DE19526154A1 - Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff und zwei im Halsbereich liegenden Öffnungen gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Aus der US-PS 3,508,677 ist ein gattungsmäßiger Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck bekannt. Dieser Druckbehälter weist einen Liner aus Kunststoff auf, der mit einer Faserwicklung verstärkt wird. Der Halsbereich ist mit je einer Öffnung versehen, in der ein die Öffnung verschließendes und/oder abdichtendes Halsstück angeordnet ist. Das eine Halsstück ist so ausgebildet, daß es ein einschraubbares Ventil aufnehmen kann. Zur Verankerung des Halsstückes mit dem Behälter weist dieses in dem dem Behälter zugewandten Endbereich einen flachverlaufenden, kegelstumpfartigen Kragen auf. Der Kragen ist von Elementen des Liner und/oder der verstärkenden Wicklung umgeben. Von der Innenseite her erstreckt sich in das Halsstück eine die Mittelachse als Symmetrieachse einschließende Ausnehmung, die im Falle des Ventil-Halsstückes in die Bohrung des Ventileinschraubbereiches übergeht. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, daß der Kragen sehr scharfkantig ausgebildet ist und dadurch in den Ecken hohe Spannungsspitzen entstehen, die bei entsprechender Belastung zu Undichtigkeiten führen können. Darüber hinaus ist eine Anbindung sei es chemisch oder physikalisch der Metall-Halsstücke an den Linerwerkstoff nicht zu erkennen. Dies führt sowohl bei thermischen als auch bei mechanischen Lastwechseln zu einer raschen Ablösung der Halsstücke von dem Polymer-Liner, was zu erhöhten Permeationsraten und zu einer unzureichenden Verdrehsicherung des Halsstückes führt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß je nach Abmessung das aufzubringende Ventildrehmoment bei einigen hundert Nm liegt.

Eine etwas andere Konstruktion des Halsstückes zeigt die EP 0550951 A1. Hier ist der Kragen sorgfältig abgerundet und auch die Übergänge in den Körper des Halsstückes. Damit der Liner weitgehend formschlüssig mit dem Halsstück verbindbar ist, sind in dem Kragenbereich mindestens auf der Unterseite meistens auch auf der Oberseite wenigstens eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen. Dies verteuert die Herstellung des Halsstückes und erschwert die Montage. Bei einer weiteren Ausführungsform ist auf der Innenseite des Halsstückes ein in die Ausnehmung des Kragens einrastender tulpenartiger Einsatz vorgesehen, der von oben her durch ein einschraubbares kegelstumpfartiges Element verspannt wird. Durch diese Konstruktion wird zwar die Abdichtung verbessert, sie ist aber sehr aufwendig und beansprucht eine Vielzahl von Einzelteilen, die gesondert hergestellt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsmäßigen Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff anzugeben, der bei einer einfachen und kostengünstigen Anbindung der unabhängig ob aus Metall oder Kunststoff gefertigten Halsstücke an die Behälterdome des Kunststoffkernbehälters eine hohe Abdichtung auch unter kombinierter wechselnder mechanischer und thermischer Belastung aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters ist Bestandteil von Unteransprüchen.

Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik ist der Kragen innenseitig nur vom Liner und außenseitig nur von Elementen der verstärkenden Wicklung umgeben. Damit es im kritischen Übergangsbereich vom Liner in den Bohrungsbereich der Öffnung zu keinen Undichtigkeiten kommen kann, weist der Liner einen als Hals ausgebildeten Bereich aus. Die Verbindung zwischen Halsstück und Druckbehälter erfolgt in der Weise, daß mittels eines auf den Hals des Liners und in die Ausnehmung des Halsstückes eingearbeiteten Gewindes das Halsstück auf den Liner aufgeschraubt wird, bevor die verstärkende Wicklung auf den Liner aufgebracht wird. Die Dämpfungsscheibe auf der Unterseite des Kragens des Halsstückes soll neben einer zusätzlichen Abdichtung vor allem Spannungsspitzen infolge mechanischer Wechselbeanspruchung minimieren. Das Halsstück kann je nach Anwendungsfall z. B. aus Kunststoff, wie PPS (Polyphenylensulfid) oder aus Edelstahl z. B. 18/8 Chromnickelstahl oder aus Leichtmetall z. B. Al Legierung 6061 hergestellt sein.

