DE10246868A1

DE10246868A1 - Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10246868A1
Application number: DE2002146868
Authority: DE
Inventors: Ralph Funck
Original assignee: Funck, Ralph, Dr.
Current assignee: COMAT COMPOSITE MATERIALS GMBH, 67661 KAISERSL, DE
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Medien. Der Druckbehälter setzt sich zusammen aus einem Rohr, das aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht, sowie Deckeln, die aus einem Innen- und einem Außendeckel bestehen und formschlüssig mit dem faserverstärkten thermoplastischen Rohr verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Druckbehälter zur Speicherung flüssiger und/oder gasförmiger Medien unter einem Betriebsdruck oberhalb des Atmosphärendrucks, wobei der Druckbehälter einen zur Speicherung des Mediums vorgesehenen Hohlraum umschließt und mindestens einen Anschluß zum Befüllen und/oder Entleeren aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters.
Flüssige und/oder gasförmiger Medien werden üblicherweise in Druckbehältern transportiert, die eine geeignete Konstruktion gegen Leckagen, Diffusion oder Permeation des gespeicherten Mediums aufweisen und den mechanischen Beanspruchungen durch Innen- bzw. Außendruck sowie den weiteren Beanspruchungen mechanischer, physikalischer und chemischer Art während des Betriebes standhalten.
Durch geeignete Kombination von Polymeren als Matrix mit hochfesten Fasern als Verstärkung und durch die Wahl eines geeigneten Verstärkungsaufbaus lassen sich, den Anforderungen entsprechend, auf das Bauteil maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen. Druckbehälter aus Faserkunststoffverbunden hergestellt, sind gegenüber herkömmlichen Stahl- oder Aluminiumbehältern hinsichtlich drucktechnischer Eignung gleichwertig, bieten darüber hinaus jedoch entscheidende Vorteile wie geringes Gewicht, erhöhte Korrosionsbeständigkeit und extreme Ermüdungsfestigkeit.
Aus Faserkunststoffverbunden mit polymeren Matrixsystemen hergestellte Druckbehälter sind bekannt und es existiert eine Vielzahl an Patenten.
Als Beispiel sei das Europa Patent EP0810081 A1 "Pressure Vessel and Method of Manufacturing Same" genannt. Hierbei wird beschrieben wie eine geschlossene Hüllschicht, die aus einem Kunststoff besteht, im Faserwickelverfahren mit einem Faserkunststoffverbund umhüllt wird. Ein ähnliches Behälterprinzip wird im Europapatent EP0333013 A1 "Pressure Vessels" beschrieben. Auch in diesem Falle wird eine Hüllschicht mit Fasern derart umgeben, daß die Verstärkungshülse den mechanischen Beanspruchungen standhält.
Andere bekannte Bauarten sind in den Patentschriften DE 19751411 C1 , DE 19526154 C2 , EP 0821 194 A2 (Mannesmann) , EP 0300931 B1 (Ullit), EP0333013 A1 (ABB Plast), EP0550951 A1 (Brunswick), EP 0553728 A1 (EDO) und WO 94/12396 (NGV Systems) beschrieben. Die Patentschriften beschreiben Druckbehälter für Gase und / oder Flüssigkeiten, bestehend aus Kunststoftgrundkörpern mit verschieden ausgeführten metallischen Anschlußstücken.
Die in o. a. Patenten beschriebenen Techniken wiesen im Einsatz einige Unzulänglichkeiten auf, insbesonder Undichtigkeiten im Anschlußbereich bzw. kostenintensive Fertigungstechniken.
Die hier beschriebene Erfindung betrifft einen Druckbehälter bestehend aus einem Rohr aus thermoplastischem Faserkunststoffverbund zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck welches durch geeignete Deckel verschlossen ist, wobei der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, einen Druckbehälter derart weiterzubilden, daß die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden.
Es soll ein Faserkunststoffverbundbehälter mit geringem Eigengewicht, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig langzeitiger Dichtheit geschaffen werden, der den mechanischen Beanspruchungen standhält und kostengünstig herzustellen ist.
Die Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik von Druckbehältern aus Faserkunststoftverbund derart weitergebildet, daß insbesondere eine hohe und langzeitige Dichtheit am Anschlußstück auch bei extremen wechselnden thermischen und mechanischen Betriebsbeanspruchungen sichergestellt wird und zudem eine sehr effektive Fertigungstechnik Einsatz findet.
Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Behälter dadurch gelöst, daß ein faserverstärktes thermoplastisches Rohr und zwei Deckeln derart miteinander verbunden werden, daß sie einen zur Speicherung des Mediums vorgesehenen Hohlraum umschließen.
