DE10343250B4 - Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung eines gasförmigen Mediums und Druckbehälter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung eines gasförmigen Mediums und Druckbehälter Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters beliebiger Form zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise unter hohem Druck und insbesondere für die Bevorratung von Sauerstoff für ein Sauerstoffnotsystem in einem Flugzeug, unter Verwendung von
a. rohrförmigen Kammern zur Aufnahme des gasförmigen Mediums,
b. wobei die rohrförmigen Kammern von der Wand des Behälters umgeben sind, wobei
c. als rohrförmige Kammern eine Reihe von nebeneinander angeordneten und
d. zu einem Bündel zusammengefassten,
e. aus flexiblen Hohlfasern bestehende Kapillaren (3, 5) zur Speicherung des gasförmigen Mediums verwendet werden,
f. das Bündel von Kapillaren (3, 5) an wenigstens einer Stelle,
g. an der eine gemeinsame Befüllung oder Entleerung der Kapillaren (3) durchführbar ist,
h. durch eine aushärtende Matrix (10) oder ein Sinterverfahren verhärtet wird,
i. und das Bündel von Kapillaren (3, 5) an der verhärteten Stelle aufgetrennt wird, und
j. wobei die aufgetrennte Stelle des...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise unter hohem Druck und insbesondere für die Bevorratung von Sauerstoff für ein Sauerstoffnotsystem in einem Flugzeug, unter Verwendung von rohrförmigen Kammern zur Aufnahme des gasförmigen Mediums, wobei die rohrförmigen Kammern von der Wand des Behälters umgeben sind, sowie einen Druckbehälter, der nach dem Verfahren hergestellt wurde.
  • Ein Druckbehälter der eingangs genannten Art für unter hohem Druck stehende Gase ist aus der WO 00/05535 A1 bekannt. Bei diesem Druckbehälter weisen die zu einem rohrförmigen Gebilde zusammengefassten rohrförmigen Kammern Wandungen auf, die jeweils für zwei nebeneinander liegende Kammern gemeinsam vorgesehen sind. Die rohrförmigen Kammern sind somit jede für sich genommen nicht lasttragend ausgeführt. Zudem nimmt die Wandung des Behälters zumindest einen Teil der durch den Gasdruck entstehenden Last auf.
  • In der DE 41 16 328 A1 ist ein modularer Gas- und/oder Flüssigkeitsbehälter in Faserverbundbauweise für Über- und Unterdruck beschrieben, dessen geometrische Form beliebig sein kann und der beschränkten Platzverhältnissen angepasst werden kann, z.B. in einem Fahrzeug. Der Behälter ist aus wenigsten einer Lage von vorfabriziertem, drei-dimensionalem gewebten Fasergefüge hergestellt, das – nach dem Imprägnieren mit Matrixmaterial und dem Zusammenkleben der Ränder und folgendem Aushärten der Matrix – einen geschlossenen Hohlraum zwischen zwei Gewebelagen bildet. Die Gewebelagen werden durch ein System von stegbildenden Querfäden in Abstand gehalten, die den Druck aufnehmen. Nachteiligerweise ist bei einer Beschädigung des Behälters ein langsames Ausströmen des gespeicherten Gases nicht sichergestellt.
  • Im makroskopischen Bereich sind solche Speicherarten allgemein bekannt, wie beispielsweise der DE 697 11 447 T2 oder der DE 2 305 840 A1 zu entnehmen ist. Auch hier ist die Speicherung gasförmiger Medien unter hohem Druck mit dem Risiko der Explosion des Behälters bei seiner Beschädigung oder Überladung verbunden. Das Problem der Explosion eines Druckbehälters liegt im plötzlichen Freiwerden der gesamten Druckenergie. Bei den vorbekannten Speichern ist nachteiliger Weise eine individuelle, handwerkliche oder maschinell herzustellende Anbindung eines jeden Elementarspeichers an eine gemeinsame Sammelstelle erforderlich.
  • Aus der DE 198 18 898 C2 ist ein Druckbehälter beliebiger Form bekannt zur Speicherung eines gasförmigen Mediums unter Verwendung von rohrförmigen Kammern zur Aufnahme des gasförmigen Mediums, wobei die rohrförmigen Kammern von der Wand des Behälters umgeben sind, und wobei die rohrförmigen Kammern als eine Reihe von nebeneinander angeordneten in eine Platte eingeformten Kanäle ausgeformt sind. Es können mehrere Platten übereinandergelegt und verbunden werden.
