DE19529327C1 - Behälter zum Speisen von Fluiden unter Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Speichern von Fluiden unter Druck, welcher einen Behälterkörper mit zumindest einer Behälteröffnung zum Befüllen und/oder zur Entnahme des Fluides umfaßt, wobei zumindest eine Behälteröffnung nach Befüllung des Behälters durch zumindest eine Berstscheibe im wesentlichen druckdicht ge­ schlossen und/oder gesichert ist.

Derartige Behälter können zum Speichern von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Insbesondere finden die genannten Behälter als Druckgasbehälter Anwen­ dung. Die Behälter müssen im wesentlichen druckdicht sein, um einen vorgegebenen Druck über eine bestimmte Zeit im Behälter halten zu können, wobei Druck und Zeit je nach Anwendungsfall stark variieren können.

Der Verschluß des Behälters mittels einer Berstscheibe kann als einfacher Verschluß oder aber als Sicherungsverschluß für den gefüllten Druckbehälter dienen. Berst­ scheiben werden beispielsweise zur Sicherung von mit CO₂ gefüllten Druckgasbe­ hältern eingesetzt.

Bei mit einer Berstscheibe geschlossenen oder gesicherten Druckbehältern bereitet in der Regel das Anbringen und Dimensionieren dieser Berstscheibe Schwierigkeiten. Einerseits muß die Berstscheibe so ausgelegt und befestigt sein, daß eine ungewollte Zerstörung der Berstscheibe ausgeschlossen werden kann. Die Berstscheibe muß daher in der Regel beliebig viele Druckwechselschwankungen, beispielsweise durch Außentemperaturschwankungen hervorgerufen, unterworfen werden können, ohne ungewollt zu bersten. Auf der anderen Seite muß die Berstscheibe so ausgelegt sein, daß die gewollte Zerstörung der Berstscheibe im Funktionsfall gewährleistet werden kann. Ist die Berstscheibe beispielsweise im wesentlichen auf die Funktionsfähigkeit bei der gewollten Zerstörung ausgelegt, so können Probleme hinsichtlich der Dauerfestig­ keit entstehen, was zumindest in der Regel bedeutet, daß die Funktionsfähigkeit und/oder die Haltbarkeit zeitlich begrenzt wird.

Die Auslegung der Berstscheibe gestaltet sich folglich wegen der entgegengesetzten Anforderungen hinsichtlich einer gewollten und einer ungewollten Zerstörung schwierig und in der Regel unbefriedigend.

Insbesondere besteht ein Problem bei Druckgasbehältern, bei welchen im Funktionsfall hohe Ausströmgeschwindigkeiten der Gasfüllung bei einem möglichst großen Volumenstrom erforderlich sind und die Berstscheibe innerhalb eines sehr kurzen, vorbestimmten Zeitraumes zerstört werden muß. In diesem Fall muß die Berstscheibe eine relativ große Behälteröffnung abdecken, die notwendig ist, um den erforderlichen hohen Volumenstrom aus dem Behälter in dem gewünschten Zeitraum erreichen zu können. Mit zunehmender Fläche der Behälteröffnung muß jedoch die mechanische Beanspruchbarkeit der Berstscheibe steigen, da die wirksame Kraft auf die Berst­ scheibe bei gleichem Druck zunimmt.

Die Zerstörung der Berstscheibe kann auf mechanischem oder pyrotechnischem Wege sowohl vom Außenraum des Druckbehälters als auch vom Innenraum des Druckbe­ hälters (druckgasseitig) erfolgen. Die Auslegung der Berstscheibe wird zusätzlich dadurch erschwert, daß mit steigendem Druck im Gasbehälter die Wanddicke der Berstscheibe ansteigen muß die zur Verfügung stehende Zeitspanne zur Zerstörung der Berstscheibe jedoch gleichbleibt. Damit wird die im Bedarfsfall gewollte Zerstörung erschwert oder kann sogar nicht mehr befriedigend sichergestellt werden.

Dieses Problem besteht beispielsweise bei mit Edelgasen gefüllten Airbag-Gasgene­ ratoren, die in der Regel in Fahrzeugen zur Sicherung der Insassen bei Unfällen zum Einsatz gelangen. In diesem Anwendungsfall muß bei einem Unfall der aus Platz­ gründen sehr klein ausfallende Druckgasbehälter mit Gas unter hohem Druck innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne den Airbag aufblasen können.

