DE102006004121A1

DE102006004121A1 - Druckbehälter

Info

Publication number: DE102006004121A1
Application number: DE102006004121A
Authority: DE
Inventors: Norbert Weber
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-07-26
Also published as: US20100258573A1; CN101356400B; EP1977153A1; EP1977153B1; CN101356400A; US7959027B2; ES2416335T3; JP2009524777A; JP5032503B2; WO2007085276A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter mit zwei Kunststoffmänteln (12, 14). Dadurch, dass eine Spaltöffnung (24) zwischen den Mänteln (12, 14) bis an eine Stelle herangeführt ist, bei der die Mäntel (12, 14) in koaxialer Anordnung in Anlage miteinander sind, und dass bis zu dieser Stelle eine keilartige Verjüngung (28) eines Außenstützringes (22) führt, der einstückig ausgebildet ist oder sich aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten (28, 30) aus Metall zusammensetzt, ist eine dichte Behälter- oder Speicheranordnung geschaffen, die mit geringen Herstellkosten ralisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Aufnahme mindestens eines Fluidmediums mit einem ersten Kunststoffmantel und einem den ersten Kunststoffmantel zumindest teilweise umfassenden zweiten Kunststoffmantel, wobei der erste Kunststoffmantel zumindest an seinem einen Ende ein Kragenteil aufweist, das eine Öffnung für die Medienzu- und abfuhr umfasst und wobei das Kragenteil und der Kunststoffmantel sich an einem dazwischenliegenden Aussenstützring abstützen, der sich in Richtung einer Spaltöffnung zwischen den genannten Mänteln keilartig verjüngt.

Durch die EP 1 248 929 B1 ist ein mit einem Faserkunststoffverbund verstärkter Kunststoff-Kernbehälter als innerer Kunststoffmantel zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck bekannt, wobei der Kernbehälter einen oder mehrere Anschlussstücke im Hals- und/oder Boden und/oder zylindrischen Behälterteil aufweist, von denen mindestens ein Anschlussstück zur Aufnahme einer einschraubbaren zylindrischen oder konischen Gewinde aufweisenden Druckleitungszuführung, wie beispielsweise einem Ventil oder einem Rohrleitungsanschluss, ausgebildet ist. Im Anschlusszapfen des Kunststoff-Kernbehälters als Kragenteil ist ein zylindrischer Insert mit einem am Anschlusszapfenende einhüllenden bzw. umlaufenden Kragenende montiert, wobei mindestens zwei Dichtungen in der Weise angeordnet sind, dass mindestens eine Dichtung zwischen Insert und Innenoberfläche des Kunststoffanschlusszapfens des Kunststoffkernbehälters sowie mindestens eine weitere Dichtung zwischen Insert und Druckleitungszuführung angeordnet ist. Hierdurch soll eine hohe und langzeitig währende Dichtheit am Anschlussstück auch bei extremen wechselnden thermischen und mechanischen Betriebsbeanspruchungen sichergestellt werden. Aufgrund der scharfen Umlenkstelle des ersten inneren Kunststoffmantels in Richtung des Kragenteils um etwa 90° ist nicht auszuschließen, dass aufgrund der scharfen Umlenkstelle es zu schädlichen Beanspruchungsspitzen kommt und obwohl der Aussenstützring zwischen äußerem und innerem Kunststoffmantel sich innerhalb der hierdurch gebildeten Spaltöffnung nach außen konisch oder keilartig verjüngt, findet die sich hieraus ergebende Abstützung nur im Inneren des im wesentlichen horizontal verlaufenden Anlagebereiches von den genannten beiden Kunststoffmänteln statt mit der Folge, dass es zu den Kunststoff schädigenden Relativbewegungen zwischen den Mänteln im genannten Bereich während des Betriebes der Vorrichtung kommen kann.