  • Die DE 38 39 985 C2 offenbart eine Permeationseinrichtung mit von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite parallel verlaufenden Kapillaren gleicher Länge in einem rohrförmigen Gehäuse, die zwischen Abschlusswänden ausgespannt sind. Nahe der Abschlusswände umgibt eine Vergussmasse die Kapillaren bis zu einer Außenwand zur Bildung eines Rohrmoduls.
  • Die DE 600 01 145 T2 stellt einen Filter mit Membranen aus Hohlfasern, die in einem rohrförmigen Gehäuse im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Bei der Herstellung werden Hohlfaserenden vergossen, wobei auch Gehäuseteile miteinander vergossen werden.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes, leicht zu realisierendes Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters der eingangs genannten Art zu schaffen, der explosionssicher und schadenstolerant ausgebildet ist sowie für gasförmige, unter Druck stehende Medien eine nahezu beliebige Formgebung gewährleistet, sowie einen danach hergestellen Druckbehälter anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als rohrförmige Kammern eine Reihe von nebeneinander angeordneten und zu einem Bündel zusammengefassten, aus flexiblen Hohlfasern bestehende Kapillaren zur Speicherung des gasförmigen Mediums verwendet werden, dass das Bündel von Kapillaren an wenigstens einer Stelle durch eine aushärtende Matrix oder ein Sinterverfahren verhärtet wird, dass das Bündel von Kapillaren an der verhärteten Stelle aufgetrennt wird, und dass die aufgetrennte Stelle des Bündels von Kapillaren als Be- und Entladeöffnung für das gasförmige Medium verwendet wird.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Anbindung der Elementarspeicher an eine gemeinsame Nutzöffnung in gemeinsamen, quasi makroskopischen Arbeitsschritten durchgeführt wird. Damit vereinfacht sich die Herstellung und reduziert sich der Aufwand zur Herstellung eines solchen Speichers erheblich gegenüber dem oben genannten bekannten Speichern.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus der Möglichkeit, den Druckbehälter in nahezu jede beliebige Form zu bringen. Wird kein, oder ein nichtaushärtender Füllstoff für die Hohlräume zwischen den Elementarspeichern gewählt, so kann darüber hinaus sogar eine weitgehend freie Verformbarkeit im Einsatz ermöglicht werden. Dies kann evtl. zur Durchschussfestigkeit des Speichers führen, da die Kapillaren einem Projektil ausweichen können. Bei Verwendung einer aushärtenden Füllung kann der Speicher nicht nur als Behälter, sondern zudem als tragendes Strukturbauteil verwendet werden.
  • Durch geeignete Wahl eines Füllmediums, durch welches die Hohlräume zwischen den Elementarspeichern ausgefüllt werden können, lassen sich verschiedene Effekte erzielen. So kann durch ein kriech- und klebefähiges Medium eine mechanische Beschädigung gegebenenfalls von selbst reparieren werden. Eine katalytische Füllung könnte austretende, schädliche Substanzen neutralisieren.
  • Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren als eigenständige Speicherelemente derart ausgeführt sind, dass die Wände der Kapillaren die durch das gespeicherte Medium hervorgerufenen Druckkräfte vollständig aufnehmen, und dass bei einer Beschädigung der Kapillaren bzw. des Druckbehälters und unter gegebenen Druckbedingungen eine eingeschränkte maximale Ausströmgeschwindigkeit und damit eine wesentlich verzögerte Expansion des gespeicherten gasförmigen Mediums aus den durch die Beschädigung hervorgerufenen Öffnungen der Kapillaren erfolgt.
  • Erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Druckbehälters sind in den Unteransprüchen 8 bis 12 beschrieben. So ist z.B. erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kapillaren an mindestens einem ihrer Enden mit ihren Austrittsöffnungen derart zusammengeführt sind, dass eine gemeinsame Befüllung oder Entleerung der Kapillaren durchführbar ist. Weiterhin können die Kapillaren eines Bündels durch eine Matrix mechanisch miteinander verbunden sein, wobei vorzugsweise ein Matrixmaterial verwendet wird, durch welches die bei einer Beschädigung entstehenden Öffnungen der Kapillaren benetzt und verschlossen werden können.
  • Je nach Anwendungsfall besteht ein solcher Speicher aus einer Anzahl von einer Kapillare bis zu 100.000 und mehr Kapillaren, die zu Bündeln zusammengefasst sind. Kapillaren sind seit langer Zeit bekannt; sie können z. B. aus Glas gezogen in unterschiedlichen Dimensionen hergestellt werden. In jüngster Zeit sind auch sogenannte Hohlfasern aus Kunststoff bekannt geworden, die jedoch zur Zeit überwiegend zur Wärmedämmung und zu katalytischen Zwecken eingesetzt werden. Auch aus diesen Stoffen lassen sich Kapillare bis in den Mikrometerbereich und nahezu endlos herstellen.
  • Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, dass mit den verwendeten Kapillaren bzw. Kapillarbündeln Druckbehälter von beliebiger Form hergestellt werden können, so dass diese Druckbehälter an bisher nicht nutzbaren Einbauorten untergebracht werden können. Das Gewicht der Druckbehälter liegt vor teilhafterweise in der Größenordnung von Leichtbautanks. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil liegt in der vorgesehenen Matrix, da bei Beschädigung einzelner Kapillaren die auftretenden Kräfte durch die Matrix auf benachbarte Kapillarwände übertragen werden können. Somit ist eine relativ große Fehlertoleranz in der Konstruktion gegeben. Zudem können beschädigte Stellen mit Matrixmaterial gefüllt werden, so dass im Falle einer Beschädigung nicht der gesamte Druckbehälter unbrauchbar wird, sondern lediglich kleinere Bereiche des Druckbehälters betroffen sind. Durch geeignete Wahl bzw. Dotierung des Matrixmaterials können in vorteilhafter Weise austretende umweltgefährliche Gase möglicherweise katalytisch oder chemisch unschädlich gemacht werden.
    •
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigt:
  • 1: einen schlauchförmigen Druckbehälter,
  • 2: einen Druckbehälter in Kastenform, und
  • 3: die Verfahrensschritte a bis d zur Herstellung eines Bündels von Kapillaren.
  • In 1 ist ein schlauchförmiger Druckbehälter 1 dargestellt, der einer beliebig wählbaren Form angepasst werden kann. Der Druckbehälter 1 weist eine äußere Wand 2 auf, die eine Reihe von Kapillaren 3 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums umschließt. Die Kapillaren 3 sind als eigenständige Speicherelemente derart ausgeführt sind, dass ihre Wände die durch das gespeicherte Medium hervorgerufenen Druckkräfte vollständig aufnehmen. Somit erfolgt bei einer Beschädigung der Kapillaren 3 bzw. des Druckbehälters 1 und unter gegebenen Druckbedingungen eine eingeschränkte maximale Ausströmgeschwindigkeit und damit eine wesentlich verzögerte Expansion des gespeicherten gasförmigen Mediums aus den durch die Beschädigung hervorgerufenen Öffnungen der Kapillaren 3, die zeichnerisch nicht dargestellt sind.
  • Wie 1 weiterhin zu entnehmen ist, sind die Enden der Kapillaren 3 mit ihren Austrittsöffnungen 3a derart zusammengeführt, dass eine gemeinsame Befüllung oder Entleerung der Kapillaren 3 durchführbar ist. Auch können die Kapillaren 3 eines Bündels durch eine zeichnerisch nicht dargestellte Matrix mechanisch miteinander verbunden sein, wobei vorzugsweise ein Matrixmaterial verwendet wird, durch welches die bei einer Beschädigung entstehenden Öffnungen der Kapillaren 3 benetzt und verschlossen werden können.
  • Bei dem Druckbehälter 4 gemäß 2 sind die mit 5 bezeichneten Kapillaren, an deren Stelle auch Hohlleiter zur Anwendung kommen können, in einem kastenförmigen Gehäuse 6 angeordnet. Auch dieser Druckbehälter weist die oben beschriebenen Eigenschaften des aus 1 ersichtlichen Druckbehälters 1 auf. Beide Druckbehälter 1 und 4 können vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt sein, wobei zusätzlich eine vorgegebene Anzahl von Kapillaren 3 bzw. 5 zu mehreren nebeneinander liegenden Bündeln zusammengefasst sein können.
  • Gemäß 3 zeigt der Verfahrensschritt a die Herstellung eines gewickelten Kapillarbündels 7 aus flexiblen Hohlfasern mittels zweier Wickelrollen 8. In Verfahrensschritt b wird das gewickelte Kapillarbündel 7 mittels einer Pressvorrichtung 9 zusammengedrückt, und zwar etwa in seiner Mitte. An der zusammengepressten Stelle wird das Bündel 7 von Kapillaren durch eine aushärtende Matrix 10 oder durch ein Sinterverfahren verhärtet. Wie der Verfahrensschritt d zeigt, wird dann das Bündel 7 von Kapillaren an der verhärteten Stelle derart aufgetrennt, dass beispielsweise zwei Kapillarbündel 7a entstehen. Jedes dieser aufgetrennten Bündel von Kapillaren wird an der aufgetrennten Stelle als Be- und Entladeöffnung für das gasförmige Medium verwendet.