Dickwandige Berstscheiben werden üblicherweise vorgekerbt, um die geforderte schnelle Zerstörbarkeit zu ermöglichen. Allerdings nimmt aufgrund der Kerbwirkung die Druckwechselbelastbarkeit des Behälters erheblich ab. Die Gefahr eines ungewollten Berstens der Berstscheibe steigt somit.

Berstscheiben werden üblicherweise durch eine schweißtechnische Verbindung am Behälter befestigt. Durch diesen Fügeprozeß können zusätzlich unerwünschte Kerben in der Berstscheibe entstehen, die ebenfalls zu einer Einschränkung der Druckwechsel­ belastbarkeit und/oder Dauerfestigkeit führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Behälter der eingangs genannten Art aufzuzeigen, der die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Insbesondere soll der Behälter eine hohe Dauerfestigkeit und Druckwechselbelastbar­ keit aufweisen, andererseits soll er aber auch eine schnelle und definierte Zerstörung der Berstscheibe im gewollten Funktionsfall und gegebenenfalls einen hohen Volumen­ strom des Fluides ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe vorgesehen sind, welche jeweils zumindest einer Behälteröff­ nung zugeordnet und pro Behälteröffnung mit zumindest zwei Öffnungen versehen sind.

Die Erfindung basiert auf der Idee, die dem Behälterdruck ausgesetzten freien Flächen durch Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe, die zwei oder mehrere Öffnungen pro Behälteröffnung aufweisen, zu verkleinern und damit die auf die freien Flächen wirkende Kraft zu verringern.

Durch den erfindungsgemäßen Behälter kann die Dimensionierung der Berstscheibe dünnwandiger ausfallen, weshalb im gewollten Funktionsfall die Berstscheibe ohne Probleme zerstört werden kann. Trotz der möglichen Verwendung einer dünnwan­ digeren Berstscheibe kann aber der Druckbehälter mit höherem Druck gefüllt sein. Durch die Erfindung erhöht sich also einerseits die Dauerfestigkeit des Behälters, andererseits kann die Funktionsfähigkeit für die gewollte Zerstörung der Berstscheibe aufgrund der durch die Erfindung ermöglichten Verringerung der Wanddicke der Berstscheibe einfacher und dennoch zuverlässig gewährleistet werden. Die Zerstö­ rungszeit der Berstscheibe kann besser festgelegt werden. Die erforderliche Energie zur Zerstörung der Berstscheibe kann geringer ausfallen.

Die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe können auf der dem Behälterin­ nenraum zugewandten Seite der Berstscheibe angeordnet sein. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, um die auf die freien Flächen der Berstscheibe wirkenden Druckkräfte möglichst gering zu halten, daß die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe neben ihren Öffnungen mit der Berstscheibe verbunden sind.

Eine solche Verbindung zwischen Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe ist jedoch nicht erforderlich, wenn die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe auf der dem Behälteraußenraum zugewandten Seite der Berstscheibe angeordnet sind. Diese Anordnung wird daher bevorzugt verwendet.

Die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe können hinsichtlich ihrer Form beliebig ausgestaltet sein. Besonders geeignet sind jedoch Stütz- oder Haltescheiben und/oder Stütz- oder Haltegitter als Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe.

Die Form der zumindest zwei Öffnungen in den Mitteln zum Stützen oder Halten der Berstscheibe ist grundsätzlich frei wählbar. Aufgrund der leichteren Herstellbarkeit werden jedoch kreisförmige, rechteckige, insbesondere quadratische oder rautenför­ mige, schlitzförmige Öffnungen und Kombinationen der genannten Öffnungsformen bevorzugt.

Weitere Vorteile sind mit dem erfindungsgemäßen Behälter zu erzielen, wenn die Öffnungen in den Mitteln zum Stützen oder Halten der Berstscheibe hinsichtlich ihrer Geometrie derart ausgestaltet sind, daß das Strömungsverhalten des ausströmenden Fluides gesteuert und/oder optimiert werden kann. So kann der Volumenstrom durch die Geometrie der Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe beeinflußt und daher optimiert werden. Es kann beispielsweise die Geschwindigkeit und/oder die Ausströmzeit des ausströmenden Fluides genauer vorbestimmt werden. Dadurch kann ein schnelles und definiertes Ausströmen unterstützt werden.

