DE102017218299A1

DE102017218299A1 - Druckbehälter und dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102017218299A1
Application number: DE102017218299.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Minges; Nico Blessing; Peter Skarke; Dieter Frank; Hubert Urban
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Behälter (100, 200) für ein Fluid, insbesondere für ein Feuerlöschfluid, dessen Druck um ein Mehrfaches erhöht wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters (100, 200), aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines verlorenen Kerns (211), insbesondere aus Styropor, der so ausgebildet ist, dass zumindest Bereiche einer Außenkontur des Kerns eine Form der vorgesehenen Wandschalen (201, 202) aufweisen, und dass der Kern dazwischen den vorgesehenen Abstand (c) zwischen den Wandschalen aufweist, Anbringen von beschichteten Textillagen (212) an der Au-ßenkontur des Kerns, und Aushärten der Beschichtungen der Textillagen (212) und des Textilfadens bzw. -bündels (213).

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter für ein Fluid, insbesondere für ein Feuerlöschfluid, dessen Druck plötzlich um ein Mehrfaches erhöht wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters und eine Verwendung eines solchen Behälters als konstruktives Bauelement eines Fahrzeugs.
Feuerlöscheinrichtungen sind für verschiedenste stationäre Anwendungen, beispielsweise in Häusern, ebenso bekannt wie für verschiedenste mobile Anwendungen, beispielsweise in Fahrzeugen. Bei vielen stationären und mobilen Anwendungen werden beispielsweise Feuerlöscheinrichtungen eingesetzt, die im allgemeinen Sprachgebrauch als „Feuerlöscher“ bezeichnet werden.
Diese Feuerlöscher - wie auch viele anwendungs-spezialisierte Feuerlöscheinrichtungen - weisen als Druckbehälter einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Stahlkörper zur Abgrenzung eines Druckraumes auf. In dem Druckraum ist dann in klassischen Bauweisen eine unter Druck stehende Löschflüssigkeit angeordnet, die mittels eines Ventils auf einen Brandherd ausgelassen werden kann.
Bei neueren Bauweisen können Feuerlöscher auch pyrotechnisch ausgebildet sein, wobei dann ein Löschpulver oder eine Löschflüssigkeit im Brandfall mittels einer gezündeten Treibladung unter Gasdruck gesetzt wird und das resultierende Fluid seinerseits mittels eines Ventils auf den Brandherd ausgelassen werden kann. Ein solcher Feuerlöscher ist beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel des deutschen Patents DE 10 2006 008 384 B4 beschrieben.
Die beschriebenen zylindrischen Feuerlöscheinrichtungen müssen im Fall der kontinuierlich unter Druck stehenden Löschflüssigkeit während des größten Teils ihrer Lebensdauer einem großen Druck widerstehen können; im Fall der pyrotechnischen Feuerlöscheinrichtungen müssen sie zudem den plötzlichen Druckanstieg bei der Zündung der Treibladung aushalten können, ohne strukturell zu versagen. In jedem Fall erfordern diese Feuerlöscher eine sehr stabile Bauweise. Daher ergibt sich auch die Hohlzylinderform dieser Feuerlöscher, die aufgrund des runden Querschnitts eine optimierte Lasttragung aufweist. Anders gesprochen: würden andere Formen verwendet, müsste der Feuerlöscher deutlich massiver ausgebildet sein, und damit schwerer, teurer und größer.
Insbesondere in mobilen Anwendungen wie zum Beispiel bei Feuerlöschern für Fahrzeuge ist aber häufig das Gewicht und/oder die Bauraumnutzung ein limitierter Faktor. Trotzdem sind vielfach in Straßenfahrzeugen gerade die zylindrischen Feuerlöscheinrichtungen verbaut, wenn in den Fahrzeugen eine Feuerlöscheinrichtung erforderlich ist.
Die bauartbedingte Fixierung der Feuerlöscher auf eine zumindest im Wesentlichen zylindrische Bauweise verschenkt also vielfach Potenzial hinsichtlich einer Bauraumnutzung und/oder einer Gewichtseinsparung, was insbesondere in Fahrzeugen, aber auch generell, nachteilhaft ist.
Durch die Zylinderbauweise ergibt sich auch - wiederum insbesondere bei Fahrzeugen (beispielsweise bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb die Antriebsbatterie) - eine Schwierigkeit, die Feuerlöscheinrichtung unmittelbar in der Nähe eines potentiellen Brandortes kompatibel mit den benachbarten „Konkurrenten“ um den wertvollen Bauraum zu positionieren, insbesondere wenn potenziell eine größere Menge an Feuerlöschfluid benötigt wird. In vielen Fällen wird es weder möglich sein, den hohlzylindrischen Behälter beliebig lang, noch ihn mit einem beliebigen Durchmesser zu gestalten.
Ausgehend von der beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Behälter für ein Fluid, insbesondere für ein Feuerlöschfluid, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Behälter mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 17. Eine spezifische Verwendung eines Behälters nach einer Ausführung der Erfindung ist in Anspruch 16 unter Schutz gestellt. Vorteilhafte Ausführungen der verschiedenen Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Behälter für ein Fluid bereitgestellt, insbesondere für ein Feuerlöschfluid, dessen Druck, insbesondere plötzlich, um ein Mehrfaches erhöht wird.
Bei einem Feuerlöscherfluid kann es sich beispielsweise um eine Feuerlöschflüssigkeit oder um eine Mischung aus einem Treibgas (auch als Druckgas bezeichnet) und einer Feuerlöschflüssigkeit oder meine Mischung aus einem Druckgas und einem Feuerlöschpulver handeln.
