DE19711844A1 - Druckgasbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter zum Spei­ chern und Transportieren von Gasen, vorzugsweise Atem­ gas.

Zur Lagerung und zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische werden Druckgasbehälter aus Stahl verwen­ det, die im Warm-Umformungsverfahren nahtlos herge­ stellt werden, wobei der Flaschenhals im Spinning-Ver­ fahren angeformt und der Ventilsitz spangebend einge­ bracht wird. Zum Schutz gegen korrosive Medien werden diese Druckgasbehälter galvanisch verzinkt und außen mehrschichtig lackiert. Die zur Speicherung von Gasen unter hohem Druck von 200 oder 300 bar erforderliche Wanddicke führt bei Stahlbehältern zu hohen Gewichten. Der Einsatz solcher Behälter als Atemluft- oder Sauer­ stoff-Flasche bei Bergungs- und Rettungseinsätzen ist durch das hohe Gewicht von erheblichem Nachteil.

Aus EP 0 410 884 B1 ist ein Druckgasbehälter bekannt, der einen im zylindrischen Bereich dünnwandigen metal­ lischen Innenbehälter aufweist, welcher außen mit einem Mantel aus Faserverbundwerkstoff umgeben ist. Der In­ nenbehälter ist zweiteilig hergestellt. Er besteht aus einer ersten Kalotte mit einem angeformten Zylinderteil und einer zweiten Kalotte, die an die Öffnung des Zy­ linderteils angeschweißt ist. Der erste Teil des Innen­ behälters wird aus einem spangebend vorgefertigten Roh­ teil im zylindrischen Teil durch Fließformen herge­ stellt, wobei die Wandstärke sich von der Kalotte zum zylindrischen Teil hin verringert. Die zweite Kalotte wird ebenfalls spangebend hergestellt, wobei ihre Wand­ stärke sich ebenfalls zum offenen Ende hin verringert. Der Innenbehälter hat im wesentlichen die Funktion, die Gasdichtigkeit des Druckgasbehälters zu gewährleisten, während ein wesentlicher Teil der mechanischen Stabili­ tät durch den äußeren Mantel aus Faserverbundstoff auf­ gebracht wird.

Die Schwachpunkte der bekannten Faser-Verbundstoff-Fla­ schen sind die Anschlußstutzen, die dem Behälter ein­ stückig angeformt sind, sowie die Herstellung des In­ nenbehälters aus zwei unterschiedlichen Behälterteilen, die nach verschiedenen aufwendigen Verfahren herge­ stellt werden. Außerdem wird keine signifikante Ge­ wichtseinsparung erreicht. Schließlich ist auch die Erosionsfestigkeit eingeschränkt. Außen auf den Mantel aufgetragene Kennzeichnungen, d. h. aufgedruckte Be­ schriftungen oder Farbgebungen, sind nicht dauerhaft fest.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leicht­ gewichtigen Druckgasbehälter zu schaffen, der auf ein­ fachere Weise kostengünstiger und damit wirtschaftli­ cher hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter besteht aus einem sehr dünnwandigen Innenbehälter aus Metall, vorzugswei­ se aus nichtrostendem Stahl, der aus zwei nahezu glei­ chen, topfartigen Hälften, die im Drückwalzverfahren hergestellt sind und stumpf zusammengeschweißt werden. Der Innenbehälter soll lediglich die Gasdichtheit ge­ währleisten, nicht jedoch ausgelegt sein, um Drücke aufnehmen zu können. Dieser Innenbehälter ist mit einem Mantel aus gewickeltem Fasermaterial umgeben, der dem Druckgasbehälter die mechanische Festigkeit verleiht, um den geforderten Belastungen für Gebrauchsgasdrücke von bis zu 300 bar standzuhalten. Das Anschlußteil des Druckgasbehälters ist erfindungsgemäß als separates Teil ausgebildet, das in die Öffnung einer Kalotte des Innenbehälters eingeschweißt ist. Das Anschlußstück, das mit einem Gewinde versehen ist, kann separat herge­ stellt werden und bei seiner Montage gelangen keine Späne und andere Fremdstoffe in den Behälter. Die Mon­ tage des Anschlußstückes kann erfolgen, bevor die bei­ den Behälterteile des Innenbehälter miteinander verbun­ den werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung haben die topfartigen Kalotten des Innenbehälters einander glei­ che Form und können jeweils an ihrem Pol eine nach au­ ßen gerichtete Ausformung aufweisen, wobei die Ausfor­ mung der einen Kalotte zur Bildung der Öffnung für das Anschlußstück ausgeschnitten ist. Dies ermöglicht es, die beiden topfartigen Kalotten in gleicher Weise unter Verwendung des gleichen Werkzeugs herzustellen. Zu­ nächst ist die Ausformung jeder der beiden Kalotten geschlossen. Eine der Ausformungen wird anschließend aufgeschnitten, um die Öffnung für die Montage des An­ schlußstückes zu schaffen. Die andere Ausformung bleibt geschlossen und wird später in den Fasermaterialmantel eingebettet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Innenbehälter aus zwei gleichen Teilen, die stumpf gegeneinanderstoßend in der Mitte durch Löten oder vorzugsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht es, die Herstellung des Innenbe­ hälters sehr zu vereinfachen, indem lediglich ein ein­ ziges Teil hergestellt wird, das paarweise zur Bildung eines Innenbehälters zusammengesetzt wird.

