DE102005010281B3

DE102005010281B3 - Druckgasquelle mit Brenngasfüllung

Info

Publication number: DE102005010281B3
Application number: DE200510010281
Authority: DE
Inventors: Stefan Geisperger
Original assignee: Rothenberger AG
Current assignee: Rothenberger AG
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: EP1701085A3; EP1701085A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckgasquelle (1) mit einem Metallbehälter (2) aus fließgepresstem Aluminium mit einem Füllvolumen bis maximal 2000 ccm, einer Entnahmeöffnung für verdampfte Brenngase und einer Füllung ("F") aus einem flüssigen Gasgemisch aus mindestens zwei Komponenten aliphatischer Kohlenwasserstoffe. Zur Lösung der Aufgabe, einen tragfähigen Kompromiss zwischen dem Berstdruck des Metallbehälters, den Sicherheitsvorschriften, der Flammentemperatur und den Herstellkosten anzugeben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass DOLLAR A a) der Metallbehälter (2) aus Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95 Gew.-%, einer Wanddicke ("dw") zwischen 0,6 und 1,5 mm und einem Berstdruck zwischen 40 und 80 bar besteht und DOLLAR A b) die Füllung ("F") 60 bis 95 Gew.-% Propen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckgasquelle mit einem Metallbehälter aus Aluminium, einer Entnahmeöffnung für verdampfte Brenngase und einer Füllung aus einem flüssigen Gasgemisch aus mindestens zwei Komponeten aliphatischer Kohlenwasserstoffe.

Die verwendeten Brenngase entwickeln in einem Brenner unter Luftzufuhr hohe Flammentemperaturen und sind vorzugsweise zum Löten oder Hartlöten vorgesehen. Bekannte Gasquellen besitzen einen mehrteiligen Metallbehälter aus Stahlblech mit einer Fügenaht, die einer Mantellinie des' zylindrischen Flaschenmantels folgt, einen ebenfalls aus Stahlblech bestehenden gewölbten Boden und ein profiliertes Oberteil, in dem ein koaxiales Entnahmeventil angeordnet ist. Boden und Oberteil sind dabei durch Falze mit dem Flaschenmantel verbunden. Die Füllung von Flüssiggasen besteht dabei beispielhaft aus 40 Vol.-% Propan und 60 Vol.-% Butan. Solche Gasquellen genügen im Allgemeinen nicht den strengen Prüfvorschriften der zuständigen Behörden und auch nicht der Forderung nach einer möglichst hohen Flammentemperatur.

Durch die DE 20 29 498 A ist es seit 1971 bekannt, Monobloc-Aerosoldosen aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen durch Tiefziehen, Abstrecken und/oder Fliesspressen eines Mantelteils mit einem aufwärts gewölbten Boden herzustellen. Der Behälter ist aus drei Teilen zusammen gesetzt und besitzt zwei umlaufende Falznähte, nämlich eine erste zum Verbinden mit einem Schulterstück und eine zweite zum Verbinden des Schulterstücks mit dem Träger eines Sprühventils. Die Wandstärke soll ausdrücklich weniger als 0,4 mm betragen. über die Druckfestigkeit, den Inhalt und das Vorliegen behördlicher Genehmigungen ist nichts offenbart.

Durch die DE 30 05 378 C2 ist es seit 1980 bekannt, bombierte Druckbehälter aus Metall aus einem zunächst becherförmigen Topf mit einem Flansch aus Blechen herzustellen, die aus einer Aluminiumlegierung bestehen, mit Kunststoff überzogen sind und vorzugsweise für die Füllung mit einer Biermenge von 3 bis 5 Litern als Bierfässer vorgesehen sind. Durch einen Pressstempel aus Polyurethangummi wird der Topf in einer zweiteiligen Form in einem zweiten Arbeitsgang sowohl radial als auch axial weiter verformt und mit Profilierungen in Form von vertikalen Rippen im Mantelteil und radialen Mulden im Bodenteil versehen. Am Ende besitzt der Druckbehälter ein radial nach aussen eiförmig bombiertes, geripptes Unterteil und ein durch umlaufende bzw. ringförmige Sicken wellenförmig profiliertes schalenfömiges Oberteil, das mit dem Unterteil durch einen Falzvorgang verbunden ist. Die Wandstärke soll vor dem Verpressen zwischen 0,3 und 1,0 mm liegen und vorzugsweise 0,5 mm betragen. über die Druckfestigkeit und das Vorliegen behördlicher Genehmigungen ist nichts offenbart. Bier erzeugt jedenfalls keine Drücke, die einen solchen Behälter sprengen könnten.