Unter einer plötzlichen Druckerhöhung um ein Mehrfaches sind beispielsweise folgende Fälle zu verstehen: a) im Brandfall wird dem Behälter aus einem zentralen Tank sehr schnell eine große Menge unter Druck stehenden Feuerlöschfluids zugeführt, oder b) im Brandfall wird ein pyrotechnischer Treibladungskörper gezündet, wobei das entstehende Treibgas in den Behälter geleitet wird, wo es das Feuerlöschfluid plötzlich unter Druck setzt, sodass ein ausreichender Löschdruck vorhanden ist.
Gemäß dieser Ausführung weist der Behälter zwei fluiddichte Wandschalen auf, die miteinander durch mehrere Stege verbunden sind, welche sich im Behälter zwischen den Wandschalen erstrecken, jeweils in allen Richtungen voneinander Abstand haben und für die Aufnahme von, insbesondere hohen, Zugkräften ausgelegt sind. Mit zwei fluiddichten Wandschalen kann auch gemeint sein, dass ein Druckraum des Behälters mittels einer einzigen, einstückig ausgebildeten Wandschale ausgebildet ist, wobei dann einander gegenüberliegende Wandschalenabschnitte dieser Wandschale die zwei fluiddichten Wandschalen im Sinne der Erfindung ausbilden. Vorliegend wird unter hohen Zugkräften insbesondere verstanden, dass es sich um Zugkräfte handelt, die aus der Belastung der Wandschalen mit dem Gasdruck und/oder dem Anstieg des Gasdrucks, welchem das Fluid ausgesetzt ist, im Druckraum resultiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Behälters nach einer Ausführung der Erfindung als konstruktives Bauelement eines Fahrzeuges, insbesondere eines Straßenfahrzeuges, eines Schienenfahrzeuges, eines Flugzeuges oder eines Schiffes, vorgesehen. Dann erfüllt vorzugsweise der Behälter nicht nur die Funktion, ein Löschmittel unter Druck zu beherbergen, sondern kann auch im Sinne eines Strukturelements Kräfte und Momente von außen aufnehmen. Vorgesehen ist auch eine Verwendung als Trennwand zwischen verschiedenen Nutzungsbereichen eines Fahrzeuges (beispielsweise als Schott in einem Schiff oder einem Flugzeug oder als Fahrgastraumabtrennung in einem Straßen- oder Schienenfahrzeug).
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters nach einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines, insbesondere verlorenen, Kerns, insbesondere aus Styropor, der so ausgebildet ist, dass zumindest Bereiche einer Außenkontur des Kerns oder die gesamte Außenkontur eine, insbesondere vorbestimmte, Form der vorgesehenen Wandschalen aufweisen, und dass vorzugsweise der Kern dazwischen den vorgesehenen Abstand zwischen den Wandschalen aufweist, b) Anbringen von beschichteten Textillagen an der Außenkontur des Kerns, insbesondere um die gesamte Außenkontur des Kerns herum, c) wiederholtes Durchstoßen der angebrachten Textillagen und des bereitgestellten Kerns mit einem, insbesondere beschichteten, Texilfaden(-bündel), insbesondere mittels einer Nadel, in welche der Faden bzw. das Fadenbündel vorzugsweise eingefädelt ist, wobei zwischen den einzelnen Stößen der Textilfaden auf der kernabgewandten Seite der Textillagen umgerichtet und mit dem gewünschten Abstand sowie in der gewünschten Richtung zum vorherigen Stoß der nächste Stoß durchgeführt wird, d) Aushärten der Beschichtungen der Textillagen und des Textilfadens bzw. -bündels, sodass sich vorzugsweise die Wandschalen (aus Textillagen) und die Stege (aus dem Textilfaden(-bündel)) ausbilden und zueinander festgelegt und positioniert sind.
Die Erfindung wird nachfolgend insbesondere im Kontext möglicher Verwendungen in Fahrzeugen, beispielsweise in Straßenfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen, beschrieben. Darüber hinaus ist sie jedoch grundsätzlich in verschiedensten, auch stationären, Anwendungen einsetzbar, in welchen ein Vorteil aus der Anwendung der Erfindung resultiert.
Der Erfindung liegt unter anderem eine Überlegung zugrunde, nach welcher in modernen Fahrzeugen zum einen häufig zum Erreichen einer geforderten Betriebssicherheit geeignete Feuerlöscheinrichtungen verbaut werden müssen, und dass zum anderen diese hinsichtlich verfügbarem Bauraum und/oder unvermeidbarem Gewicht in Konkurrenz zu anderen Bauteilen des Fahrzeuges stehen.
Stellvertretend für viele mögliche Beispiele sei hier auf die immer größere Verbreitung von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb und damit auch großen Batteriekomponenten mit großer Energiespeicherfähigkeit verwiesen. Verschiedenste Batterietypen, insbesondere Lithiumionen-Akku, bringen schon wegen der großen gespeicherten Energiemenge eine große Brandgefahr mit sich, verbrauchen aber in herkömmlichen Fahrzeugkonzepten auch einen großen Bauraum. Bei gegenwärtigen Fahrzeugkonzepten ist es häufig so, dass zum Löschen eines potentiellen Brandes ein ausreichend dimensionierter Feuerlöscher von dem eingangs beschriebenen, hohlzylindrischen Standardtyp verwendet wird.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, die Limitationen beim Einbau eines solchen Feuerlöscher zu umgehen, indem stattdessen eine Feuerlöscheinrichtung mit einem „Freiform“-Behälter und/oder einem prismatischen Behälter verwendet wird. Allerdings sind die hohlzylindrischen Feuerlöscher nicht ohne Grund hohlzylindrisch gestaltet, sondern weil diese Form eine hohe strukturelle Stabilität bietet, die den hohen Druckkräften in einem Feuerlöscher widerstehen kann. Die auftretenden Druckkräfte auffangen zu können wird umso schwieriger, je weniger gebogen und/oder gekantet die Außenwände des Behälters sind.