Die Deckel, jeweils bestehend aus einem Innen- und einem Außendeckel, sind dabei derart ausgebildet, dass der Innendeckel formschlüssig in dem faserverstärktem thermoplastischen Rohr montiert wird. Der Außendeckel ist mit dem Innendeckel verbunden und derart ausgebildet, dass er sich an dem faserverstärktem thermoplastischen Rohr abstützen kann.
Ein derart ausgebildeter Behälter weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch den Einsatz eines Rohres aus Faserkunststoffverbund mit thermoplastischer Matrix wird erreicht, daß das Rohr nur ein geringes Eigengewicht aufweist. Durch Einsatz des beschriebenen Rohres hält der Behälter den mechanischen Beanspruchungen statt und dient zudem als Diffusionssperre. Weiterhin lässt sich das faserverstärkte thermoplastische Rohr kontinuierlich herstellen und ist somit kostengünstig zu produzieren.
Durch die besondere Gestaltung des Deckels können hohe Innendrücke ertragen werden, da durch die formschlüssige Verbindung des Innendeckels Kräfte aus dem Deckel ideal in das Rohr übertragen werden. Der Aussendeckel sorgt dafür, dass der Innendeckel gegen Verrutschen nach innen gesichert ist. Weiterhin kann durch den Aussendeckel eine Vorspannung des Innendeckels gegen das faserverstärkte thermoplastische Rohr aufgebracht werden. Diese Vorspannung ist insbesondere bei drucklosem Zustand des Behälters von Bedeutung, um auch in diesem Zustand die Dichtigkeit des Behälters zu gewährleisten.
Weiterhin verhindert der Außendeckel die plastische Verformung von Teilbereichen (z.Bsp. Thermoplastischer Liner) des faserarmierten thermoplastischen Rohres.
Aufgrund der großen Montageöffnungen lassen sich bei diesem Deckelkonzept im Behälterinneren liegende Druckminderer einsetzen, so dass außerhalb des Behälters das gespeicherte Medium bereits druckgemindert vorliegt und dadurch wesentlich zur Sicherheit des Behälters beiträgt.
Eine weiterer Vorteil besteht darin, dass nur der Innendeckel mit dem Speichermedium in Kontakt kommt, der Aussendeckel dadurch aus einem dem Speichermedium gegenüber nicht beständigem Material bestehen kann.
Da im Rohr thermoplastisch basierte Matrixsysteme zum Einsatz kommen, können die erfindungsgemäßen Behälter, beispielsweise durch Zerkleinerung und Wiedereinschmelzen sehr gut recycliert werden.
Erfindungsgemäß basiert die Matrix des Rohrs auf einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyketon (PK), Polyvinylchlorid (PVC), Poly-4-methylpenten-1 (PMP), Polyacetal (Polyoxymethylen) (POM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Styrol/Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polycarbonat (PC) und/oder Acrynitrilbutadienstyrol (ABS) . Die Matrix kann natürlich auch aus anderen oder einer Mischung thermoplastisch basierter Kunststoffe bestehen. Der Matrixwerkstoff kann zudem organische und/oder anorganische Füllmaterialien aufweisen.
Als Verstärkungsfasern können beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern, Polymerfasern, organische Fasern, metallische Fasern und / oder andere Fasertypen Einsatz finden.
Die Deckel können , beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – aus metallischen Werkstoffen und/oder Faserverbundwerkstoffen bestehen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffbehälters, der insbesondere ein wie vorstehend beschriebener Behälter sein kann, bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) Herstellung eines Rohres aus Faserkunststoffverbund mit thermoplastischer Matrix
b) Herstellung von Deckeln
c) Montage der Innendeckel in solcher Weise, daß Rohr und Deckel einen Hohlraum zur Speicherung des Druckgases umschließen.
d) Umformung des Rohres, so dass der Innendeckel formschlüssig in dem Innenrohr verankert ist.
e) Aufbringung eines Sicherungsrings
f) Verbinden des Innendeckels (z. Bsp. Durch Schraubverbindung,

Schweißverbindung oder Bajonettverbindung) mit dem Außendeckel, so dass ein axiales Verschieben des Innen- zu Außendeckel verhindert ist.
Innen- und Außendeckel können erfindungsgemäß auch einteilig ausgeführt sein, so dass eine nachträgliche Verbindung nicht notwendig ist. Am Innen- und Außendeckel sind geeignete Vorkehrungen zur Abdichtung durch z. Bsp. Verbindung mit dem Rohr, Dichtmassen, Dichtringe, Lippendichtung ect. getroffen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Behälter geschaffen werden, die die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen, Funktionen und Effekte aufweisen.
Das Rohr kann beispielsweise zunächst in Form einer langen Röhre hergestellt werden. Von der entstandenen Röhre können die einzelnen Rohre in der gewünschten Länge abgetrennt werden. Bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Rohrs sind unter anderem – jedoch nicht ausschließlich – das Wickel- oder Pullwinding-Verfahren.