Durch die DE 33 18 728 A1 ist es seit 1984 bekannt, bei einer fliessgepressten Aerosoldose die Wanddicke im gesamten Mantelbereich kleinstmöglich zu halten und dafür den eingezogenen Rollrand zwischen Mantelbereich und Ventilträger als Ausgleich hierfür besonders zu versteifen, beispielsweise durch eine ringförmige Einlage aus Stahl. Für die Prüfdrücke ist ein Bereich zwischen 10 und 18 bar + 20 % angegeben, für einen Durchmesser von 35 mm ist eine Wanddicke von 0,17 + 0,04 mm angegeben und für einen Durchmesser von 64 mm eine Wanddicke von 0,44 + 0,04 mm. Es geht wegen der notwendigen Massenfertigung um eine Gratwanderung zwischen Materialverbrauch und Kosten einerseits und die Sicherheit andererseits.

Durch die gattungsfremde DE 199 14 029 C2 ist es seit 2000 bekannt eine grossvolumige Gasflasche mit Tragegriffen oder Tragring aus zwei stufenweise tiefgezogenen Halbschalen mit zwei zylindrischen Mantelteilen aus einer Aluminiumlegierung durch Verschweissen zusammenzusetzen. Als Gasfüllung sind beispielsweise 14 kg Flüssiggas aus Propan, Butan oder deren Gemischen bei einer Höhe von etwa 560 mm und einem Durchmesser von etwa 300 mm bei Wandstärken von 3,2 bis 3,5 mm, höchstens aber 4 mm, angegeben.

Die gleichfalls gattungsfremde EP 1 333 223 A1 befasst sich mit ähnlichen grossvolumigen Druckbehältern aus Aluminium mit Kältemitteln wie beispielsweise 14 kg Tetrafluorethan und Chlordifluormethan unter einem Betriebdruck von ca. 10 bis 15 bar und mit Wandstärken von 4,7 bis 5,2 mm. Ausbildung und Herstellung sind ähnlich wie bei der DE 199 14 029 C2 , jedoch mit dreistufigen Tiefziehverfahren.

Durch die wiederum gattungsfremde EP 0 390 711 B1 und die entsprechende DE 690 00 390 T2 ist seit 1990 wiederum ein aus drei Teilen zusammengesetzter Druckfluidumbehälter aus dünnem Stahlblech mit einer Butanfüllung bekannt, bei dem durch zwei Falznähte ein nach oben gewölbter Boden und ein Ventilträger mit einem überwiegend zylindrischen Mantelteil verbunden sind. Solche Behälter aus dünnwandigem Stahlblech werden auch als Kartuschen bezeichnet. Offenbart sind sicherheitsrelevante Formeln für die Berechnung eines Prüfdrucks und eines Zerreissdrucks in Abhängigkeit vom Dampfdruck des Gases bei einer bestimmten Temperatur oberhalb der Raumtemperatur. Der Sicherheitskoeffizient "x" liegt für den Prüfdruck zwischen 1,5 und 1,55 und der Sicherheitskoeffizient "y" für den Zerreissdruck zwischen 1,8 und 1,9. Die Temperatur "T" liegt zwischen 50°C und 55°C. Für diesen Bereich wird der Dampfdruck von Butan mit 3,1 bar angegeben. Weiterhin beschrieben ist der Vorgang des Zerreissens beim überschreiten des Zerreissdrucks: Die Falznaht des Bodens krempelt sich auf bzw. entrollt sich, bis der Behälter zerplatzt bzw. der Boden abgesprengt wird.

Durch die DE 37 41 628 A1 ist eine Flasche mit einem Konkavboden bekannt, dessen Raumform zur Erzielung einer Griffsicherheit beim Transport und zur Standsicherheit besonders gestaltet ist. Die Herstellung der komplexen Raumform des Bodenbereichs erfolgt durch warmes oder kaltes Fliesspressen, was auf ein Leichtmetall schliessen lässt. Die zitierte Vorschrift TRG 310, Ausgabe November 1978, bezieht sich jedoch auf Flaschen aus Stahl mit grossen Volumina bis 150 Litern. Als Füllung sind verdichtete Gase, Sondergase oder Gasgemische angegeben. Weitere Angaben, insbesondere über den Verwendungszweck, sind nicht offenbart und auch nicht herleitbar. Vielmehr lassen die detaillierte Beschreibung der Griffsicherheit im Bodenbereich und der Hinweis auf die TRG 310 darauf schliessen, dass es sich um grossvolumige Flaschen handelt, die mit beiden Händen transportiert werden müssen, wobei eine Hand den Boden untergreift.