Um nun freigeformte und/oder prismatische Feuerlösch-Behälter zu erhalten, welche trotz der Verwendung beispielsweise einander gegenüberliegender, planer oder nur leicht gebogener Wandschalen zur Eingrenzung eines Druckraums den auftretenden Kräften standhalten, sind im Sinne der Erfindung die Stege vorgesehen. Die Stege können sehr stark auf Zug belastet werden, und damit große Teile der auf die Wandschalen durch das Fluid ausgeübten Druckkräfte aufnehmen. Anders als bei Sandwichstrukturen ist aber trotzdem die Verteilung des Fluid im Behälter nicht oder nur unwesentlich behindert, weit jenseits der Stege kein Hindernis im Druckraum vorliegt.
Ein solcher Behälter kann mit - im Verhältnis zu hohlzylindrischen Feuerlöschern - geringerer Bauraumanforderung auskommen, um im Brandfall die gleiche Menge Löschmittel bereitzustellen. Denn der Behälter kann in seiner Form flexibel an Freiräume angepasst werden, die ohnehin in jedem Fahrzeug vorhanden sind und aufgrund der „unpraktischen“ Form ansonsten ungenutzt blieben.
Beispielsweise kann dann ein solcher Behälter in einem Kraftfahrzeug innerhalb der Trennwand zwischen dem Batterieabteil und der Fahrgastzelle angeordnet werden oder diese gar funktional ersetzen. In anderen Anwendungen in Schiffen oder Flugzeugen ist beispielsweise eine Anpassung der Behältergeometrie an tragende Komponenten mit Hohlräumen und/oder Trennschotts vorgesehen. Dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist, sondern eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen denkbar ist, versteht sich von selbst.
Damit der Behälter im Einbau auch Kräfte oder Momente von außen aufnehmen kann (und damit auch als Strukturbauteil einsetzbar ist und/oder unempfindlicher gegen ein Einbeulen seines Druckraums ist), sind gemäß einer Ausführung die Stege auch für die Aufnahme von Druckkräften ausgelegt. Dies kann insbesondere durch eine Verwendung von Stegen aus einem druckfesten Material geschehen, das vorzugsweise auch bei filigraner Fadengeometrie der Stege eine gewisse Druckfestigkeit aufweist. Zudem kann die insgesamte Druckfestigkeit des Behälters - ebenso wie dessen Zugfestigkeit - durch die Anzahl, die Beanstandungen, das Material und/oder die Geometrie der Stege anwendungsspezifisch eingestellt werden.
Dementsprechend sind gemäß einer Ausführung die Orte der Stege, ihr gegenseitiger Abstand und/oder ihre Zugfestigkeit entsprechend dem Spannungsprofil in den Wandschalen bei dem erhöhten Druck des Fluids gewählt.
Um eine einfache und damit kostengünstige Bauweise des Behälters bereitzustellen, sind gemäß einer Ausführung die Wandschalen jeweils bereichsweise oder vollständig als zumindest im Wesentlichen plane Wandplatten ausgebildet. Damit lassen sich insbesondere prismatische, beispielsweise im Wesentlichen rechteckige, Behältergeometrien einfach verwirklichen. Rechteckige Behälter ermöglichen eine höhere Volumenpackung für das zur Verfügung stehende Feuerlöschfluid als die klassischen hohlzylindrischen Behälter.
Um die Druckfestigkeit des Behälters zu optimieren, erstrecken sich dann gemäß einer Ausführung die Wandplatten zueinander parallel. Zumindest ein Teil der Stege erstreckt sich dann vorzugsweise orthogonal zu den Wandplatten, um möglichst große Zugkräfte aufnehmen zu können.
In bestimmten Anwendungsfällen können auch andere und/oder unregelmäßige Prisma-Formen vorgesehen sein. Insbesondere dazu sind gemäß einer Ausführung die Wandplatten zueinander beabstandet und in einem schrägen Winkel zueinander angeordnet. Zumindest ein Teil der Stege erstreckt sich orthogonal zu einer gedachten Mittenebene zwischen den Wandplatten, um möglichst große Zugkräfte aufnehmen zu können. Eine analoge Ausführung ist auch mit freigeformten Wandschalen vorgesehen.
Bei freigeformten Behältern kann es erforderlich sein, die Richtung der Stege entsprechend der Wirkrichtung Druckkräfte durch das Fluid im Behälter anzupassen, gegebenenfalls auch abschnittsweise unterschiedlich auszubilden.
Um den Druckraum des Behälters an den Seiten möglichst einfach fluiddicht ausgestalten zu können, erstreckt sich gemäß einer Ausführung zwischen den Wandschalen eine fluiddichte Seitenwand, die im Bereich der Ränder der Wandschalen mit diesen fluiddicht verbunden, vorzugsweise verklebt ist. Gemäß einer Ausführung weisen diese Seitenwände im Verhältnis zu den Wandschalen eine deutlich kleinere Erstreckung auf, um nicht zu hohen Druckkräften ausgesetzt zu sein.
Damit verschiedensten Geometrien Rechnung getragen werden kann, umfasst die Seitenwand gemäß einer Ausführung mehrere Seitenwandelemente, außen an den Wandschalen anliegen, und die beispielsweise deckelförmig gestaltet sind.
Für Einbauumgebungen, in welchen der Behälter an eine vorhandene Wand angefordert werden soll, haben die Wandschalen gemäß einer Ausführung die gleiche oder eine spiegelsymmetrische Form, insbesondere Umrissform.
