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Die
vorliegende Patentanmeldung betrifft einen Druckbehälter der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Derartige Behälter kommen
z. B. bei gasbetriebenen Setzgeräten
zum Einsatz, wo sie den Brennstoff enthalten.
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Als
Antrieb der vorerwähnten
Setzgeräte werden
in Druckbehältern
gespeicherte flüssige
Kohlenwasserstoffe verwendet. Die auswechselbaren Druckbehälter oder
Gasdosen werden mit einem Dosierkopf bestückt, der mittels einer Schnappverbindung
an der Gasdose befestigt wird. Das System Druckbehälter/Gasdose
und Dosierkopf wird dann in das Setzgerät eingeführt. Das System hat die Aufgabe,
das Brenngas stets in der flüssigen
Phase zur Dosierung durch den Dosierkopf bereitzustellen. Ähnliche
Ansprüche
werden auch bei weiteren Anwendungen an die Druckbehälter gestellt,
da die Abgabe von Gas in der flüssigen
Phase bei Geräten
mit Flüssiggasdosierung
stets wünschenswert
ist.
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Bei
Druckbehältern
gibt es zwei gängige Systeme:
- – Das
Kunststoffbeutel-System, bei dem flüssiges Brenngas in einem Beutel
im Behälter
gespeichert ist. Der Beutel besteht aus flexibler Kunststoff-Aluminum
Verbundfolie und wird durch den Druck eines in einer Aussenkammer
befindlichen Gases so zusammengedrückt, dass das Innengas stets
im komprimierten Zustand und in der flüssigen Phase bleibt. Die Verbindung
des Beutels zum Entnahmeventil erfolgt über ein Kunststoffzwischenstück, an dem
es zur Diffusion und in Folge dessen zu einer Vermischung von Innen- und
Aussengas kommt, wodurch es zu einem Versagen der Dose kommen kann.
- – Das
Metallbeutel-System, bei dem ein innerer, dünnwandiger metallischer Behälter, insbesondere
aus Aluminium, in einem äusseren,
dickwandigeren Behälter
(z. B. ebenfalls aus Aluminium) angeordnet ist. An der Öffnung des
Druckbehälters
sind die beiden Behälter
aufeinander gerollt, wobei die Öffnung
mit einem Deckelteil verschlossen ist, in dem ein Ventil angeordnet
ist. Ein derartiger Druckbehälter
ist z. B. aus der US
50 69 590 A bekannt, von dem die vorliegende Erfindung
ausgeht.
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Trotz
der an sich vorteilhaften Dichtigkeit dieser can-in-can Druckbehälter an
der Verbindungsnaht des Aussenbehälters zum Innenbehälter gemäss der
US 50 69590 A kann
es doch auch hier Dichtigkeitsprobleme infolge von Temperaturschwankungen
geben. Der metallische Innenbehälter
ist in einsatzbereitem Zustand des Druckbehälters mit Gas in flüssiger Phase
gefüllt,
während
im Aussenbehälter
Aussengas teils in flüssiger,
teils in gasförmiger Phase
vorliegt. Bei der Lagerung ist der Druckbehälter in der Regel Temperaturschwankungen
ausgesetzt. Die Flüssiggasphase
des Innenbehälters
dehnt sich bei höheren
Temperaturen aus und zieht sich bei niedrigeren Temperaturen wieder
zusammen. Die Temperaturschwankungen führen also zu entsprechenden
Schwankungen des Beutelvolumens, so dass sich der Innenbehälter bei
der Expansion des Flüssiggases
ausdehnt und sich bei der Kontraktion des Flüssiggases wieder einbeult.
Aufgrund dieser ungünstigen
Verformungsverhältnisse
kommt es am metallischen Innenbehälter zu lokalen Knitterstellen, die
sich durch Kaltverformung immer mehr verfestigen bzw. verspröden. In
der Folge führt
dieses Verhalten dazu, dass an der Knitter- oder Knickstelle des Innenbehälters ein
Loch entsteht und der Druckbehälter
bzw. die Dose aufgrund dieser Leckage ausfällt.