Vorzugsweise ist der Mantel zum Schutz gegen Beschädi­ gungen mit einer Schutzschicht umgeben, die aus einem Polyurethan-Lack, Polyurethan-Gießharz oder einem ther­ moplastischen Polyurethan besteht und eine gesamte Schichtdicke, die aus mehreren Einzelschichten bestehen kann, von 0,5 bis 2 mm hat. Diese Beschichtung ist zweckmäßigerweise durchsichtig, so daß durch sie hin­ durch Aufdrucke, die auf dem Mantel angebracht sind, lesbar sind. Die Schutzschicht schützt nicht nur den Mantel selbst, sondern auch die Kennzeichnung.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Fi­ gur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Druckgasbehälter im Längs­ schnitt dargestellt.

Der Druckgasbehälter weist einen Innenbehälter 10 aus Aluminium, rostfreiem, amagnetischem bzw. aushärtbarem Edelstahl auf. Dieser Innenbehälter besteht aus einer geschlossenen Kalotte 11, einem sich daran anschließen­ den zylindrischen Behälterteil 12 und einer Kalotte 13, die im Polbereich eine Öffnung 14 aufweist. Der Innen­ behälter 10 ist aus zwei gleichen Hälften 10a, 10b her­ gestellt, die in der Mitte durch eine Schweiß- oder Lötnaht 15, vorzugsweise Laser-Schweißnaht, miteinander verbunden sind. Jede Kalotte kann in ihrem Polbereich mit einer nach außen gerichteten runden Ausformung 16 versehen sein, die einen umlaufenden Ringkragen 17 auf­ weist. Bei der Kalotte 13 ist die Wand oberhalb des Ringkragens 17 zur Bildung der Öffnung 14 für die Auf­ nahme des Anschlußstückes 20 abgeschnitten, so daß eine vergrößerte, für das Löten erforderliche Verbindungs­ zone zwischen der Kalotte 13 und dem Anschlußstück 20 entsteht.

Die Kalotte 13 kann aber auch ohne Ausformung 16 in angenäherter Halbrundform ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Anschlußstück 20 bei der somit geringeren Verbindungszone eingeschweißt.

Die Wandstärke des Innenbehälters ist im Bereich der Ausformungen 16 am größten und sie nimmt im Bereich der Kalotte 11 bzw. 13 mit zunehmender Annäherung an den Kalottenrand stetig ab. Die Abnahme der Wandstärke von der Kalottenmitte zum äußeren zylindrischen Durchmesser beträgt mehr als 50% und kann vorzugsweise bis zu 90% betragen. Während also in der Kalottenmitte die Wand­ stärke ausreicht, um dem Innendruck des Behälters standzuhalten, ist sie im Bereich des zylindrischen Behälterteils 12 stark reduziert.