Verschiedenen Ausführungen der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass mittels faserverstärkter Kunststoffbauteile leichtere Behälter mit einer flexibleren Formgebung erreicht werden können. Dass diese auch sehr hohen Zugkräften standhalten können und damit als Druckbehälter ausgebildet sein können, wird im Sinne der Erfindung insbesondere durch die Stege gewährleistet. Nachfolgend sind einige Ausführungen der Erfindung beschrieben, bei welchen der Behälter mit faserverstärkten Kunststoffbauteilen ausgeführt ist.
Bei diesen Ausführungen können gemäß einer Ausführung auch die Stege aus Verstärkungsfasern (auch Textilfasern genannt) und insbesondere aus wenigstens einem Faserbündel solcher Verstärkungsfasern (engl. roving) ausgebildet sein. Die sehr ausgeprägte Fähigkeit solcher Fasern zur Zugkraftaufnahme ist allgemein bekannt; gemäß einer Ausführung können die Fasern mit einem aushärtbaren Matrixwerkstoff beschichtet verwendet werden oder nachträglich imprägniert werden, um zusätzlich auch eine gewisse Druckkraft und begrenzte Dreh- oder Torsionsmomente aufnehmen zu können.
Um zudem eine zuverlässige und fluiddichte Abdichtung des Behälters zu ermöglichen, weisen gemäß einer Ausführung die Wandschalen jeweils ein textiles Flächengebilde auf, das mit einer fluiddichten Imprägnierung und/oder Beschichtung, insbesondere mit einem aushärtbaren Matrixmaterial, versehen ist.
Wenn faserverstärkten Kunststoffwerkstoffe zum Einsatz kommen, bestehen gemäß einer Ausführung sinnvollerweise die Stege zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie die textilen Flächengebilde.
Unter einem textilen Flächengebilde sind vorliegend insbesondere Gewebe oder Gewirke zu verstehen, die insbesondere mit (Textil-)Fäden, vorzugsweise Fadenbündeln, ausgebildet sind. Die Steg-Fäden können gemäß einer Ausführung Bestandteil der Gewebe oder Gewirke sein.
Um eine anwendungsspezifische und/oder einfache Herstellung zu ermöglichen, sind gemäß einer Ausführung mehrere Stege jeweils durch einen Stegabschnitt eines einzigen Fadens oder eines einzigen Fadenbündels gebildet, wobei dann im Normalfall der Faden bzw. das Fadenbündel zwischen zwei Stegabschnitten außerhalb eines zwischen den Wandschalen liegenden Fluidraumes verläuft und/oder angeordnet ist.
Um eine zuverlässige und dauerhafte Positionierung der Fäden bzw. des Fadenbündels relativ zu den Wandschalen sicherzustellen, ist gemäß einer Ausführung der Faden bzw. das Fadenbündel an den Längsenden eines ersten Stegs sowie an einem Längsende eines bzgl. eines Fadenverlaufs benachbarten Stegs durch die Wandschale verlaufend ausgebildet.
Gemäß einer Ausführung ist um die Wandschalen und die Seitenwand/-wände herum eine fluiddichte Außenschale angeordnet. Damit kann eine fluiddichte Ausgestaltung des Behälters auch ohne aufwändige Qualitätskontrolle etwaiger Durchstoßpunkte eines Fadens oder Fadenbündels durch die Wandschalen nach dem Aushärten sichergestellt werden.
Um die Fadenbündel in außerhalb des Druckraums verlaufenden (Umricht-)Abschnitten aufzunehmen, ist gemäß einer Ausführung zwischen den Wandschalen und der/n Seitenwand/-wänden einerseits und der Außenschale andererseits ein, vorzugsweise höchstens teilweise kompressibles, Füllmaterial angeordnet, beispielsweise mit einer Wabenstruktur.
Um eine einheitliche Gestaltung sicherzustellen, weist gemäß einer Ausführung die Seitenwand wie die Wandschalen ein textiles Flächengebilde auf, das mit einer fluiddichten Imprägnierung und/oder Beschichtung versehen ist.
Vorzugsweise sind die textilen Flächengebilde und/oder die Steg-Fäden aus GFK, CFK und/oder Aramid ausgebildet, insbesondere aus Fadenbündeln aus wenigstens einem dieser Materialien.
Gemäß einer Ausführung weist der Behälter die Gestalt eines Prismas, vorzugsweise eines Rechteck-Prismas, auf. Gemäß einer Ausführung ist der Abstand zwischen den Wandschalen klein im Verhältnis zu den Seitenlängen der Wandschalen, insbesondere des Prismas.
Um insbesondere einen rechteckigen Bauraum möglichst vollständig ausführen zu können, wird gemäß einer Ausführung ein Behälter bereitgestellt, der sich vorzugsweise durch die Kombination folgender Merkmale auszeichnet: Der Behälter umfasst zwei kongruente Wandplatten, die voneinander beabstandet und zueinander parallel sind; die kongruenten Wandplatten umfassen jeweils ein textiles Flächengebilde, das mit einer fluiddichten Imprägnierung und/oder Beschichtung versehen ist; die kongruenten Wandplatten sind miteinander durch mehrere Stege verbunden, die sich im Behälter zwischen den kongruenten Wandplatten erstrecken und in allen Richtungen voneinander beabstandet sind; die Stege bestehen zumindest teilweise aus dem gleichen Material wie die textilen Flächengebilde; die Stege sind für die Aufnahme von Druck- und von Zugkräften ausgelegt; zwischen den kongruenten Wandplatten erstreckt sich eine fluiddichte Seitenwand, insbesondere aufweisend mehrere Seitenwandelemente, die im Bereich der Ränder der kongruenten Wandplatten mit diesen fluiddicht verbunden ist.