Durch die DE 197 51 411 C1 ist ein gattungsgemäßer Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck, mit einem Liner aus Kunststoff als innerem bzw. ersten Kunststoffmantel bekannt, mit zwei im Halsbereich angeordneten Halsstücken, sowie mit einer den Liner verstärkenden Wicklung eines Faserverbundwerkstoffes als zweitem Kunststoffmantel. Im das Ventil aufnehmenden Halsstück ist ein in dieses Halsstück einschraubbarer Klemmring vorgesehen, der am Aussenmantel einen Gewindeabschnitt aufweist, an den sich ein gewindefreier kegelstumpfartiger Abschnitt anschließt und die zwischen den Innengewindeabschnitten des Halsstückes angeordnete ringförmige Nut zur Aufnahme eines Dichtringes erstreckt sich radial in das Halsstück und auf der Außenseite des jeweiligen Halsstückes. Im an den Kragen anschließenden Bereich ist die Anordnung mit mindestens einer radial nach außen über den ganzen Umfang sich erstreckenden Sicke versehen. Ebenso wie bei der vorstehend bekannten Lösung erstreckt sich die keilartige Verjüngung des Aussenstützringes nur entlang des inneren Umfangsbereiches am Halsstück entlang einer horizontalen durch den Liner gebildeten Ebene, der insoweit wiederum in scharfem rechten Winkel umgelenkt in das Kragenteil ausmündet, das die Medienzu- und abfuhr umfasst. Die wiederum sehr gut abdichtende Lösung setzt zu Ihrer Realisierung einen entsprechenden großen konstruktiven Aufwand mit mehreren Bauteilen ein.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen dahingehend weiter zu verbessern, dass in kostengünstiger Weise bei einem verminderten Herstellaufwand ein hoch verläßlicher Druckbehälter geschaffen ist. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.

Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Spaltöffnung zwischen den Mänteln bis an eine Stelle herangeführt ist, bei der die Mäntel in koaxialer Anordnung in Anlage miteinander sind und dass bis zu dieser Stelle die keilartige Verjüngung des Aussenstützringes führt, der einstückig ausgebildet ist oder sich aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten aus Metall zusammensetzt, ist eine dichte Behälter- oder Speicheranordnung geschaffen, die mit geringen Herstellkosten realisierbar ist. Der erfindungsgemäße Druckbehälter lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzen und dadurch dass bis in den Aussenumfangsbereich der beiden Mäntel hinein die Abstützung über den keilartig sich verjüngenden Aussenstützring erfolgt, sind eventuell auftretende Relativbewegungen zwischen den Kunststoffmänteln über den Aussenstützring abgefangen und schädigende Delaminierprozesse sind dergestalt unmittelbar zwischen den empfindlichen Kunststoffmaterialien vermieden. Die einander zugewandten Konturflächen von erstem und zweitem Kunststoffmantel lassen sich aufgrund der keilartigen Führung des Aussenstützringes, der bis in den Aussenumfangsbereich der Anordnung führt ohne scharfe Umlenkungen und ohne sprunghafte Richtungsänderungen realisieren, was eine besonders schonende Kräfteeinleitung für die genannten Kunststoffmäntel ermöglicht. Eine besonders günstige Krafteinleitung ergibt sich, wenn der Aussenstützring einstückig ausgebildet ist und dann vorzugsweise aus einem plastisch verformbaren Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem Polymermaterial besteht. Gute Ergebnisse lassen sich aber auch erreichen, wenn der Aussenstützring als starrer Stützteilkörper aus mindestens zwei Einzelsegmenten beispielsweise in der Art von Einzelringen zusammengesetzt ist, was wiederum die Herstellung vereinfacht und mithin Herstellkosten senken hilft. Sofern der Aussenstützring vollständig und mithin einstückig aus einem Kunststoffmaterial besteht, ist darüber hinaus ausgeschlossen, dass gegebenenfalls an scharfkantigen Übergangsstellen das Kunststoffmaterial der Mäntel durch den Aussenstützring beschädigt werden kann. Bei einer metallischen Einzelringsegmentausbildung hingegen ist insbesondere bezogen auf das Kragenteil des Liners als innerem oder erstem Kunststoffmaterial eine hohe Steifigkeit für die Behälteranordnung erreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters ist darüber hinaus vorgesehen die Aussenkontur des Aussenstützringes in Richtung der Spaltöffnung mit einer konvexen Krümmung zu versehen und seine gegenüberliegende Innenkontur ausgehend von der Spaltöffnung in einer geradlinigen Schräge verlaufen zu lassen, die an der Stelle des Eintritts des Kragenteils in eine zur Längsachse des Behälters parallele Anlagefläche ausmündet. Die dahingehende Ausgestaltung des Aussenstützrin ges mit konvexer Krümmung auf der Außenkontur und planparalleler Ausgestaltung auf der Innenkonturseite führt zu einer besonders günstigen Krafteinleitung der Belastungen des Innenmantels in den Aussenstützring, der insoweit von dem äußeren Kunststoffmantel durch Umwicklung weiter abgestützt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druckbehälterlösung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.

Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Druckbehälter anhand eines Ausführungsbeispieles nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung, die wesentlichen Teile des Druckbehälters in einem Längsschnitt.
Der in der Zeichnung wiedergegebene Druckbehälter dient der Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Fluidmedien, die unter einem Druck von bis zu mehreren tausend bar stehen können. Er ist an beiden Enden mit Anschlußöffnungen 10 für die Medienzu- und abfuhr versehen, an die nicht näher dargestellte Druckleitungen und/oder Ventile anschließbar bzw. einsetzbar sind, die je nach Anwendungszweck für den Druckbehälter unterschiedlich dimensioniert und ausgestaltet sein können.
Der Druckbehälter weist einen ersten Kunststoffmantel 12 auf und einen den ersten Kunststoffmantel 12, zumindest teilweise umfassenden zweiten Kunststoffmantel 14. Der dahingehende erste Kunststoffmantel 12 wird fachsprachlich auch mit Kunststoffkern-Behälter bezeichnet oder mit Liner. Er besteht bevorzugt aus Polyamid und wird mittels eines Blasformprozesses oder durch Rotationssintern erhalten. Die dahingehenden Herstellverfahren sind üblich, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher einge gangen wird. Der angesprochene Liner 12 wird außenumfangseitig durch eine von außen aufgewickelte Faserwicklung als zweitem Kunststoffmantel 14 verstärkt. Beispielsweise besteht die verstärkende Umwicklung aus einer Faserverstärkung, wie Kohlenstoff-, Aramid-, Gas-, Bor-, Al₂O₃ Fasern oder aus Gemischen hieraus, die man auch als Hybridgarne bezeichnet, die in einer Grundmatrix aus Duromeren, beispielsweise Epoxid- oder Phenolharzen oder in Thermoplasten, beispielsweise in Form von PA12, PA6, PP etc. eingebettet sind. Der die Stützhülle bildende Faserverbundstoff enthält insoweit einander überkreuzende, in Kunstharz eingebettete Faserstränge, die sich im wesentlichen in Längs- und Umfangsrichtung erstrecken. Der die Stützhülle bildende Faserverbundstoff kann ergänzend oder alternativ auch einander überkreuzende Faserstränge umfassen, die in der Längs- und Umfangsrichtung geneigt und in zweckmäßiger Weiterausgestaltung der Längsachse des Kunststoff-Kernbehälters spiegelbildlich geneigt einander zugeordnet sein können. Die längs- und umfangsgerichteten Kräfte lassen sich hierdurch in optimaler Weise durch den Druckbehälter auffangen. Außerdem werden die Möglichkeiten verbessert, das Verhältnis des Öffnungsquerschnittes einer stirnseitigen Öffnung, in Bezug zum Innendurchmesser des Kunststoff-Kernbehälters, auf große Werte von mindestens 30%, vorzugsweise von mindestens 50% einzustellen, ohne das sich Funktionsbeeinträchtigungen ergeben.
An seinen gegenüberliegenden Enden mündet der erste Kunststoffmantel 12 in ein zylindrisches Kragenteil 16 aus, wobei bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform es auch denkbar wäre, das eine Ende des ersten Kunststoffmantels 12 zu schließen und nur ein Kragenteil 16 vorzusehen. Der Druckbehälter ist im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und erstreckt sich entlang seines Mittenumfanges 18, mit koaxialer Anordnung seiner beiden Mäntel 12, 14 entlang seiner Längsachse 20. In Rich tung dieser Längsachse 20 gesehen, mündet das freie Ende des zweiten Kunststoffmantels 14, oberhalb des Kragenteils 16 des ersten Kunststoffmantels 12 aus, was sich für die einzuleitenden Kräfte während des Betriebes des Behälters als günstig erwiesen hat. Das Kragenteil 16 des ersten Kunststoffmantels 12 und der zweite Kunststoffmantel 14 stützen sich im übrigen an einem zwischen ihnen innenliegenden Aussenstützring 22 ab. Der Aussenstützring 22 verjüngt sich in Richtung einer Spaltöffnung 24 zwischen den genannten Mänteln 12, 14 keilartig. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die genannte Spaltöffnung 24 zwischen den Mänteln 12, 14 bis an eine Stelle herangeführt ist, bei der die Mäntel 12, 14 in koaxialer Anordnung zu der Längsachse 20 des Speichers in Anlage miteinander sind, wobei bis zu dieser Stelle die keilartige Verjüngung 26 des Außenstützringes 22 führt, der entweder, was nicht näher dargestellt ist, einstückig ausgebildet ist oder gemäß der Darstellung sich aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten 28, 30 aus Metall zusammensetzt.
