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Die Erfindung betrifft einen Gasbehälter wie eine Gasflasche oder einen Gastank.
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Bei dem Gasbehälter kann es sich beispielsweise um eine Brenngasflasche oder Treibgasflasche handeln, die es in verschiedenen Größen gibt, oder um einen Gastank, der beispielsweise in aufrechter Lage in einem Wohnmobil gehalten oder z. B. auf einem Hubstapler oder stationären Motor in waagerechter Lage angeordnet sein kann. Es kann sich um kleine Gasbehälter handeln oder um große Behälter.
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Sehr weit verbreitete Gasflasche haben ein Füllgewicht von ca. 11 kg oder ca. 14 kg und sind mit Flüssiggas aus Propan oder Butan oder einem Propan/Butan-Gemisch gefüllt. Derartige Brenngasflaschen werden zu vielfältigen Zwecken im Haushalt oder im Gewerbe verwendet. Das Gas aus solchen Flaschen kann in gasförmiger Phase für allerlei Zwecke im Haushalt oder Gewerbe oder in seiner flüssigen Phase z. B. zum Antrieb von Motoren verwendet werden.
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Die Gasbehälter der betrachteten Art bestehen häufig aus Stahl, womit sie ein beträchtliches Gewicht haben. Inzwischen sind auch Gasbehälter aus entsprechend geeigneten Aluminiumlegierungen verbreitet, die teilweise sogar korrosionsbeständig und aufgrund ihres erheblich geringeren Gewichts wesentlich einfacher zu handhaben sind.
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Gasbehälter unterliegen sehr hohen Sicherheitsanforderungen, da sie im Falle des Berstens oder Explodierens verheerende Zerstörungen hervorrufen können. Bei einer Berstung reißt die Flasche „lediglich” auf, bei einer Explosion zerlegt sie sich in mehrere umherfliegende Teile, die die Wirkung von Geschossen haben. Wenn eine Flasche in einem Wohnmobil aus welchen Gründen auch immer zur Berstung kommt, zerlegt diese Berstung das Wohnmobil in Trümmer. Eine Explosion bewirkt das Gleiche, lässt aber zusätzlich ihre Bestandteile wie Geschosse umherfliegen. Das sinngemäß Gleiche passiert, wenn eine Flasche in den geschlossenen Räumen eines Hauses birst oder explodiert. Ein Einfamilienhaus wird dem Erdboden gleich gemacht.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine Hochdruckflasche für technische oder medizinische Gase, mit einem Ventil, das vorzugsweise ein Gewinde aufweist, mit dem das Ventil in die Hochdruckflasche eingeschraubt ist. Das Ventil kann aber auch auf andere Weise an der Hochdruckflasche befestigt sein, beispielsweise mithilfe von Schrauben dicht an die Hochdruckflasche angeschraubt sein.
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Bei den technischen Gasen handelt es sich beispielsweise um Stickstoff, Äthylen, Sauerstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid, Neon, Xenon, Krypton, Pressluft und Wasserstoff, während zu den medizinischen Gasen Lachgas, Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Stauerstoff, Kohlendioxid, Helium und viele andere mehr zu nennen sind.
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Die Hochdruckflaschen sind im Allgemeinen einem Betriebsdruck von 200 bis 300 bar ausgesetzt. Im Falle eines Berstens oder Explodierens der Hochdruckflasche können die oben erwähnten verheerende Zerstörungen auftreten.
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Bisher werden Hochdruckflaschen mit einem einfachen Ventil ohne Sicherheitsfunktion ausgerüstet. Es ist bekannt, dass zur Vermeidung einer Explosion Hochdruckflaschen mit einer Berstscheibe versehen sein können, die der Hochdruckflasche ab Erreichen eines bestimmten Überdrucks die Berstung gestattet. Auch hierdurch kann in der Umgebung der berstenden Flasche ein erheblicher Schaden entstehen, abgesehen davon, dass die geborstene Flasche natürlich nicht wieder verwendbar ist.