Um eine Verwendung des Behälters als Feuerlöscheinrichtungen zu ermöglichen, ist gemäß einer Ausführung in eine druckdichte Außenwand des Behälters ein Einlassventil zum Befüllen des Behälters mit Feuerlöschfluid und/oder zum Einbringen von Druckgas eingebracht. Gemäß einer weiteren Ausführung ist in eine druckdichte Außenwand des Behälters ein Auslassventil zum Auslassen des druckbeaufschlagten Feuerlöschfluids eingebracht. Die druckdichte Außenwand kann dabei insbesondere Wandschalen und gegebenenfalls die Seitenwand und/oder Seitenwandelemente aufweisen, wobei die Ventile in jedem dieser Bauteile angeordnet sein können.
Der Behälter ist gemäß einer Ausführung als mobiler Behälter ausgebildet, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren zusätzlich den Schritt auf: Anbringen von weiteren beschichteten Textillagen um die kernabgewandt geführten Bereiche des beschichteten Textilfadens, insbesondere an der gesamten Außenkontur des Kerns.
Gemäß einer Ausführung wird der Kern bei dem Aushärten des Matrixmaterial und/oder danach geeignet ausgelöst, beispielsweise durch Ausspülen mit Aceton am, wenn der Kern aus Styropor ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführung werden die Wandschalen nach dem Aushärten entsprechend ihrer vorgesehenen Form ausgeschnitten. Vorzugsweise werden dann an den ausgeschnittenen Wandschalen Seitenwandelemente angebracht und fluiddicht verklebt.
Vorteilhafte Ausbildungen der verschiedenen Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,

1 einen Behälter nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit zwei parallel zueinander angeordneten, als Wandplatten ausgebildeten Wandschalen in einer seitlichen Schnittansicht und in Ansichten entlang der Schnittlinien A - B und C - D;
2a-e einen Behälter nach einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit zwei freigeformten, symmetrisch bezüglich einer Mittenebene angeordneten Wandschalen, dargestellt zu verschiedenen Zeitpunkten während der Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Behälters gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, jeweils in einer Schnittansicht; und
3 der fertig hergestellte Behälter aus 2 in einer Schnittansicht entlang der in 2 e eingezeichneten Schnittlinie E - F.

In 1 ist ein zumindest im Wesentlichen (und abgesehen von abgerundeten Seitenwandelementen) rechteckig ausgebildeter Behälter 100 für ein Feuerlöschfluid dargestellt.
Der Behälter 100 weist in einem Abstand c voneinander zwei parallel angeordnete, als plane Wandplatten ausgebildete Wandschalen 101 und 102 auf. Der Abstand c kann ganz verschiedene Werte annehmen, wird in typischen Anwendungen häufig zwischen 50 mm und 150 mm betragen, insbesondere auch 60 mm, 75 mm, 100 mm oder 125 mm.
Zwischen den Wandschalen 101 und 102 ist eine Mehrzahl von Stegen 103 ausgebildet, die im Ausführungsbeispiel als Faserbündel (engl. roving) aus einer Vielzahl von Fasern aus einem GFK-Werkstoff (Fasern aus einem Glaswerkstoff, Matrixbeschichtung aus einem Duroplast), einem CFK-Werkstoff (Fasern aus einem Kohlenstoffwerkstoff, Matrixbeschichtung aus einem Duroplast) oder einem AramidWerkstoff (Fasern aus einem Aramidwerkstoff, Matrixbeschichtung aus einem Duroplast) ausgebildet sind.
Die derart ausgebildeten Stege 103 verlaufen teilweise lotrecht zwischen den beiden Wandschalen 101 und 102 und teilweise schräg zwischen Fußpunkten benachbarter lotrechter Stege 103.
Im Ausführungsbeispiel sind die Wandschalen 101 und 102 aus einem Material ausgebildet, das ein Einweben der als Faserbündel ausgebildeten Stege 103 an den Fußpunkten während der Herstellung ermöglicht; vorzugsweise sind die Wandschalen 101 und 102 jeweils textile Flächengebilde, insbesondere faserverstärkte Kunststoffplatten, in welche die Stege 103 an ihren Fußpunkten vor dem Aushärten des Matrixmaterial des geeignet eingewebt oder anderweitig sinnvoll befestigt wurden.
Auch die Stege 103 sind im dargestellten Behälter 100 ausgehärtet und weisen daher eine gewisse Druckbelastbarkeit auf. Die Wandschalen 101 und 102 können alternativ auch in einer Wabenstrukturbauweise ausgeführt sein.
An den Rändern der Wandschalen 101 und 102 sind fluiddichte Seitenwandelemente 104 und 105 einer Seitenwand angeordnet, die mittels fluiddichten Klebeverbindungen derart mit den Wandschalen 101 und 102 verbunden sind, dass die Wandschalen und die Seitenwandelemente gemeinsam einen Druckraum 108 des Behälters 100 abgrenzen. Der Druckraum 108 ist so ausgebildet, dass er der plötzlichen Drucksteigerung bei der Zündung einer pyrotechnischen Treibladung und der Druckkraft, die das Treibgas auf die Behälterwände ausübt, insbesondere auch durch die Fähigkeit der Stege 103, Zugkräfte aufzunehmen, widerstehen kann.
An dem Seitenwandelement 104 ist ein Einlassventil 106 angeordnet, das mit einer pyrotechnischen Treibladung verbunden ist, und über das im Auslösefall Treibgas in den Druckraum 108 des Behälters 100 geleitet werden kann, um den Behälter 100 in einen löschbereiten Zustand zu versetzen.
An dem Seitenwandelement 105 ist ein Auslassventil 107 angeordnet, das mit einer Löschspritze verbunden ist, und über das im Auslösefall das unter Druck stehende Gemisch von Treibgas und Löschmittel aus dem Druckraum 108 des Behälters 100 zur Brandlöschung ausgebracht werden kann.