Durch das DE 73 40 580 U ist ein nahtloser, tiefgezogener Druckbehälter aus Leichtmetall bekannt, der im Hals mit einem Innengewinde versehen ist und beispielsweise für Feuerlöscher verwendet werden soll. Nicht offenbart sind Angaben über das Volumen, Betriebs- und Berstdrücke, die Füllung mit Brenngasen, Entnahmeventile und die Anschlussmöglichkeit von Gasbrennern, was der Verwendung für Feuerlöscher auch entgegen steht.

Durch die US 38 39 835 ist ein einstückiger Druckbehälter aus Aluminium bekannt, der besonders für Feuerlöscher geeignet sein soll. Auch dieses Dokument befasst sich im Wesentlichen mit Radien in der geometrischen Ausbildung des Bodenbereichs. Nicht offenbart sind Angaben über das Volumen, Betriebs- und Berstdrücke, die Füllung mit Brenngasen, Entnahmeventile und die Anschlussmöglichkeit von Gasbrennern, was der Verwendung für Feuerlöscher auch entgegen steht.

Durch die US 30 24 936 sind Druckbehälter aus Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99 % bekannt, die auch für Kohlenwasserstoffe wie Propan und Butan, für Feuerlöschgase wie Kohlendioxid, Aerosolsprays und kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränke geeignet sind. Die folgenden Berstdrücke sind gerundet in metrische Maße umgerechnet: Für einwandige Aluminiumbehälter wird ein Berstdruck von 35 bar angegeben. Es wird auch ausgeführt, dass solche Behälter für Kohlenwasserstoffe wie Propan und Butan nicht geeignet sind, weil dafür Berstdrücke zwischen 35 und 70 bar erforderlich sind. Für gebördelte Behälter wird ein maximaler Betriebsdruck von 21 bar angegeben, wofür eine Druckbegrenzung auf 32 bar durch ein Sicherheitsventil und ein Sicherheitzuschlag mit dem Faktor 2 angegeben wird, wodurch sich eine Forderung nach einem mini malen Berstdruck von 63 bar ergibt. Das Austreten von Brenngasen an Luft bei Drucküberschreitung ist jedoch nach heutigen Maßstäben ein nicht zulässiger Vorgang.

Da die genannten Werte mit einwandigen Behältern nicht eingehalten werden können, wird vorgeschlagen, zwei Behälterteile mit zylindrischen Mänteln anzufertigen, diese mit einem überzug aus einem Mastix-Kleber zu versehen, teleskopisch ineinander zu schieben und dann den Kleber je nach Temperatur innerhalb von 1 bis 12 Stunden auszuhärten. Als grösste Länge für die Zylinder sind 25,4 cm angegeben. Nimmt man die 2 als massstäblich, so lässt sich ein Durchmesser von 7,4 cm abgreifen. Daraus errechnet sich ein maximales Füllvolumen von 1.092 ccm. Als maximale Wandstärke für die übereinander liegenden Zylindermäntel ist ein Wert von 12,7 mm angegeben. Aus diesem Dokument ist mithin zu ersehen, welcher Aufwand getrieben werden musste, um berstsichere Druckgasflaschen für Brenngase herzustellen. Die Befolgung dieser Lehre ist wirtschaftlich nicht vertretbar.

Die TRG 310-Technische Regeln Druckgase; Carl Heymanns Verlag KG, Köln; Ausgabe November 1978, bezieht sich vom Titel her auf Flaschen aus Stahl. Das Füllvolumen soll bis 150 Liter reichen, der Durchmesser bis 420 mm und die Länge bis 2000 mm. Diese oberen Grenzwerte definieren gerade noch tragbare Grossflaschen. Flaschenböden nach Bild 1 eignen sich nur dann für eine senkrechte Aufstellung, wenn sie von einem angeschweissten Flaschenfuss umgeben sind. Als Verwendungsbeispiel sind Feuerlöscher angegeben.