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Wenn die Hochdruckflasche nicht mit einem einfachen Ventil, sondern mit einem Sicherheitsventil ausgerüstet wäre, was bisher nicht bekannt ist, würde dieses bei Erreichen eines vorgegebenen Innendrucks öffnen, wodurch solange Gas ausströmen könnte, bis der Druck unter diesen kritischen Druck sinkt, woraufhin das Sicherheitsventil – im Allgemeinen durch Federdruck – wieder schließen würde. Wenn das Sicherheitsventil vorschriftsmäßig funktionieren würde, könnte hierdurch ein Bersten der Hochdruckflasche allein durch Innendruck ausgeschlossen werden. Anders liegt der Fall, wenn die Hochdruckflasche sehr hohen Außentemperaturen ausgesetzt ist, insbesondere wenn im Bereich der Hochdruckflasche ein Feuer ausgebrochen ist. Wenn in einem solchen Fall die Hochdruckflasche ein einfaches Ventil hat, das keine kontrollierte Druckentlastung zulässt, kann der Gasdruck in der Hochdruckflasche durch die einwirkende Hitze in kürzester Zeit so hoch ansteigen, dass die Flasche nicht nur birst, sondern schließlich auch explodiert. Dies könnte aber auch passieren, wenn zwar ein Sicherheitsventil vorgesehen wäre, das zunächst soviel Gas ausströmen ließe, bis das Sicherheitsventil unterhalb der kritischen Druckgrenze wieder schließen würde. Das restliche Gas in der Flasche könnte nun nicht mehr den Überdruck entwickeln, durch den sich das Sicherheitsventil wieder öffnen und die Restmenge des Gases ausströmen könnte. Wohl aber würde durch die weiterhin einwirkende Hitze in kürzester Zeit ein solcher Überdruck entstehen, der ein Sicherheitsventil zwar nicht mehr öffnen könnte, aber ausreichend dafür wäre, die Hochdruckflasche trotz eines Sicherheitsventils wegen der infolge der fortbestehenden Hitzeeinwirkung wesentlich verringerten Druckfestigkeit zur Explosion zu bringen.
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Die bisher bekannten Hochdruckflaschen mit ihrem einfachen Ventil sind demnach nicht feuerfest, was auch bei einer bisher nicht bekannten Ausrüstung mit einem Sicherheitsventil der Fall wäre. Somit besteht bei Hochdruckflaschen im Brandfalle oder bei anderweitiger Einwirkung großer Hitze ein großes Sicherheitsproblem. Dies trifft auch für Gasbehälter der eingangs genannten Art mit geringerem Gasdruck zu.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für dieses Problem anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung sieht vor, dass der Gasbehälter, insbesondere die Hochdruckflasche mit einer Schmelzdichtungseinrichtung versehen ist, die bei Erreichen einer vorbestimmten kritischen Temperatur schmilzt und das Ausströmen des Gases aus dem Gasbehälter ermöglicht. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich in dem Gasbehälter bei Einwirken von Hitze kein gefährlicher Überdruck ausbilden kann, der zu einem Bersten oder gar zur Explosion des Behälters führen könnte. Dadurch wird ein ansonsten herkömmlicher Gasbehälter, insbesondere eine Hochdruckflasche feuerfest bzw. feuerbeständig.
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Die Anordnung und Ausbildung der Schmelzdichtungseinrichtung kann auf vielerlei Weise realisiert werden.
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Häufig haben Gasbehälter einen vorzugsweise rohrförmigen Ansatz mit einem Innengewinde, in das das Ventil mit seinem Gegengewinde eingeschraubt wird. Anstelle eines rohrförmigen Ansatzes kann beispielsweise auch ein dicker Flansch mit Innengewinde vorgesehen sein. Hierzu wird mit Vorteil vorgeschlagen, in dem Bereich des Gewindeeingriffs des Ventils eine Schmelzdichtungseinrichtung anzuordnen. Hierzu kann in dem Bereich des Gewindeeingriffs ein Dichtungsring, ein Dichtungsband oder eine Dichtungspaste angeordnet werden, die bei Erreichen einer vorbestimmten, vorgegebenen Temperatur schmilzt. Die geeigneten Abmessungen der jeweils verwendeten Schmelzdichtungseinrichtung lassen sich durch einfache Versuche festlegen. Wichtig ist, dass bei Erreichen der kritischen Temperatur die Schmelzdichtungseinrichtung soweit schmilzt, dass so viel Gas aus dem Gasbehälter entweichen kann, dass dieser weder birst noch explodiert.