Zur Verstärkung der Dichtung wird weiterbildend vorgeschlagen, zwischen der Stirnfläche des Halsabschnittes des Liners und der damit zusammenwirkenden Anschlagfläche des Halsstückes einen Dichtungsring, vorzugsweise einen O-Ring anzuordnen. Die vorgeschlagene Schräge von vorzugsweise 3° an der Unterseite des Kragens und der damit zusammenwirkenden Dichtscheibe verbessert die Anpreßverhältnisse bei Aufbringung der Vorspannung des Halsstückes. Die Vorspannung hat den Vorteil, daß unter Innendruckbeanspruchung die Dichtigkeit und das Lastwechselverhalten infolge minimierter Spannungsspitzen erhöht wird und bei thermischen Lastwechseln die maximale Spannungsamplitude ohne Vorspannung der Halsstücke nicht erreicht werden kann, da die infolge der Vorspannung der Halsstücke eingebrachten Druckspannungen zuvor in Zugspannungen konvertiert werden müssen. Unterstützend in diesem Sinne ist vorgesehen sowohl die Dichtscheibe als auch den Dichtring aus einem Material herzustellen, das einen geringen E-Modul und eine hohe Dehnung aufweist. Die Verklammerung zwischen Halsstück und verstärkender Wicklung einerseits und der Dichtscheibe andererseits kann verstärkt werden, wenn die Ober- und Unterseite des Kragens eine Mindestrauheit Ra von z. B. 12,5 µm aufweist. Dies führt zu einer Mikroverzahnung zwischen dem Kragen des Halsstückes und den ihn umgebenden Material.

Die vorgeschlagene Konstruktion ist einfach herstellbar und besteht nur aus wenigen Teilen. Durch das Aufschrauben der Halsstücke wird ohne Probleme eine dichte Verbindung zwischen Liner und Halsstück geschaffen. Die Anordnung einer Dichtscheibe und eines Dichtringes in den kritischen Bereichen gewährleistet eine hohe Abdichtung auch unter wechselnden mechanischen und thermischen Lasten.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Composite-Druckbehälter,

Fig. 2 im Längsschnitt den Kunststoff-Liner,

Fig. 3 im vergrößerten Maßstab der Anschlußbereich für das Ventil des Composite-Druckbehälters,

Fig. 4 im Längsschnitt das Ventil-Halsstück,

Fig. 5 im Längsschnitt das Verschluß-Halsstück,

Fig. 6 eine halbseitige Draufsicht der Darstellung in Fig. 5.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt ein erfindungsgemäßer Composite-Druckbehälter 1 dargestellt. Er besteht aus einem über Blasform oder Rotationsverfahren oder Thermoformverfahren hergestellten Kunststoff-Liner 2, der durch eine von außen aufgewickelte Faserwicklung 3 verstärkt wird. Beispielsweise besteht die verstärkende Umwicklung aus einer Faserverstärkung wie z. B. Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, Bor-, Al₂O₃-Fasern oder Gemischen (Hybridgarne) hieraus, die in einer Matrix aus Duromeren, z. B. Epoxid- oder Phenolharzen etc. oder in Thermoplasten, z. B. PA 12, PA 6, PP etc. eingebettet sind. Der Faserverbundwerkstoff, bestehend aus o.g. Fasern und Polymeren, wird sowohl in axialer als auch tangentialer Richtung des Behälters aufgebracht, d. h. der Faserverstärkungskörper (FVK) bzw. die Ausrichtung der Faserlängsachsen weisen im Fall der axialen Umwicklung im zylindrischen Behälterteil nur einen kleinen Winkel (0° bis 25°) gegenüber der Behälterlängsachse auf. Mit Hilfe der axialen Bewicklung werden auch die Polkappen des Kunststoff-Liners gleichmäßig bewickelt. Vorher, alternierend oder nach dieser Polkappenwicklung erfolgt die Ablage des FVK′s ausschließlich tangential bzw. in Umfangsrichtung des zylindrischen Behälterteils sowohl aus axialen als auch tangentialen Umwicklungsanteilen bestehend, um die Polkappen jedoch nur eine Umwicklung in axialer Richtung erfolgt. Die Wanddickenanteile von tangentialer Umwicklung und axialer Umwicklung hängen ab vom Außendurchmesser des KS-Liners 2, von der Festigkeit des FVK′s, von den Wickelwinkeln etc . . Der Composite-Druckbehälter 1 weist im Halsbereich Öffnungen auf, die mit je einem Halsstück 4, 5 verschlossen und/oder abgedichtet sind. Einzelheiten der Halsstücke 4, 5 werden in den Fig. 4 und 5 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt den Kunststoff-Liner 2. Seine Maße sind im wesentlichen durch die Dicke 6 und den äußeren Durchmesser 7 festgelegt. Erfindungsgemäß weist dieser Liner 2 zwei Bereiche auf, die als Hals 8, 9 ausgebildet sind. Zum Aufschrauben der Halsstücke 4, 5 ist der jeweilige Hals 8, 9 des Liners 2 mit einem Gewindeabschnitt 10, 11 versehen. Vorzugsweise ist das Gewinde ein Sägezahngewinde, z. B. KS 25 Steigung 4 gemäß DIN 6063 Teil 1 und Teil 2. Die Abrundung des Liners 2 in den Übergangsbereichen ist durch entsprechende Radien 12, 13 gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab den Halsbereich des Composite- Druckbehälters 1 auf der Ventilseite. Erfindungsgemäß ist zwischen Halsstück 5 und Liner 2 eine Dichtscheibe 14 angeordnet und auf der Stirnseite 15 des Halses 8 des Liners 2 ein Dichtring 16, vorzugsweise ein O-Ring. Durch die bereits bekannte Hohlkehle 17 im Übergangsbereich vom Körper des Halsstückes 5 in den Kragen 18 des Halsstückes 5 erhalten die Halsstücke 4, 5 durch die verstärkende Wicklung 3 eine Abstützung. Die Einzelheiten der Halsstücke 4, 5 sind im Längsschnitt in den Fig. 4, 5 dargestellt. Beide Halsstücke 4, 5 weisen einen Kragen 18, eine Hohlkehle 17 sowie eine nach innen sich erstreckende Ausnehmung 19 auf. Diese Ausnehmung 19 ist mit einem Gewindeabschnitt 20 versehen, der mit dem Gewindeabschnitt 10,11 der Hälse 8, 9 des Liners 2 zusammenwirkt. Vorzugsweise ist das Gewinde ebenfalls ein Sägezahngewinde z. B. KS 25 gemäß DIN 6063 Teil 1 und Teil 2. Zur Vermeidung der Entstehung von Spannungsspitzen sind alle Kanten und Übergänge der Halsstücke 4, 5 sorgfältig abgerundet. Erfindungsgemäß weist der Kragen 18 auf der Unterseite eine Schräge 21 auf, die beispielsweise 3° beträgt. Die Schräge 22 des Kragens 18 selbst soll beispielsweise 12° betragen. Zur besseren Handhabung der Halsstücke 4, 5 und zur Drehsicherung weisen diese einen außerhalb des Composite-Druckbehälters 1 liegenden Abschnitt auf, der mit einem Schlüssel-Ansatz 23, 24 versehen ist. Sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Kragens 18 weisen eine relativ rauhe Oberfläche z. B. N 10, Ra 12,5 auf, um eine Mikroverzahnung mit dem Matrixmaterial des FVK bzw. mit der Oberfläche der Dichtscheibe 14 sicherzustellen. Zur Aufnahme des Dichtringes 16 (Fig. 3) sind beide Halsstücke 4, 5 am Ende des Gewindeabschnittes 20 mit einer eingedrehten Nut 25, 26 versehen.