Sowohl die Berstscheibe als auch die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe können aus metallischen Werkstoffen, die Eisen- und/oder Nichteisenmetalle enthalten, aus Kunststoffen, aus Keramiken, aus Gläsern und/oder aus Verbundwerkstoffen bestehen. Als eisenhaltige Werkstoffe werden bevorzugt unlegierte, niedriglegierte Stähle eingesetzt.

In Ausgestaltung der Erfindung können die Berstscheibe und die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe aus verschiedenartigen Werkstoffen oder Werkstoffkom­ binationen bestehen. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Berstscheibe und die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe auf das unter Druck stehende Medium gezielt angepaßt werden, beispielsweise in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit. Durch die an den speziellen Anwendungsfall angepaßte Wahl der Werkstoffe für die Berstscheibe und für die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe kann auch bei hohen Anforderungen hinsichtlich der Dauerfestigkeit die sichere Funktionsfähigkeit der Berstscheibe bei der gewollten Zerstörung leichter erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Behälters kann die Berstscheibe und/oder die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe formschlüssig, insbeson­ dere durch Schweiß oder Klebeverbindung, und/oder kraftschlüssig, insbesondere durch Schraubverbindung, mit dem Behälterkörper verbunden sein. Durch die erfin­ dungsgemäß vorgesehenen Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe sind zusätzliche Möglichkeiten gegeben, die Verbindung zwischen Berstscheibe und Druck­ behälter einfacher zu realisieren. Dies ist unabhängig davon, ob die Verbindung form­ schlüssig oder kraftschlüssig vorliegt. Mit besonderem Vorteil werden die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe direkt am Behälterkörper befestigt. Die Berst­ scheibe kann dabei lediglich durch die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe auf die Behälteröffnung druckdicht gepreßt werden, ohne selbst am Behälter befestigt sein zu müssen.

Die Berstscheibe muß nicht die gleichen Abmessungen wie die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe aufweisen. Vielmehr genügt es, wenn die Berstscheibe oder auch mehrere Berstscheiben die Öffnungen in den Mitteln zum Stützen oder Halten der Berstscheibe abdecken. Besonders kleine Berstscheiben können verwendet werden, wenn lediglich die Öffnungen in den Mitteln zum Stützen oder Halten der Berstscheiben abgedeckt werden.

Die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe können aus einem Teil oder aus mehreren Teilen gefertigt sein. Es kann auch eine Kombination von Stütz- oder Halte­ scheibe mit Stütz- oder Haltegitter eingesetzt werden. So könne beispielsweise die Mittel zum Stützen oder Halten der Berstscheibe aus einem vorgefertigtem Gitter und aus einer Lochscheibe, welche dieses Gitter hält, bestehen. Insbesondere bei größeren Öffnungen in den Mitteln zum Stützen oder Halten der Berstscheibe können diese Öffnungen mit einem oder mehreren kleineren Gittern versehen sein.

Prinzipiell können mechanische und/oder pyrotechnische Mittel zur Zerstörung der Berstscheibe vom Außen- oder vom Innenraum des Behälters aus vorgesehen sein. Bevorzugt werden jedoch aufgrund der vereinfachten Bauweise mechanische und/oder pyrotechnische Mittel zur Zerstörung der Berstscheibe, die vom Außenraum des Behäl­ ters auf die Berstscheibe wirksam werden.

Die erfindungsgemäßen Behälter eignen sich insbesondere zur Absicherung und/oder zum Verschluß von Druckgasbehältern. Die Erfindung kann jedoch ebenso zur Ab­ sicherung und/oder zum Verschluß von Flüssigkeitsbehältern eingesetzt werden. In besonderem Maße eignen sich die erfindungsgemäßen Behälter jedoch als Airbag- Gasgeneratoren. Diese Druckgasbehälter sind beispielsweise mit Edelgas wie Argon unter hohem Druck von etwa 250 bar gefüllt.

Die Erfindung löst auf einfache Art und Weise die sicherheits- und fertigungstechni­ schen Probleme des Standes der Technik.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einzelner Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert:

Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Behälters mit Stützscheibe,

Fig. 2 eine Stützscheibe mit kreisförmigen Öffnungen und

Fig. 3 eine Stützscheibe mit quadratischen Öffnungen.