Der Aufsatz von EISELE, P.; Propene; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry; Wiley-VHC Verlag GmbH & Co. KGaA; 15. Juni 2000; befasst sich mit der Speicherung, dem Transport und den Qualitätsanforderungen für Propene. Für die Speicherung sind kugelförmige Behälter mit Durchmessern bis 20 Meter angegeben. Für den Strassen- und Schienentransport sind Tanks für 42 Tonnen Inhalt angegeben. Für die Qualitätsanforderungen sind chemische Weiterverarbeitungen wie die Polymerisation angegeben. Beziehungen zum Erfindungsgegenstand lassen sich nicht herleiten.

Mit der Veröffentlichung "Propen"; Roempp-online; Georg Thieme Verlag; März 2002; wird das Fachgebiet Chemie, Unterthema Erdöl-. Petro-, Kohlechemie angesprochen. Für Propylen sind ein Siedepunkt von –47,7°C und ein kritischer Druck von 46 bar angegeben. Bezüglich der Verwendung sind ausschliesslich chemische Produkte angegeben.

Mit der Veröffentlichung "Propan"; Roempp-online; Georg Thieme Verlag; Dezember 2003; wird gleichfalls das Fachgebiet Chemie, Unterthema Erdöl-. Petro-, Kohlechemie angesprochen. Für Propan sind ein Siedepunkt von –42°C und ein kritischer Druck von 42 bar angegeben. Bezüglich der Verwendung sind u.a. Brenn- und Heizzwecke, Treibmittel in Sprays und chemische Anwendungen angegeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen tragfähigen Kompromiss zwischen dem Berstdruck des Metallbehälters, den Sicherheitsvorschriften, der Flammentemperatur und den Herstellkosten anzugeben. Der Berstdruck ist dabei eine Funktion des Durchmessers und der Wandstärke des Flaschenmantels, der Flaschenkonstruktion und den Materialeigenschaften des Werkstoffs.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt dabei erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in dem Unteransprüchen angegeben.

Dadurch wird überraschend ein tragfähiger Kompromiss zwischen dem Berstdruck des Metallbehälters, den Sicherheitsvorschriften, der Flammentemperatur und den Herstellkosten gefunden. Der Berstdruck beruht dabei auf einer Funktion des Durchmessers und der Wandstärke des Flaschenmantels, der Flaschenkonstruktion und den Materialeigenschaften des Werkstoffs. Die Behälter solcher Gasquellen werden auch als "Monobloc-Behälter" bezeichnet.

Propen, das den überwiegenden Anteil des Brengases stellt, hat folgende kritischen Werte:

Druck P20 bei 20°C:	9,05 bar,
Druck P50 bei 50°C:	18,19 bar,
Prüfdruck PP	27,28 bar ( = 1,5 × P50),
Berstdruck PB	54,56 bar ( = 2,0 × PP).

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn – entweder einzeln oder in Kombination –:

– die Füllung 80 Gew.-% Propen und 20 Gew.-% eines Butangases enthält,
– das Butangas Iso-Butan ist,
– der Metallbehälter ein aufwärts gewölbtes Bodenteil besitzt,
– die Wölbung des Bodenteils ein Maß zwischen 10 und 15 mm besitzt,
– die Wanddicke des Zylinderabschnitts zwischen 0,7 und 1,4 mm beträgt,
– die Wanddicke des Zylinderabschnitts zwischen 1,0 und 1,2 mm beträgt,
– das Bodenteil eine grössere Dicke als der Zylinderabschnitt besitzt, und/oder, wenn
– das Bodenteil eine Dicke zwischen 1,6 und 4,0 mm besitzt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und dessen Wirkungsweise und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert.
Diese zeigt links der Achse A-A einen vertikalen Axialschnitt durch die Druckgasquelle 1 und rechts der Achse A-A eine Seitenansicht in verkleinertem Maßstab.
Der Metallbehälter 2 ist für ein Füllvolumen von 1000 ml, einen Prüfüberdruck von 22 bis 27 bar und einen Berstdruck von mindestens 50 bar ausgelegt und wurde durch Fliesspressen aus Aluminiumblech mit einem Aluminiumanteil von 99,5 % hergestellt. Der äussere Durchmesser "Dz" beträgt 80 mm.
Beim axialen Pressvorgang wurde in einer Pressform mittels eines Stempels (hier nicht gezeigt) ein einstückiges Mantelteil erzeugt, das sich in axialer Richtung aus einem Zylinderabschnitt 3 mit der Höhe "hz" von 250 mm und einem Halsabschnitt 4 mit einen Höhe "hh" von 48 mm zusammensetzt. Die Dicke "db" des Bodenteils 5 beträgt 2,6 ± 0,2 mm und seine Wölbung "hb" nach oben 12 mm. Das Bodenteil 5 geht gut abgerundet und nahtlos in den Zylinderabschnitt 3 über. Der Halsabschnitt 4 wurde anschliessend mit einem Radius "R" von 65 mm durch Verformen hergestellt, wobei der übergang vom Zylinderabschnitt 3 in den Halsabschnitt 4 stufenlos und knickfrei ausgebildet wurde. Die Wanddicke "dw" des Zylinderabschnitts 3 betrug 1,1 ± 0,1 mm, mindestens aber 0,6 mm. Schliesslich wurde ein Wulstrand 6 mit einem Aussendurchmesser "Da" von 31,3 ± 0,2 mm in herkömmlicher Weise durch Einrollen hergestellt, um einen Gasbrenner kraft- und/oder formschlüssig aufsetzen zu können. Die Gesamthöhe "H" betrug am Ende des Prozesses 250 mm. Erforderlichenfalls kann mit dem Einrollen auch ein hier nicht gezeigter Ventilträger mit einem Entnahmeventil unlösbar mit dem Mantelteil verbunden werden.
Die Füllung "F" besteht aus einem Flüssiggas mit einem Anteil zwischen 60 und 95 Gew.-% Propen (früher Propylen genannt). Damit lassen sich mittels eines aufgesetzten Brenners mit Luftzufuhr extrem hohe Flammentemperaturen erzeugen.

1: Druckgasquelle
2: Metallbehälter
3: Zylinderabschnitt
4: Halsabschnitt
5: Bodenteil
6: Wulstrand
A-A: Achse
Da: Ausendurchmesser
db: Dicke
dw: Wanddicke
Dz: äusserer Durchmesser
F: Füllung
H: Gesamthöhe
hb: Wölbung
hh: Höhe
hz: Höhe"
R: Radius

Claims

Druckgasquelle (1) mit einem einstückig fliessgepressten Metallbehälter (2) aus Aluminium und einem Füllvolumen bis maximal 2000 ccm, einer Entnahmeöffnung für verdampfte Brenngase und einer Füllung ("F") aus einem flüssigen Gasgemisch aus mindestens zwei Komponenten aliphatischer Kohlenwasserstoffe, wobei a) der Metallbehälter (2) aus Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95 Gew.-%, einer Wanddicke ("dw") zwischen 0,6 und 1,5 mm und einem Berstdruck zwischen 40 und 80 bar besteht, b) der äussere Durchmesser des Zylinderabschnitts (3) zwischen 70 und 120 mm beträgt. c) die Füllung ("F") 60 bis 95 Gew.-% Propen und 5 bis 40 Gew.-% eines Butangases enthält, d) der Metallbehälter (2) einen Zylinderabschnitt (3) und einen kalottenförmigen Halsabschnitt (4) aufweist, in deren Achse (A-A) ein Entnahmeventil angeordnet ist, und dass e) der Halsabschnitt (3) zum Ansetzen eines Gasbrenners ausgebildet ist.
Druckgasquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung 80 Gew.-% Propen und 20 Gew.-% des Butangases enthält.
Druckgasquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Butangas Iso-Butan ist.
Druckgasquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbehälter (2) ein aufwärts gewölbtes Bodenteil (5) besitzt.
Druckgasquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung ("hb") des Bodenteils (5) ein Maß zwischen 10 und 15 mm besitzt.
Druckgasquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke ("dw") des Zylinderabschnitts (3) zwischen 0,7 und 1,4 mm beträgt.
Druckgasquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke ("dw") des Zylinderabschnitts (3) zwischen 1,0 und 1,2 mm beträgt.
Druckgasquelle nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (5) eine grössere Dicke als der Zylinderabschnitt (3) besitzt.
Druckgasquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (5) eine Dicke ("db") zwischen 1,6 und 4,0 mm besitzt.