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Damit das Gas schneller in der erforderlichen Menge entweichen kann, wird mit besonderem Vorteil vorgeschlagen, dass in dem Gewinde des Gasbehälters, insbesondere der Hochdruckflasche wenigstens eine durchgängige Nut quer zu allen Gewindegängen ausgebildet ist, die mit einem Schmelzdichtungsmittel abgedichtet ist. Es können auch zwei oder mehr dieser Nuten ausgebildet sein. Alternativ hierzu oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Gewinde des Ventils wenigstens eine derartige durchgängige Nut quer zu allen Gewindegängen ausgebildet ist, die mit einem Schmelzdichtungsmittel abgedichtet ist.
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Dabei kann die jeweilige Nut auch tiefer eingeschnitten oder eingefräst sein und sich in den Kerndurchmesser des zugehörigen Gewindes erstrecken. Weiter wird mit Vorteil vorgeschlagen, dass sich die Nut zur Außenseite des Ventils hin konisch verjüngt und dass das Schmelzdichtungsmittel die Form einer konischen Leiste hat, die in die Nut eingeklebt sein kann. Durch die konische Form ist zusätzlich gewährleistet, dass das Schmelzdichtungsmittel vor dem Schmelzen dem Innendruck in dem Gasbehälter, insbesondere der Hochdruckflasche, sicher stand hält.
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Alternativ zu den obigen Maßnahmen oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass durch den Ventilkörper eine den Gaseintrittskanal mit der Außenseite des Ventilkörpers verbindende Bohrung verläuft, die mit einem Schmelzdichtungsmittel abgedichtet ist. Die Bohrung kann sich zur Außenseite hin konisch verengen, wobei das zugehörige Schmelzdichtungsmittel die Form eines Kegelstumpfes hat, der in die Bohrung eingeklebt sein kann.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Gasbehälter, insbesondere die Hochdruckflasche ein Sicherheitsventil aufweisen, das die Schmelzdichtungseinrichtung in sich enthalten kann. Hierbei besteht die Schmelzdichtungseinrichtung vorzugsweise aus einer Dichtscheibe, die von einer Feder in die Schließstellung beaufschlagt ist und bei Erreichen eines vorbestimmten Gasdrucks in dem Gasbehälter in die Öffnungsstellung bewegt wird, wie dies bei einem Sicherheitsventil üblich ist. Die Dichtscheibe kann hierbei aus einem schmelzbaren Material bestehen, das die Eigenschaften haben muss, dass die Dichtscheibe auch die normalen Sicherheitsfunktionen (öffnen und schließen des Ventils) erfüllen kann. Die Dichtscheibe kann aus einem schmelzbaren Werkstoff, vorzugsweise PT 1000 oder PE 500 bestehen und eine Dicke von 1 mm bis 5 mm, vorzugweise 2 mm bis 3 mm aufweisen. Anstelle einer Dichtscheibe kann auch ein Dichtkörper in Gestalt eines Zylinders oder einer Kugel aus schmelzbarem Material vorgesehen sein.
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Das Sicherheitsventil kann zusätzlich oder alternativ mit einer Schmelzdichtungseinrichtung im Bereich des Gewindeeingriffs des Ventils versehen sein.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Wand des Gasbehälters, insbesondere der Hochdruckflasche wenigstens eine eigens dafür vorgesehene Öffnung bzw. Durchgangsbohrung aufweisen, die eine Schmelzdichtungseinrichtung aufweist. In diese Öffnung kann ein metallischer Stopfen eingesetzt sein, der von der Schmelzdichtungseinrichtung gegenüber dem Flaschenkörper abgedichtet ist. Dem gleichen Zweck kann auch ein Stopfen dienen, der insgesamt aus Material besteht, das bei Erreichen einer bestimmten Temperatur schmilzt, damit die Öffnung frei gibt und dem Gas den Austritt ohne Berstung oder Explosion gestattet.