Wie sich des weiteren aus der Figur ergibt, ist die Außenkontur 32 des Aussenstützringes 22 in Richtung der Spaltöffnung 24 mit einer konvexen Krümmung versehen und seine gegenüberliegende Innenkontur 34 verläuft, ausgehend von der Spaltöffnung 24 in einer geradlinigen Schräge, die an der Stelle des Eintritts des Kragenteils 16 in eine zu der Längsachse 20 des Behälters parallele Anlagefläche ausmündet. Die Krümmung der Außenkontur 32 nimmt dabei in Richtung des freien Endes des zweiten Kunststoffmantels 14 zu. Durch die dahingehende Innen- und Außenkonturgestaltung für den Aussenstützring 22 ist eine gute Krafteinleitung gewährleistet, und darüber hinaus eine sichere Anbindung der genannten Kunststoffmäntel 12, 14 im Bereich des Aussenstützringes 22. Sofern der Aussenstützring 22, wie dargestellt, aus metallischen Einzelsegmenten besteht, kann zumindest einer der beiden Einzelsegmente 28 oder 30 im randseitigen Bereich einen Vorsprung aufweisen, der in einer Art Übergriff in eine randseitige Radialausnehmung des anderen Einzelsegmentes einmündet. Hierdurch ist eine besonders gute Anhaftung beider Einzelsegmente aneinander möglich. Im Querschnitt nach der Figur gesehen, ist mithin das eine Einzelsegment 30 in der Art eines Anlegekeiles und das andere Einzelsegment 28 bis zum freien Ende des jeweiligen Kragenteiles 16 in der Art eines Parallelogrammes ausgebildet.
Das Kragenteil 16 des ersten Mantels 12 stützt sich innenumfangseitig an einer weiteren Anlagefläche eines Innenstützringes 36 ab, der gleichfalls als starrer Metallring ausgebildet ist. Wie die Darstellung nach der Figur zeigt, braucht der Innenstützring 36 für die beiden Enden des Druckbehälters nicht gleich ausgebildet zu sein; charakteristisch ist jedoch, dass der jeweilige Innenstützring 36 entlang einer Aussenumfangsfläche eine Ringnut aufweist, für die Aufnahme eines O-Dichtringes 38, der der Abdichtung der jeweiligen Medienzu- und abfuhr dient. Ferner ist charakteristisch, dass der Innenstützring 36 sich derart in dem Aussenstützring 22 abstützt, dass eine gemeinsame Begrenzungswand für die Medienzu- und abfuhr geschaffen ist. Der aufgezeigte Innenstützring 36 ist in Richtung des Inneren des Druckbehälters mit einer Anlageschräge versehen, deren Neigung der Neigung der Schräge der Innenkontur 34 des Aussenstützringes 22 angepasst ist, insbesondere dieser entspricht. Ferner ist die Aussenkontur 32 des Aussenstützringes 22 mit einer ringförmigen Vertiefung 40 versehen, in die das zuordenbare Ende des zweiten Kunststoffmantels 14 unter Anlage ausmündet.
Beidseits des Mittenumfanges 18 weist der zweite Kunststoffmantel 14 mindestens eine zusätzliche Wicklungslage 42 auf, die zum einen hilft den Berstdruck zu erhöhen und zum andern sicherstellt, dass im Berstfall etwai ge massive Innenteile des Druckbehälters oder Druckspeichers nicht geschossartig nach außen treten können, sondern vielmehr von der Zusatzwicklung 42 zurückgehalten sind. In Abhängigkeit der Baulänge des Speichers kann die dahingehende Zusatzwicklung 42 nur einfach vorhanden sein oder in diskreten Abständen voneinander mehrfach. Der genannte Aussenstützring 22 ist in der Lage in der Art eines Druckpuffers auftretende Spannungsspitzen gleichförmig zu verteilen und in die beiden Kunststoffmäntel 12, 14 einzuleiten. Dergestalt ist auch ein Ausbeulen des Druckbehälters wirksam vermieden. Da im Sinne einer Gleitbewegung im koaxialen Bereich die geringsten delaminierenden Relativbewegungen zwischen den einander zugewandten Seiten der Kunststoffmäntel 12, 14 auftreten könnten, genügt es insoweit die Abstützung und die Trennung der Lagen bzw. der beiden Mäntel 12, 14 voneinander im endseitigen Umfassungsbereich durch den Aussenstützring 22 vorzunehmen. Die aufgezeigte Querschnitts-Keilform des Aussenstützringes 22 ist insoweit günstig, als sie wirksam den genannten Relativverlagerungen entgegenwirkt, wozu die verschiedene Ausgestaltung von Außenkontur 32 zu Innenkontur 34 unterstützend mitwirkt. Trotz des Umstandes, dass bei der beschriebenen Druckbehälterlösung nur glatte Flächen im Einsatz sind, insbesondere bezogen auf den Innenstützring 36 sowie den Außenstützring 22, ist es überraschend, dass dergestalt in konstruktiv einfacher Weise ein hochfester und steifer Verbindungsteil im Bereich des Kragens 16 erreicht ist.