Aus den Schnitten A - B und C - D, sowie insbesondere aus dem Detail X ist die Klebeverbindung zwischen den Wandschalen 101 bzw. 102 einerseits und dem zugehörigen Seitenwandelement 105 andererseits vergrößert erkennbar.
Die Fußpunkte der Stege 103 sind voneinander in den beiden Hauptrichtungen der Rechteck-Erstreckung der Wandschalen 101 und 102 regelmäßig beabstandet. Ein Abstand a bezüglich der ersten Hauptrichtung kann ebenso wie ein Abstand b bezüglich der zweiten Hauptrichtung in typischen Anwendungen zwischen 10 mm und 100 mm betragen, insbesondere auch 20 mm, 40 mm, 60 m oder 80 mm, vorzugsweise 50 mm. Je nach vorgesehenen Belastungsfällen können die Abstände a und b gleichgroß und gleichbleibend aber auch unterschiedlich ausgebildet sein. Eine typische Querschnittfläche eines Stegs 103 kann beispielsweise zwischen 1 mm² und 10 mm², insbesondere 2,5 mm², 5 mm² oder 7,5 mm², vorzugsweise 4 mm², betragen.
Wenn beispielsweise nach Zündung einer Treibladung der Behälter 100 einen Innendruck von 30 bar (Berstdruck bei Feuerlöschern) im Druckraum 108 aushalten muss, und Stege 103 handelsübliche CFK-Faserbündel mit einem Querschnitt von 4 mm² verwendet werden (die eine Zugfestigkeit von knapp 4000 N/mm² aufweisen), ergibt sich eine Fläche der Wandschale, die mit einem Steg 103 in der Tragung der Gasdruckkraft unterstützt werden kann, von ca. 15000 N / 3 N/mm² = 5000 mm². In diesem Fall müsste - gleiche Abstände a und b vorausgesetzt und unter der vereinfachenden Annahme, die Wandschalen lieferten keinerlei Beitrag zur Aufnahme der Gasdruckkraft - ein Abstand a bzw. b von sqrt(5000 mm²) = ca. 70,7 mm ausreichend sein, um den Berstdruck von 30 bar im Druckraum 108 mittels des Behälters 100 abfangen zu können. Entsprechend dieser Rechnung oder mit analogen Rechnungen ist der Fachmann in der Lage, geeignete Kombinationen von Stegen 103 und Abständen a bzw. b in Abhängigkeit von der Ausbildung des Behälters und den vorgesehenen Lastfällen zu ermitteln.
Diese Beispielrechnung gilt analog auch für einen Behälter 200 gemäß 2, der nachfolgend beschrieben wird.
Zunächst wird der fertig hergestellte Behälter 200, der in 2 e dargestellt ist, mit seinen Merkmalen beschrieben. Anschließend werden Schritte des beispielhaften Verfahrens anhand der Darstellungen der 2 a bis 2 e dargestellt.
Der Behälter 200 weist freigeformte Wandschalen 201 und 202 auf, die anders als beim Behälter 100 aus 1 nicht als plane Wandplatten ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Wandschalen 201 und 202 mit einer Krümmung hin zu einer Mittenebene M hin ausgebildet, beispielsweise, um einen „bauchigen“ Bauraum auszufüllen. Die beiden Wandschalen 201 und 202 sind zueinander symmetrisch bezüglich der Mittenebene M ausgebildet, in 2 b als Schnittachse eingezeichnet ist und senkrecht zur Ebene der Darstellung verläuft.
Selbstverständlich sind zudem in anderen Ausführungsbeispielen auch nicht symmetrische Formgestaltungen des Behälters vorgesehen. Entsprechend dem jeweils vorgesehenen Anwendungsfall und dem dabei zur Verfügung stehenden Bauraum sind aber auch ganz unterschiedliche Formen denkbar: Kugelabschnitte oder ähnliche Formen, Halbzylinder oder ähnliche Formen, oder gänzlich unregelmäßige Form, die insbesondere sehr detailliert dem für den Behälter zur Verfügung stehenden Bauraum angeformt sein können.
Die Stege 203 sind im Ausführungsbeispiel der 2 rechtwinklig zu der Mittenebene M und in gleichmäßigen Abständen a bzw. b zueinander (vergleiche Schnittdarstellung E - F in 3) angeordnet.
In der Schnittebene der Darstellung von 2 sind alle Stege 203 aus einem Faserbündel ausgebildet, dessen Stegabschnitte im Druckraum 208 verlaufen, wohingegen dazwischenliegende Umlenkabschnitte an der jeweiligen Wandschale 201 bzw. 202 auf der stegabgewandten Seite der Wandschale verlaufen.
Die Umlenkabschnitte des Faserbündels (und der anderen Faserbündel, die außerhalb der Ebene der Darstellung angeordnet sind) sind in einem, beispielsweise mit einer Wabenstruktur ausgebildeten, Füllmaterial 209 aufgenommen. Bezüglich des Druckraums außerhalb des Füllmaterials 209 ist an jeder der Wandschalen 201 und 202 eine Außenschale 210 angeordnet.
In der Darstellung ist der Druckraum 208 seitlich mittels zweier Seitenwandelemente 204 und 205 abgegrenzt, welche mit den Wandschalen 201 und 202, vorzugsweise auch mit der jeweiligen Außenschale 210, fluiddicht verbunden ist.
An dem Seitenwandelement 204 ist ein Einlassventil 206 angeordnet, das mit einer pyrotechnischen Treibladung verbunden ist, und über im Auslösefall Druckgas in den Druckraum 208 des Behälters 200 geleitet werden kann, um den Behälter 200 in einen löschbereiten Zustand zu versetzen.