Der Betriebsdruck der im Behälter gespeicherten Medien kann mehr als 70 MPa (700 bar), vorzugsweise 0,1 bis 70 MPa (1 bis 700 bar) betragen. Der entsprechende Berstdruck entspricht dabei dem mit 1,1 bis 4 multiplizierten Wert des jeweiligen Betriebsdruckes.
Die zu speichernden Medien können Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Propan, Erdgas, Wasserstoff oder aber andere technische Gase oder Flüssigkeiten oder dergleichen sein. Die Erfindung ist auf keine besondere Art von Speichergasen und/oder Flüssigkeiten beschränkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein wie vorstehend beschriebener Behälter, der insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden. Beispiel für mögliche Verwendungsformen sind in beispielhafter und nicht abschließender Aufzählung die Verwendung als: Druckgefäß in Pkw, Lastkraftwagen, Bussen und Bahnen, als Druckgefäß für Feuerlöscher, als Druckgefäß für Rettungssysteme (zum Beispiel Airbag), als Druckgefäß für Brenngase.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Behälters gemäß einer ersten Ausführungsform mit nach außen gewölbtem Deckel
2 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Behälters gemäß einer zweiten Ausführungsform mit nach innen gewölbtem Deckel In 1 ist eine Seite eines Behälters zur Speicherung eines Druckgases schematisch im Querschnitt dargestellt. Das gezeigte Behälterende besteht aus einem faserverstärkten thermoplastischen Rohr 3, einem nach außen gewölbtem Innendeckel 1, einem Außendeckel 2 und einem Sicherungsring 4. In dem Innendeckel 1 befindet sich ein Anschluss zum Be- und/oder Entladen des Behälters. Der Innendeckel 1 ist dabei derart mit dem Außendeckel 2 verbunden, dass eine axiale Verschiebung verhindert ist. Dies kann z. B. durch Schraubverbindung, Bajonettverbindung Schweißverbindung des Innen- zum Außendeckels realisiert sein.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform des Behälters zur Speicherung eines Druckgases schematisch im Querschnitt dargestellt. Das gezeigte Behälterende besteht aus einem faserverstärkten thermoplastischen Rohr 3, einem nach innen gewölbtem Innendeckel 1, einem Außendeckel 2 und einem Sicherungsring 4. In dem Innendeckel 1 befindet sich in Anschluss zum Be- und/oder Entladen des Behälters. Der Innendeckel 1 ist dabei derart mit dem Außendeckel 2 verbunden, dass eine axiale Verschiebung verhindert ist. Dies kann z. B. durch Schraubverbindung, Bajonettverbindung Schweißverbindung des Innen- zum Außendeckels realisiert sein.

Claims

Druckbehälter aus faserverstärktem thermoplastischem Rohr zur Speicherung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Medien, mit Deckeln verschlossen dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel aus einem Innen- und einem Außendeckel besteht wobei der Innendeckel formschlüssig mit dem faserverstärkten thermoplastischen Rohr verbunden ist und der Außendeckel mit dem Innendeckel verbunden ist und sich der Außendeckel an dem faserverstärkten thermoplastischen Rohr abstützen kann.
Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendeckel nach außen gewölbt ist.
Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendeckel nach innen gewölbt ist.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff des Behälterrohres aus einem thermoplastischem Kunststoff besteht, vorzugsweise – jedoch nicht ausschließlich – aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyketon (PK), Polyvinylchlorid (PVC), Poly-4-methylpenten-1 (PMP), Polyacetal (Polyoxymethylen) (POM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Styrol/Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polycarbonat (PC) und/oder Acrynitrilbutadienstyrol (ABS).
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung organische und/oder anorganische Fasern, vorzugsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoftasern, Metallfasern, Keramikfasern, und/oder Polymerfasern eingesetzt werden.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daßInnendeckel und Außendeckel aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Medien, insbesondere eines Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Herstellung eines Rohres aus Faserkunststoffverbund mit thermoplastischer Matrix, Herstellung von Deckeln, Montage der Innendeckel in solcher Weise, daß Rohr und Deckel einen Hohlraum zur Speicherung des Druckgases umschließen, Umformung des Rohres, so dass der Innendeckel formschlüssig in dem Innenrohr verankert ist, Aufbringung eines Sicherungsrings, Verbinden des Innendeckels mit dem Außendeckel, so dass ein axiales Verschieben des Innen- zu Außendeckel verhindert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in Form einer langen Röhre hergestellt wird, von der die einzelnen Rohre in der gewünschten Länge abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung von Innen- zu Außendeckel eine Schraubverbindung, eine Bajonettverbindung, eine Klebverbindung, eine Klemmverbindung, eine Schweißverbindung und/oder eine Pressverbindung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außendeckel bereits vor Einsetzen des Innendeckels in das Rohr miteinander verbunden sind oder einteilig ausgeführt sind.