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Aus
der
US 6 073 804 ist
eine Vorrichtung zum Verpacken und zur Ausgabe eine Fluids bekannt,
die eine Aufnahme mit einem schrumpfbaren Beutel aufweist. Der Beutel
schrumpft dabei dann, wenn die Menge des im Beutel enthaltenen Fluids kleiner
wird. In dem Beutel ist ein freier Körper angeordnet, dessen Auftrieb
so gewählt
ist, dass er eine Position nahe eines Ausgabemittels für das Fluid
einnimmt, wenn Fluid aus der Vorrichtung ausgegeben wird. Die Gestalt
und die Dimensionierung des Körpers
sind dabei derart gewählt,
dass eine Rissbildung am Beutel verhindert ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, einen Druckbehälter der
vorgenannten Art zu entwickeln, der die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Dieses wird erfindungsgemäss
durch die in Anspruch 1 genannten Massnahmen erreicht, denen folgende
besondere Bedeutung zukommt.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, in dem, eine
Metallfolie umfassenden, Innenbehälter einen komprimierbaren
Ausgleichskörper,
wie z. B. eine Ausgleichskammer vorzusehen, die z. B. über eine
flexible Folie oder Verbundfolie von der Füllgutkammer getrennt und gegen diese
mediendicht abgedichtet ist. Die Ausgleichskammer ist mit einem
unter Druck komprimierbaren Stoff oder Stoffgemisch gefüllt, wie
z. B. mit Luft oder einem weichen Schaum mit Luft oder einem anderen Gas
gefülltem
Porenraum. Der Ausgleichskörper könnte aber
z. B. auch als reiner, komprimierbarer Schaumkörper ausgeführt sein. Wenn das Volumen des
Füllgutes
und damit der Füllgutkammer
aufgrund einer Temperaturerhöhung
zunimmt, so kann die Ausgleichskammer bzw. der Ausgleichskörper komprimiert
und in ihrem/seinem Volumen in nahezu entsprechendem Masse verringert
werden. Die Metallfolie des Innenbehälters wird durch diese Massnahme nicht
mehr einer so hohen mechanischen Beanspruchung durch Temperaturänderungen
ausgesetzt und bleibt auch bei langen Lagerzeiten > 18 Monate noch stabil
und mediendicht.
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Von
Vorteil gemäss
Anspruch 2 kann es ebenfalls sein, wenn die Füllgutkammer frei beweglich,
z. B. in Form eines Kissens aus Verbundfolie, in dem Innenbehälter angeordnet
ist. Die Ausbildung der erfindungsgemässen Ausgleichskammer als frei bewegliches
Kissen hat den Vorteil, das sich ein mit einem derartigen Kissen
versehener Druckbehälter bzw.
eine Dose einfach und kostengünstig
produzieren lässt.
Das Kissen kann vor dem Verschliessen des Druckbehälters in
den Innenbehälter
eingebracht werden, wobei das Kissen bzw. die Ausgleichskammer bereits
mit dem komprimierbaren Medium befüllt ist. Nach dem Befüllen des
Innenbehälters
mit Füllgut wird
das komprimierbare Medium, wie z. B. Luft dann auf einen Bruchteil
seines ursprünglichen
Volumens komprimiert. Es könnte
aber auch ein frei beweglicher Ausgleichskörper, z. B. aus einem Schaum,
vorgesehen sein.
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Ebenfalls
kann gemäss
Anspruch 3 die Ausgleichskammer bzw. der Ausgleichskörper um
die Füllgutkammer
herum angeordnet sein, so dass die Ausgleichskammer/Ausgleichskörper nach
aussen über
den Metallbeutel bzw. die Metallfolie von Treibmittelkammer getrennt
und gegenüber
dieser mediendicht abgeschirmt ist. Zur Verwirklichung dieser Ausführungsform
muss lediglich in den Metallbeutel noch ein Kunststoffbeutel, insbesondere
aus Verbundfolie oder einem anderen dehn- und stauchbaren Material
eingebracht werden, der die Füllgutkammer
bildet. Der Vorteil liegt hier wiederum in der günstigen Herstellung der erfindungsgemässen Dose bzw.
des Druckbehälters.