Der in Fig. 1 dargestellte Druckbehälter 1 weist einen Behälterkörper 2 und eine Behälteröffnung 3 auf. Die Behälteröffnung 3 ist druckdicht durch die Berstscheibe 4 geschlossen. Auf der Berstscheibe 4 des in Fig. 1 dargestellten Druckbehälters 1 ist erfindungsgemäß eine Stützscheibe 5 auf der dem Behälteraußenraum zugewandten Seite der Berstscheibe 4 angeordnet. Die Stützscheibe 5 enthält mehrere Öffnungen 6.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer in Fig. 1 dargestellten Stützscheibe 5 in Aufsicht und im Schnitt (Schnittlinie A-A) gezeigt. Die kreisförmige Stützscheibe 5 enthält 7 rotationssymmetrisch angeordnete Öffnungen 6a. Diese Öffnungen 6a sind kreisförmig ausgebildet.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stützscheibe 5 in Aufsicht und Schnitt abgebildet. Die ebenfalls kreisförmige Stützscheibe 5 enthält 7 quadratische Öffnungen 6b, die spiegelsymmetrisch zur Schnittlinie B-B angeordnet sind.

Claims (15)

1. Behälter (1) zum Speichern von Fluiden unter Druck, welcher einen Behälterkörper (2) mit zumindest einer Behälteröffnung (3) zum Befüllen und/oder zur Entnahme des Fluides umfaßt, wobei die zumindest eine Behälteröffnung (3) nach Befüllen des Behälters durch zumindest eine Berstscheibe (4) im wesentlichen druckdicht geschlossen und/oder gesichert ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) vorgesehen sind, welche jeweils zumindest einer Behälteröffnung (3) zugeordnet und pro Behälteröffnung (3) mit zumindest zwei Öffnungen (6) versehen sind.

2. Behälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Behälter­ außenraum zugewandten Seite der Berstscheibe (4) die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) angeordnet sind.

3. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) eine Stütz- oder Halte­ scheibe (5) und/oder ein Stütz- oder Haltegitter umfassen.

4. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Öffnungen (6) in den Mitteln (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) kreisförmig (6a), rechteckig, insbesondere quadratisch (6b) oder rautenförmig, oder schlitzförmig oder in einer Kombinationen der genannten Formen ausgebildet sind.

5. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) in den Mitteln (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) hin­ sichtlich ihrer Geometrie derart ausgestaltet sind, daß das Strömungsverhalten des ausströmenden Fluides gesteuert und/oder optimiert wird.

6. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe (4) und/oder die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) aus metallischen Werkstoffen, die Eisen und/oder Nichteisenmetalle enthalten, aus Kunststoffen, aus Keramiken, aus Gläsern und/oder aus Verbundwerkstoffen bestehen.

7. Behälter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe (4) und/oder die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) aus metalli­ schen Werkstoffen, die Eisen enthalten, aus unlegiertem, niedriglegiertem oder hochlegiertem Stahl bestehen.

8. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe (4) und die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) aus verschiedenartigen Werkstoffen oder Werkstoffkombinationen bestehen.

9. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe (4) und/oder die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) formschlüssig, insbesondere durch Schweiß- oder Klebeverbindung, und/oder kraftschlüssig, insbesondere durch Schraubverbindung, mit dem Behälterkörper (2) verbunden sind.

10. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) direkt am Behälterkörper (2) befestigt sind.

11. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstscheibe (4) am Behälterkörper (2) und/oder an den Mitteln (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheibe (4) befestigt ist.

12. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälteröffnung (3) durch mehrere Berstscheiben (4) und durch die Mittel (5) zum Stützen oder Halten der Berstscheiben (4) geschlossen und/oder gesichert ist.

13. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Berstscheiben (4) lediglich die Öffnungen (6) in den Mitteln (5) zum Stüt­ zen oder Halten der Berstscheiben (4) abdecken.

14. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische und/oder pyrotechnische Mittel zur Zerstörung der Berstscheibe (4) vom Außen- oder Innenraum des Behälters aus vorgesehen sind.

15. Behälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er als Druckgasbehälter, insbesondere als Druckgasbehälter zum Befüllen eines Airbags, ausgebildet ist.