An dem Seitenwandelement 205 ist ein Auslassventil 207 angeordnet, das mit einer Löschspritze verbunden ist, und über das im Auslösefall das unter Druck stehende Gemisch von Druckgas und Löschmittel aus dem Druckraum 808 des Behälters 200 zur Brandlöschung ausgebracht werden kann.
Nachfolgend wird anhand der 2 a bis 2 e ein Verfahren zur Herstellung des Behälters 200 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung beschrieben. In 2 a ist ein aus Styropor ausgebildeter Kern 211 dargestellt. Dessen Außenkontur ist so geformt, dass sie zumindest in ihren relevanten Teilbereichen einer gewünschten Kontur der Wandschalen 201 und 202 entspricht. Der Kern 211 ist zudem so ausgebildet, dass auch der gewünschte Abstand und die gewünschte Lage der beiden Wandschalen 201 und 202 zueinander nachgebildet wird. Nach der gewünschten Formgebung wurde der Kern 211 zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.
In 2 b wurde der Kern 211 bereits mit textilen Flächengebilden, welche im Ausführungsbeispiel als Matrixmaterial-imprägnierte CFK-Gewebematten (Textillagen 212) ausgebildet sind, vollständig bedeckt, vorzugsweise umwickelt, sodass in der Darstellung der 2 b an der gesamten Außenkontur des Kerns 211 beschichtete Textillagen 212 angebracht sind.
Zudem wurden zu dem Verfahrensstand gemäß 2 b bereits die mit Faserbündeln 213 ausgebildeten Stege 203 eingebracht. Dazu wurden, insbesondere mittels einer Nadel und gegebenenfalls einer geeigneten Textilfertigungsanlage, mehrfach die angebrachten Textillagen 212 und der Kern 211 durchstoßen, um die Faserbündel 213 an den jeweils für Stege 203 vorgesehen Stellen anzubringen und auf der kemabgewandten Seite der Textillagen 212 umzurichten.
Anschließend wurde - wie in 2 c dargestellt - das Füllmaterial 209 und danach wiederum beschichtete Textillagen zur Ausformung der Außenschale 210 angeordnet.
Zwischen der Darstellung nach 2 c und der Darstellung nach 2 d wurde der Behälter-Rohling in dem Sinne ausgehärtet, dass er einer hohen Temperatur ausgesetzt wurde, um die Beschichtungen der Textillagen 212 und der Faserbündel 213 auszuhärten. Zusätzlich wurde der Styroporkern 211 beispielsweise mit Azeton ausgelöst, falls das im Einzelfall zusätzlich zur Wärmebehandlung notwendig war. Ferner wurden die Seitenkonturen der Wandschalen 201 und 202 ausgenommen, beispielsweise gefräst oder gesägt, sodass die beiden Wandschalen nur noch durch die Stege 203 verbunden sind und zueinander in Position gehalten werden. Aufgrund der Aushärtung des Matrixmaterials an den Faserbündeln sind die Stege 203 in der Lage, die beiden Wandschalen zueinander in Position zu halten.
Um den bereits beschriebenen fertig gestellten Behälter 200 gemäß 2 e zu erhalten, wurden an den offenen Seiten zwischen den Wandschalen 201 und 202 die Seitenwandelemente 204 und 205 mit den Ventilen 206 und 207 angeordnet und fluiddicht verbunden.
In 3 ist ein Ausschnitt der Innenseite der Wandschale 202 entlang der in 2 e eingezeichneten Schnittlinie E - F dargestellt, zusammen mit den Stegen 203, welche sich ausgehend von jeweils einem Fußpunkt an der Wandschale 202 senkrecht zu der Mittenebene M erstrecken.
Es wird klar, dass entlang einer ersten Richtung die Stege 203 einen gleichbleibenden Abstand a von den in dieser Richtung benachbarten Stegen aufweisen. Entlang einer zweiten, zu der ersten Richtung senkrechten Richtung weisen die Stege 203 einen gleichbleibenden Abstand b von den in dieser Richtung benachbarten Stegen auf. Die mit einem Faserbündel 213 ausgebildeten Stege 203 weisen eine Querschnittsfläche d auf.
Beispielhaft für eine zweidimensionale Anordnung eines Faserbündels 213, welches mehrere Stege 203 ausbildet, ist in 3 eine Linie zwischen mehreren Stegen 203 eingezeichnet, die teilweise als doppelt gepunktete Strichlinie und teilweise als gepunktete Linie eingezeichnet ist. Diese Darstellung soll verdeutlichen, auf welchen Wegen das Faserbündel auf den Umrichtabschnitten zwischen den Stegabschnitten geführt wird. Die gepunkteten Linien stehen dabei für eine Führung des Fadenbündels unterhalb der in 3 dargestellten Wandschale 202; die doppelt gepunkteten Strichlinien stehen für eine Führung des Fadenbündels oberhalb der nicht dargestellten Wandschale 201. Die Begriffe ,unterhalb‘ und ,oberhalb‘ beziehen sich auf die dargestellte Ebene der 3.
Die zum Ausführungsbeispiel der 1 genannten beispielhaften und/oder bevorzugten Werte/-bereiche für a, b, c und d sind - direkt oder zumindest analog - auch für das Ausführungsbeispiel der 2 anwendbar. Auch das zu 1 beschriebene Berechnungsbeispiel ist - direkt oder zumindest analog - auch für das Ausführungsbeispiel der 2 anwendbar.