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Besonders bevorzugt ist hierbei, in eine mit Innengewinde versehene Durchgangsbohrung einen vorzugsweise aus Metall bestehenden Stopfen einzuschrauben, wobei in dem Bereich des Gewindeeingriffs die Schmelzdichtungseinrichtung angeordnet ist. Dabei kann in dem zugehörigen Gewinde des Gasbehälters, insbesondere der Hochdruckflasche wenigstens eine durchgängige Nut quer zu allen Gewindegängen ausgebildet sein, die mit einem Schmelzdichtungsmittel abgedichtet ist. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann in dem Gewinde des Stopfens wenigstens eine durchgängige Nut quer zu allen Gewindegängen ausgebildet sein, die mit einem Schmelzdichtungsmittel abgedichtet ist. Die jeweilige Nut kann auch tiefer eingeschnitten sein und über die Gewindegänge hinaus in den Kern des Gewindes hinein reichen.
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Auch hierbei kann sich die Nut zur Außenseite des Ventils hin konisch verjüngen, wobei das Schmelzdichtungsmittel die Form einer konischen Leiste haben und in die Nut eingeklebt sein kann.
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Die Temperatur, bei der die Dichtungseinrichtung schmilzt, sollte zwischen 100°C und 200°C, vorzugsweise zwischen 120°C und 180°C liegen, wobei eine Schmelztemperatur von ca. 150°C am meisten bevorzugt ist. Die Erfindung ist aber nicht auf die angegebenen Temperaturen beschränkt, die je nach Gasbehälter und Gefährdungssituation höher oder niedriger sein können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen Vertikalschnitt durch ein einfaches Ventil in vergrößerter Darstellung;
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2 das Ventil im eingeschraubten Zustand;
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3 einen Vertikalschnitt durch ein Sicherheitsventil in vergrößerter Darstellung;
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4 das Sicherheitsventil im eingeschraubten Zustand;
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5 eine rein schematische Darstellung der Lage einer durchgängigen Nut in dem Gewinde eines Ventils mit Schmelzdichtungsmittel und
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6 eine rein schematische Darstellung einer durch den Ventilkörper verlaufenden Bohrung mit Schmelzdichtungsmittel.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Ventil 1 enthält einen Ventilkörper 2, dessen unterer, leicht konisch sich verengender Ansatz 3 mit einem Außengewinde 4 versehen ist, mit dem das Ventil 1 in eine Muffe 24 einer Hochdruckflasche 25 einschraubbar ist. Der Gaseintrittskanal 5 ist an seinem oberen Ende durch einen Stopfen 6 verschließbar, der in eine Aussparung eines Kolbens 7 aufgenommen ist, der von einem Handrad 8 aufwärts und abwärts bewegbar ist, um einen Gasaustrittskanal 9 in einem seitlichen Ansatz 10 des Ventils 1 zu öffnen oder zu schließen. Das Handrad 8 steht hierzu im Gewindeeingriff mit einem Innengewinde 11 am oberen Endbereich des Ventils 1. Der Kolben 7 ist durch zwei O-Ringe 12 in dem Ventilkörper 2 abgedichtet. Mit dem Bezugszeichen 13 sind zwei hintereinander liegende Stifte bezeichnet, die als oberen Anschlag für das Handrad 8 und den von diesem gehaltenen Kolben 7 dienen.
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Der seitliche Ansatz 10 enthält ein Außengewinde 14 zur Befestigung eines Schlauchs, durch den das Gas seinem Bestimmungsort zugeführt wird, wenn das Handrad 8 und damit der Kolben 7 mit dem Stopfen 6 die Verbindung des Gaseintrittskanals 5 mit dem Gasaustrittskanal 9 frei gegeben hat.