Claims (8)

1. Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff und zwei im Halsbereich liegenden Öffnungen, in denen je ein die Öffnung verschließendes und/oder abdichtendes Halsstück angeordnet ist, von denen mindestens eines zur Aufnahme eines einschraubbaren Ventils ausgebildet ist und beide Halsstücke im dem Druckbehälter zugewandten Endbereich mit einem flachverlaufenden, kegelstumpfartigen Kragen versehen ist, der von Elementen des Liner und/oder der verstärkenden Wicklung umgeben ist sowie mit einer die Mittelachse als Symmetrieachse einschließenden und von der Innenseite her sich erstreckenden Ausnehmung, die im Falle des Ventil-Halsstückes in die Bohrung des Ventileinschraubbereiches übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19) einen Innengewindeabschnitt (20) aufweist, der mit einem auf dem als Hals (8, 9) ausgebildeten Bereich des Liner (2) angeordneten Außengewindeabschnitt (10, 11) zusammenwirkt und daß der Kragen (18) innenseitig nur vom Liner (2) und außenseitig nur von Elementen der verstärkenden Wicklung (3) umgeben ist und daß zwischen der Außenfläche des Liners (2) und der Unterseite des Kragens (18) des Halsstückes (4, 5) eine Dichtscheibe (14) angeordnet ist.

2. Composite-Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Kragens (18) eine zur Mittelachse ansteigenden Schräge (21) aufweist und die damit zusammenwirkende Oberseite der Dichtscheibe (14) entsprechend angeschrägt ist.

3. Composite-Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Schräge (21) 3° beträgt.

4. Composite-Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterseite des Kragens eine Mindestrauheit Ra von 12,5 µm aufweist.

5. Composite-Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche (15) des Halsabschnittes (8, 9) des Liners (2) und der damit zusammenwirkenden Anschlagfläche des Halsstückes (4, 5) in einer eingedrehten Nut (25, 26) des jeweiligen Halsstückes (4, 5) ein Dichtring (16) angeordnet ist.

6. Composite-Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeabschnitt (20) der Ausnehmung (19) sowie der Gewindeabschnitt (10, 11) des Halses (8, 9) des Liners (2) ein Sägezahngewinde aufweist.

7. Composite-Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheibe (14) und der Dichtring (16) aus einem Material hergestellt sind, das einen geringen E-Modul und eine hohe Dehnung aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Composite-Druckbehälters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kunststoff-Liner (2) zwei zylindrische Halsbereiche (8, 9) angeformt und diese mit einem Außengewindeabschnitt (10, 11 )versehen werden und nach Auflegen der Dichtscheibe (14) und des Dichtringes (16) das jeweilige Halsstück (4, 5) unter einer definierten Vorspannung mit dem Liner (2) verbunden wird und nach dem Aufspannen auf eine entsprechende Drehvorrichtung der Kunststoff- Liner (2) in bekannter Weise mit einer verstärkenden Wicklung (3) versehen wird.