In beiden Ausführungsbeispielen gemäß 1 und gemäß 2 dienen die Stege 103 bzw. 203 dazu, eine Zugkraft F_z aufzunehmen, die aus dem Gasdruck p des Fluids im Behälter resultiert, und damit die Tragfähigkeit der Wandschalen 101 und 102 bzw. 201 und 202 entlang deren flächiger Erstreckung hinsichtlich des Gasdrucks zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

100, 200: Behälter
101, 201: Wandschale
102, 202: Wandschale
103, 203: Steg
104, 204: Seitenwandelement
105, 205: Seitenwandelement
106, 206: Einlassventil
107, 207: Auslassventil
108, 208: Druckraum
209: Füllmaterial
210: Außenschale
211: Kern
212: Textillagen (textiles Flächengebilde)
213: Faserbündel
a: Abstand zwischen zwei Stegen in einer ersten Richtung
b: Abstand zwischen zwei Stegen in einer zweiten Richtung
c: Abstand zwischen den Wandschalen
d: Querschnittsfläche d der Stege
F_z: Zugkraft auf die Stege, resultierend aus dem Gasdruck
p: Gasdruck im Druckraum
M: Mittenebene zwischen den Wandschalen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006008384 B4 [0004]

Claims

Behälter (100, 200) für ein Fluid, insbesondere für ein Feuerlöschfluid, dessen Druck, insbesondere plötzlich, um ein Mehrfaches erhöht wird, gekennzeichnet durch zwei fluiddichte Wandschalen (101, 102; 201, 202), die miteinander durch mehrere Stege (103, 203) verbunden sind, welche sich im Behälter zwischen den Wandschalen erstrecken, jeweils in allen Richtungen voneinander Abstand (a, b) haben und für die Aufnahme von Zugkräften (F_z) ausgelegt sind.
Behälter (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Stege (103, 203) auch für die Aufnahme von Druckkräften ausgelegt sind.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Orte der Stege (103, 203), ihr gegenseitiger Abstand (a, b) und/oder ihre Zugfestigkeit entsprechend dem Spannungsprofil in den Wandschalen bei dem erhöhten Druck (p) des Fluids gewählt sind.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Wandschalen (101, 102) jeweils bereichsweise oder vollständig als zumindest im Wesentlichen plane Wandplatten ausgebildet sind.
Behälter (100, 200) nach Anspruch 4, wobei die Wandplatten (101, 102) zueinander parallel sind und sich zumindest ein Teil der Stege (103) orthogonal zu den Wandplatten erstreckt.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wandschalen (201, 202) zueinander beabstandet und in einem schrägen Winkel angeordnet sind, und sich zumindest ein Teil der Stege (203) orthogonal zu einer gedachten Mittenebene (M) zwischen den Wandschalen (201, 202) erstreckt.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem sich zwischen den Wandschalen (101, 102; 201, 202) eine fluiddichte Seitenwand (104, 105; 204, 205) erstreckt, die im Bereich der Ränder der Wandschalen mit diesen fluiddicht verbunden, vorzugsweise verklebt ist.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Seitenwand mehrere Seitenwandelemente (104, 105; 204, 205) umfasst, die außen an den Wandschalen anliegen.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Wandschalen jeweils ein textiles Flächengebilde (212) umfassen, das mit einer fluiddichten Imprägnierung und/oder Beschichtung versehen ist.
Behälter (100, 200) nach Anspruch 9, bei welchem die Stege (103, 203) zumindest teilweise aus dem gleichen Material bestehen wie die textilen Flächengebilde (212).
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die Stege durch Fäden oder Fadenbündel (213) gebildet sind.
Behälter (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mehrere Stege (103, 203) jeweils durch einen Stegabschnitt eines einzigen Fadens oder eines einzigen Fadenbündels (213) gebildet sind, und wobei der Faden bzw. das Fadenbündel zwischen zwei Stegabschnitten außerhalb eines zwischen den Wandschalen liegenden Fluidraumes (108, 208) ausgebildet ist.
Behälter (100, 200) nach Anspruch 12, wobei der Faden bzw. das Fadenbündel (213) an den Längsenden eines ersten Stegs sowie an einem Längsende eines bzgl. eines Fadenverlaufs benachbarten Stegs durch die Wandschale (201, 202) verlaufend ausgebildet ist.
Behälter (100, 200) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei um die Wandschalen (201, 202) und die Seitenwand/-wände (204, 205) herum eine fluiddichte Außenschale (210) angeordnet ist.
Behälter (100, 200) nach Anspruch 14, wobei zwischen den Wandschalen (201, 202) und der/n Seitenwand/-wänden (204, 205) einerseits und der Außenschale (210) andererseits ein Füllmaterial (209) angeordnet ist.
Verwendung eines Behälters (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche als konstruktives Bauelement eines Fahrzeuges.
Verfahren zur Herstellung eines Behälters (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines verlorenen Kerns (211), insbesondere aus Styropor, der so ausgebildet ist, dass zumindest Bereiche einer Außenkontur des Kerns eine Form der vorgesehenen Wandschalen (201, 202) aufweisen, und dass der Kern dazwischen den vorgesehenen Abstand (c) zwischen den Wandschalen aufweist, - Anbringen von beschichteten Textillagen (212) an der Außenkontur des Kerns, - wiederholtes Durchstoßen der angebrachten Textillagen und des Kerns mit einem, insbesondere beschichteten Texilfaden(-bündel) (213), wobei zwischen den einzelnen Stößen der Textilfaden(-bündel) auf der kernabgewandten Seite der Textillagen umgerichtet und mit dem gewünschten Abstand (a, b) sowie in der gewünschten Richtung zum vorherigen Stoß der nächste Stoß durchgeführt wird, - Aushärten der Beschichtungen der Textillagen (212) und des Textilfadens bzw. -bündels (213),
Verfahren gemäß Anspruch 17, zusätzlich aufweisend die Schritte: - Anbringen von weiteren beschichteten Textillagen um die kernabgewandt geführten Bereiche des beschichteten Textilfadens (213), insbesondere an der gesamten Außenkontur des Kerns (211).