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Günstig gemäss Anspruch
4 kann es sein, wenn die Ausgleichskammer mit Luft gefüllt ist,
da dieses Medium als Füllung
keine zusätzlichen
Herstellungskosten produziert.
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Weitere
Vorteile und Massnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung
in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 schematisch,
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Druckbehälters
im Längsschnitt,
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2 schematisch,
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Druckbehälters
im Längsschnitt,
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3 ein
Diagramm mit darin wiedergegebenen Volumen- und Temperaturmessdaten
zu einem Druckbehälter
mit erfindungsgemässem
Ausgleichskörper
und zu einem ohne Ausgleichskörper.
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1 zeigt
einen erfindungsgemässen Druckbehälter, der
einen Aussenbehälter 20 und
einen Innenbehälter 10 umfasst.
Der Aussenbehälter 20 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem relativ dickwandigem metallischen Material wie z. B. Aluminium
hergestellt, während
der Innenbehälter 10 aus
einem relativ dünnwandigem,
deformier- und/oder verknautschbarem metallischen Material wie z.
B. dünnwandigem
Aluminium besteht. Im Bereich der Öffnung 24 sind beide
Behälter 10, 20 durch Einrollung
miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet. Die Öffnung 24 ist über ein
Deckelteil 25 mediendicht gegen die Aussenwelt verschlossen.
Der Innenbehälter 10 umschliesst
eine Füllgutkammer 11,
in der sich ein ausgebbares Füllgut 12,
wie z. B. ein brennbares Flüssiggas
befindet. Dieses Füllgut 12 bzw.
das Flüssiggas
steht unter dem Druck eines, in der Treibmittelkammer 21 des Aussenbehälters 20 befindlichen
Treibmittels 22, 23. Das Treibmittel liegt in
einer flüssigen
Phase 22 und in einer gasförmigen Phase 23 in
der Treibmittelkammer 21 vor. In einem Durchbruch des Deckelteils 25 ist
ein Ventilteil 30 angeordnet, welches gegen das Deckelteil 25 abgedichtet
ist. Das Ventilteil 30 besitzt ein Einlass-/Auslassteil 31, über welches
Füllgut 12 bzw.
Flüssiggas
in den Aussenraum oder in eine an das Auslassteil 31 angeschlossene
weitere Einrichtung bzw. einen Dosierkörper, eine Dosiereinrichtung etc.
gelangen kann.
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In
dem Innenbehälter 10 ist
ein aus einer Verbundfolie aufgebauter Ausgleichsbehälter 40 frei beweglich
angeordnet, der eine Ausgleichskammer 41 umschliesst, die
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit Luft 42 gefüllt
ist. Zur Füllung
kann jedoch auch ein anderes komprimierbares Medium verwendet werden.
Die Verbundfolie ist z. B. aus einer PE (Polyethylen) Schicht und
einer Aluminiumschicht (Aluminiumfolie) aufgebaut. Es können jedoch
auch andere Kunststofffolien und/oder andere Metalle bzw. Metallfolien
zum Einsatz kommen, wie z. B. Zinn oder ein ähnlich weiches Metall. Die
Wandstärke
der Verbundfolie kann z. B. 0,2 mm betragen. Die Ausgleichskammer 41 hat
folgende Funktion: Kommt es zu einem Anstieg der Temperatur des Druckbehälters bzw.
der Druckdose, so dehnt sich das in flüssiger Phase vorliegende Füllgut 12 aufgrund
seiner Dichteabnahme annähernd
linear aus. Das Luftvolumen in der Ausgleichskammer 41 bzw.