Claims

Druckbehälter zur Aufnahme mindestens eines Fluidmediums mit einem ersten Kunststoffmantel (12) und einem den ersten Kunststoffmantel (12) zumindest teilweise umfassenden zweiten Kunststoffmantel (14), wobei der erste Kunststoffmantel zumindest an seinem einen Ende ein Kragenteil aufweist, das eine Öffnung (10) für die Medienzu- und abfuhr umfasst und wobei das Kragenteil (16) und der zweite Kunststoffmantel (14) sich an einem dazwischenliegenden Aussenstützring (22) abstützen, der sich in Richtung einer Spaltöffnung (24) zwischen den genannten Mänteln (12, 14) keilartig verjüngt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltöffnung (24) zwischen den Mänteln (12, 14) bis an eine Stelle herangeführt ist, bei der die Mäntel (12, 14) in koaxialer Anordnung in Anlage miteinander sind, und dass bis zu dieser Stelle die keilartige Verjüngung (28) des Aussenstützringes (22) führt, der einstückig ausgebildet ist oder sich aus mindestens zwei ringförmigen Einzelsegmenten (28, 30) aus Metall zusammensetzt.
Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenkontur (32) des Aussenstützringes (22) in Richtung der Spaltöffnung (24) mit einer konvexen Krümmung versehen ist und seine gegenüberliegende Innenkontur (34) ausgehend von der Spaltöffnung (24) in einer geradlinigen Schräge verläuft, die an der Stelle des Eintritts des Kragenteils (16) in eine zur Längsachse (20) des Behälters parallele Anlagefläche ausmündet.
Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kragenteil (16) des ersten Mantels (12) innenumfangseitig sich an einer weiteren Anlagefläche eines Innenstützringes (36) abstützt, der gleichfalls als starrer Metallring ausgebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenstützring (36) derart in dem Aussenstützring (22) geführt ist, dass eine gemeinsame Begrenzungswand für die Medienzu- und abfuhr geschaffen ist.
Druckbehälter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenstützring (36) in Richtung des Inneren des Druckbehälters mit einer Anlageschräge versehen ist, deren Neigung der Neigung der Schräge der Innenkontur (34) des Aussenstützringes (22) entspricht.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenkontur (32) des Aussenstützringes (22) mit einer ringförmigen Vertiefung (46) versehen ist, in die das zuordenbare Ende des zweiten Kunststoffmantels (14) unter Anlage ausmündet.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoffmantel (12) ein Kunststoff-Liner ist, der durch ein Blasform- oder Rotations- oder Thermoverfahren hergestellt ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoffmantel (14) aus einer Wicklung aus mindestens einer Art an Fasern besteht, die an der Stelle der jeweiligen Umfassung eine Faserverstärkung für den ersten Kunststoffmantel (12) bildet.
Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoffmantel (14) entlang seines Aussenumfanges in diskreten Abständen voneinander eine Zusatzwicklung (42) aufweist.