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Das Ventil 1 ist – wie oben gesagt – mit seinem Außengewinde 4 in ein Innengewinde der Muffe 24 einer Hochdruckflasche 25 eingeschraubt. Dieser Gewindeeingriff ist durch eine Schmelzdichtungseinrichtung 26 abgedichtet, die bei Erreichen einer kritischen Temperatur schmilzt, die zwischen 100 und 200°C, vorzugsweise etwa bei 150°C liegt. Die Schmelzdichtungseinrichtung 26 besteht aus einem schmelzbaren Dichtungsring oder einem schmelzbaren Dichtungsband oder aus einer schmelzbaren Dichtungspaste, die unterhalb der kritischen Schmelztemperatur den Gewindeeingriff sicher abdichtet.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Stopfen 6 ganz oder teilweise aus einem bei Erreichen einer kritischen Temperatur schmelzbaren Material besteht. Als Material hierfür kommen geeignete Kunststoffe, geeignete Metalle oder Verbundwerkstoffe in Betracht. Ein geeigneter Kunststoff ist z. B. PT 1000 oder PE 500.
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Das in den 3 und 4 dargestellte Sicherheitsventil 15 hat einen weiteren Gasauslasskanal 16, der von einer Schmelzdichtungsscheibe 17 geschlossen ist, bis ein vorbestimmter kritischer Gasdruck auftritt. Die Schmelzdichtungsscheibe 17 ist in einen Federhalter 18 aufgenommen, der von einer Schraubendruckfeder 19 in die Verschlussstellung der Schmelzdichtungsscheibe 17 gedrückt wird, indem sich die Schraubendruckfeder 19 an einer in den Endbereich des zugehörigen seitlichen Ansatzes 20 eingeschraubte Kappe 21 abstützt. Öffnungen 22 in der Kappe 21 sind durch einen Staubschutzstopfen 23 verschlossen.
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Wenn die Schmelzdichtungsscheibe 17 in die Öffnungsstellung gedrückt wird, strömt Gas aus dem Ansatz 20 aus, bis der kritische Druck unterschritten wird, woraufhin sich die Schmelzdichtungsscheibe 17 wieder dicht an den Rand des Gasaustrittskanals 16 anlegt.
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Die Schmelzdichtungsscheibe 17 und/oder der Federhalter 18 bestehen ganz oder teilweise aus einem Material, das bei Erreichen einer vorgegebenen kritischen Temperatur schmilzt, so dass das gesamte Gas aus der Hochdruckflasche austreten kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Gewinde 4 in seinem Gewindeeingriff in die Muffe 24 der Hochdruckflasche 25 durch eine schmelzbare Dichtungseinrichtung 26 in Form eines Dichtungsrings, eines Dichtungsbandes oder einer Dichtungspaste abgedichtet sein.
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Die 5 und 6 zeigen zwei besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei der Ausführungsform der 5 enthält das Gewinde 4 des Ventils 1 eine durchgängige Nut 27, die sich in Längsrichtung des Gewindes 4, d. h. nahezu parallel zur Achse des Gaseintrittskanals 5, quer zu allen Gewindegängen erstreckt. Diese Nut 27 kann querschnittlich z. B. eine V-Form oder U-Form haben, gegebenenfalls mit gewölbten Nuträndern. Die Nut kann über die Gewindegänge hinaus tiefer eingeschnitten bzw. eingefräst sein. In die Nut ist eine Leiste 28 aus einem schmelzbaren Dichtungsmittel eingesetzt, die eine konische Form hat, die sich zur Außenseite des Ventils 1 hin verjüngt. d. h. dass sich die Nuttiefe zum oberen Rand des Gewindes 4 hin verringert. In 5 ist die Dichtmittelleiste auf der linken Seite in einer Seitenansicht und rechts davon in einer Stirnansicht dargestellt.
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Bei der Ausführungsform der 6 verläuft eine Bohrung 29 von dem Gaseintrittskanal 5 zur Außenseite des Ansatzes 3 des Ventilkörpers 2. Die Bohrung 29 verengt sich zu Außenseite hin konisch und ist durch ein Schmelzdichtungsmittel in Form eines Kegelstumpfs 30 abgedichtet, der in die Bohrung 29 eingeklebt sein kann.