in dem Ausgleichsbehälter 40 verhält sich
entsprechend der Gasgleichung idealer Gase wie folgt: VAusgleichskammer = nRT/pDruckbehälter(T)wobei
VAusgleichskammer = Volumen der Ausgleichskammer,
n = Zahl der Mole, R = Gaskonstante, T = Temperatur und pDruckbehälter(T)
= Druck im Druckbehälter
in Abhängigkeit
von T und wobei pDruckbehälter(T) stärker ansteigt als
T. Das heisst, das Volumen der Ausgleichskammer 41 nimmt
mit zunehmender Temperatur ab. Addiert man die Volumenschwankungen
des flüssigen Füllguts 12 und
des Ausgleichsmediums 42 in der Ausgleichskammer 41,
so ergibt sich eine vielfach kleinere Volumenschwankung im Innenbehälter 10 als
bei einem Druckbehälter
ohne die erfindungsgemässe
Ausgleichskammer 41. Experimentelle Daten hierzu sind in
dem Diagramm in 3 wiedergegeben.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Druckbehälters
dargestellt. Der prinzipielle Aufbau dieses Druckbehälters ist identisch
mit dem vorhergehend beschriebenen Druckbehälter, jedoch ist die Ausgleichskammer 41' aussen um die
Füllgutkammer 11' herum im Innenbehälter 10 angeordnet.
Die Füllgutkammer 11' befindet sich
dabei in einem Kunststoffbeutel 40' der die Funktion der Kammerwand
zwischen den beiden Kammern 11' und 41' übernimmt. Die Ausgleichskammer 41' ist auch bei
diesem Ausführungsbeispiel
wieder mit Luft 42 gefüllt
und weist dieselbe Funktion auf wie bereits zu 1 beschrieben.
Dehnt sich das flüssige
Füllgut 12 aufgrund
einer Temperaturerhöhung aus,
so wird das komprimierbare Medium bzw. die Luft 42 in der
Ausgleichskammer 41' komprimiert. Der
metallische Innenbehälter 10 wird
nur unwesentlich gedehnt respektive eingebeult, wenn die Temperatur
wieder abnimmt.
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In
dem Diagramm in 3 sind rechnerisch ermittelte
Daten zu einem erfindungsgemässen Druckbehälter mit,
in dem Innenbehälter
frei beweglich angeordneter, Luft gefüllter Ausgleichskammer (Kurve 52)
gemäss 1 und
zu einem herkömmlichen
Druckbehälter
ohne Ausgleichskammer (Kurve 51) wiedergegeben. Wie aus
den Kurven 51, 52 ersichtlich ist, ergibt sich
bei einer Temperaturschwankung von z. B. 10°C auf 30°C bei einem Druckbehälter bzw.
einer Gasdose nach dem Stand der Technik ohne Ausgleichskammer eine
Volumenschwankung in der Füllgutkammer
von ca. 3,7%. Bei dem erfindungsgemässen Druckbehälter mit
Luft gefülltem Ausgleichskörper bzw.
Luftkissen entsprechend 1 beträgt die Volumenschwankung der
Füllgutkammer
jedoch nur noch ca. 0,5%. Die Beanspruchung der Metallfolie des
Innenbeutels bzw. Innenbehälters
ist entsprechend stark reduziert.
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- 10
- Innenbehälter
- 11
- Füllgutkammer
- 11'
- Füllgutkammer
- 12
- Füllgut/flüssiges Brenngas
- 20
- Aussenbehälter
- 21
- Treibmittelkammer
- 22
- Treibmittel,
flüssige
Phase
- 23
- Treibmittel,
gasförmige
Phase
- 24
- Öffnung
- 25
- Deckelteil
- 30
- Ventilteil
- 31
- Einlassteil/Auslassteil
- 40
- Ausgleichsbehälter, Kammerwand
zwischen 11 und 41
- 40'
- Kunststoffbeutel,
bag-an-valve Beutel, Kammerwand zwischen 11 und 41
- 41
- Ausgleichskammer/Ausgleichskörper
- 41'
- Ausgleichskammer/Ausgleichskörper
- 42
- Luft/komprimierbares
Medium/Ausgleichsmedium
- 51
- Kurve,
Druckbehälter
nach dem Stand der Technik, ohne Ausgleichsbehälter
- 52
- Kurve,
Druckbehälter
mit Ausgleichsbehälter