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Äußere Wand des Druckbehälters 1
    3
    Kapillaren
    3a
    Austrittsöffnungen der Kapillaren 3
    4
    Druckbehälter
    5
    Kapillaren des Druckbehälters 4
    6
    Gehäuse des Druckbehälters 4
    7
    Gewickeltes Kapillarbündel
    7a
    aufgetrennte Kapillarbündel
    8
    Wickelrollen
    9
    Pressvorrichtung
    10
    Aushärtende Matrix

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters beliebiger Form zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, vorzugsweise unter hohem Druck und insbesondere für die Bevorratung von Sauerstoff für ein Sauerstoffnotsystem in einem Flugzeug, unter Verwendung von a. rohrförmigen Kammern zur Aufnahme des gasförmigen Mediums, b. wobei die rohrförmigen Kammern von der Wand des Behälters umgeben sind, wobei c. als rohrförmige Kammern eine Reihe von nebeneinander angeordneten und d. zu einem Bündel zusammengefassten, e. aus flexiblen Hohlfasern bestehende Kapillaren (3, 5) zur Speicherung des gasförmigen Mediums verwendet werden, f. das Bündel von Kapillaren (3, 5) an wenigstens einer Stelle, g. an der eine gemeinsame Befüllung oder Entleerung der Kapillaren (3) durchführbar ist, h. durch eine aushärtende Matrix (10) oder ein Sinterverfahren verhärtet wird, i. und das Bündel von Kapillaren (3, 5) an der verhärteten Stelle aufgetrennt wird, und j. wobei die aufgetrennte Stelle des Bündels von Kapillaren (3, 5) als Be- und Entladeöffnung für das gasförmige Medium verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufgetrenntes Bündel von Kapillaren (3, 5) in einen flexiblen Behälter (1) eingebracht wird,
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den nebeneinander liegenden Kapillaren (3, 5) des Bündels durch eine aushärtende Masse verfüllt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den nebeneinander liegenden Kapillaren (3, 5) des Bündels zusätzlich durch eine nichtaushärtende Masse verfüllt werden, die im Falle eines Defektes einer Kapillare (3, 5) in die defekte Stelle eindringt und dass die Kapillare (3, 5) hierdurch verschlossen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Kapillaren (3, 5) mit einem Wirkstoff beschichtet werden, durch den bei einem Zusammentreffen mit eindringendem Material aus der Zwischenraumfüllung dieses lokal ausgehärtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel derart ausgerichtet wird, dass auf Grund der Kesselspannungsformel in Längsrichtung der Fasern noch vorhandene überschüssige Tragfähigkeit zurAufnahme äußerer Lasten genutzt wird.
  7. Druckbehälter hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aus flexiblen Hohlfasern bestehenden Kapillaren (3, 5), wobei die Kapillaren (3, 5) als eigenständige Speicherelemente ausgeführt sind und die Wände der Kapillaren (3, 5) die durch das gespeicherte Medium hervorgerufenen Druckkräfte vollständig aufnehmen, bei einer Beschädigung der Kapillaren (3, 5) und/oder des Druckbehälters (1, 4) sowie unter gegebenen Druckbedingungen somit eine eingeschränkte maximale Ausströmgeschwindigkeit und damit eine verzögerte Expansion des gespeicherten gasförmigen Mediums aus den durch die Beschädigung hervorgerufenen Öffnungen der Kapillaren (3, 5) erfolgt.
  8. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren (3, 5) an mindestens einem ihrer Enden mit ihren Austrittsöffnungen derart zusammengeführt sind, dass eine gemeinsame Befüllung oder Entleerung der Kapillaren (3, 5) durchführbar ist.
  9. Druckbehälter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren (3, 5) eines Bündels durch eine Matrix mechanisch miteinander verbunden sind.
  10. Druckbehälter nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Matrixmaterials, durch welches die bei einer Beschädigung entstehenden Öffnungen der Kapillaren (3, 5) benetzt und verschlossen werden.
  11. Druckbehälter nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen aus Kunststoff hergestellten Druckbehälter (1, 4).
  12. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine vorgegebene Anzahl von Kapillaren (3 bzw. 5) zu mehreren nebeneinander liegenden Bündeln zusammengefasst sind.
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