aufgebaut ist, indem das Material des Innenmantels (5) als Innenauskleidung nach Außen hin vom Kunststoffmaterial des Außenmantels (6) umschlossen ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bauteil ein Einlaufrohr (31) für Kaltwasser vorgesehen ist, das im Behälterinneren eine Strömungsbremse aufweist, die in Form einer im wesentlichen orthogonal zur Mittelachse des Einlaufrohrs (31) ausgerichtete und aus Material des Innenmantels (5) bestehende Prallplatte (32) ausgebildet ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsbereiche von Öffnungen oder Durchführungen (28, 22, 28, 31) über Radien (r_i ^#, R_j) mit konturangeformten Versteifungsstegen (19) im Bereich des Außenmantels (6) und unter Geometrieanpassung hinsichtlich des Innenmantels (5) angebunden und insbesondere miteinander verbunden sind.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zu einem Auslaufrohr (28) oder einem Einlaufrohr (31) ein dritter Radius (R₃) vom ca. 12,5 mm vorgesehen ist, der als ungefähr 1/6 des zweiten Radius (R₂) bemessen ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Strömungsbremse (32) des Kaltwasser-Einlaufrohrs (31) sowie des Warmwasser-Innenrohrs (29) des Wasserauslaufes (28) ist ein Übergangsradius (r₃ ^#) von 15 mm vorgesehen ist, der in einen Radius (r₄) von ca. 1 mm zur direkten Anbindung entsprechender Geometrien übergeht.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im kugelförmigen Behälterbereich (2) der Halbschale (1) eine vorzugsweise kreisförmige Öffnung (22) vorgesehen ist, wobei in einem Bereich nahe der Öffnung (22) ein umspritzter metallischer Flanschring (23) vorgesehen ist, der die Öffnung (22) umgreift und mit dem Kunststoff-Material der Innenschicht (5) umspritzt ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (22) mit der Flanschplatte (25) verschlossen ist, wobei die Flanschplatte (25) mit einer Druckplatte (24) am Flanschring (23) über Schraubbolzen (27) verbunden ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung und Fixierung der Flanschplatte (25) am Flanschring (23) zur freien Außenseite hin orientierte Schraubbolzen (27) vorgesehen sind.