Die Herstellung der beiden Behälterteile 10a, 10b er­ folgt durch Drückwalzen. Nach diesem Verfahren ist eine präzise Umformung mit degressiv verlaufender Wandstärke bis auf ein Zehntel Millimeter im zylindrischen Behäl­ terbereich 12 möglich. Bei einem 6- bis 8-l-Druckgasbe­ hälter sollte die Wanddicke im zylindrischen Bereich ca. 0,3 bis max. 0,8 mm betragen. Nachdem auf diese Weise die beiden Behälterteile hergestellt wurden, wird bei dem Behälterteil 10b durch Abschneiden des Bodens eine Öffnung für die Aufnahme des Anschlußstückes 18 erzeugt, das von dem Ringkragen 17 umgeben sein kann. In diese Öffnung wird von der Innenseite her das An­ schlußstück 18 eingesetzt, das als separates Teil her­ gestellt ist und aus dem gleichen Werkstoff wie die Kalotte besteht. Das Anschlußstück 18 weist einen Flansch 19 auf, von dem ein Gewindestutzen 20 absteht, welcher mit einem Innengewinde 21 versehen ist. Der Flansch 19 ist der Innenkontur der Kalotte 13 angepaßt und in die Kalotte eingelötet oder -geschweißt. Das Anschlußstück 20 ist außen mit einer Eindrehung verse­ hen, welche durch eine dem Flansch 19 zugewandte Ring­ schulter 22 begrenzt wird. In diese Eindrehung ist der Ringkragen 17 eingepreßt, wobei der Ringkragen sich einerseits an dem Flansch 19 und andererseits an der Schulter 22 abstützt und axiale Belastungen des An­ schlußstücks aufnimmt.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung ist gegeben, wenn die Kalotte ohne Ausformung 16 hergestellt wird. In diesem Fall wird das Anschlußstück 18 mit einem Flansch 19 in die hierfür vorgesehene Öffnung einge­ schweißt. Der Außendurchmesser des Flansches 19 ist auf die Öffnung in der Kalotte abgestimmt. Die Justierung wird lediglich durch eine kleine Fase, die über den Flansch hinaussteht, erreicht.

Da der dünnwandige Innenbehälter 10 mit hoher Dehnung keine hohen Druckbelastungen aufnehmen kann, ist er mit einem Mantel 25 aus gewickeltem Fasermaterial umgeben. Als Fasern eignen sich Kohlenstoff-, Aramid- oder auch Glasfasern, die in einem Laminat auf Epoxid- oder Vi­ nylharzen eingebettet sind. Der den hohen Innendruck aufnehmende Mantel 25 besteht aus gewickelten Lagen mit nahezu axial verlaufenden Fasern - vorzugsweise unter ± 10° bis 20° - die mit radial verlaufenden Lagen - vorzugsweise im zylindrischen Bereich 12 - unterstützt bzw. überdeckt und verstärkt sind. Die Faserschichten können auch in mehreren mit Faserorientierungen von nahezu 0° bis 90° verlegt werden.

Damit eine homogene und porenfreie Verbindung des Man­ tels 25 mit dem Innenbehälter 10 gegeben ist, wird auf den Innenbehälter 10 ein Haftvermittler aufgetragen, bevor der Mantel 25 aufgebracht wird.

Die Wanddicke des Mantels 25 und die Ausrichtung der Fasern ergeben sich aus wissenschaftlichen Berechnungen nach Camis und Puck, die sich auf die Gebrauchsgas­ drücke und die geforderten Sicherheiten stützen.

Auf den Mantel 25, der danach eine Schichtstärke von mehreren Millimetern hat, wird die erforderliche Kenn­ zeichnung durch Bedruckung aufgebracht. Dann wird der Mantel 25 mit durchsichtigen Beschichtungen 26 bedeckt, die eine gesamte Schichtstärke von 0,5 bis 2 mm haben. Diese Beschichtung 26 besteht aus Polyurethan-Lack, jedoch kann auch ein Gießharz oder ein thermoelasti­ sches Polyurethan eingesetzt werden.

Die Kennzeichnung kann erfindungsgemäß auch nach Auf­ bringung einiger, z. B. zwei oder drei, Beschichtungen erfolgen und dann mit weiteren Beschichtungen überdeckt werden, wenn hierdurch eine bessere Lesbarkeit gegeben ist.

Darüber hinaus kann die Beschichtung auch durch Um­ spritzen mit einem transparenten Thermoplast, vorzugs­ weise auf Polyurethan-Basis, erfolgen.

Hierbei sind dann allerdings erhebliche Formkosten er­ forderlich, so daß sich diese Art der Beschichtung erst ab bestimmten Stückzahlen wirtschaftlich durchführen läßt.

Claims (12)

1. Druckgasbehälter zum Speichern und Transportieren von Gasen - vorzugsweise Atemgas - mit einem dünn­ wandigen metallischen Innenbehälter (10), der aus zwei Teilen (10a, 10b) zusammengefügt ist, und ei­ nem den Innenbehälter (10) umgebenden Mantel (25) aus gewickeltem Fasermaterial, wobei der Innenbe­ hälter (10) zwei im wesentlichen topfartige Teile mit halbkugelförmigem kalottenartigem Boden (11, 13) aufweist, von denen einer mit einem An­ schlußstück (18) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (18) als separates Teil durch eine Öffnung (14) in der betreffenden Kalot­ te hindurchgesteckt und mit einem Flansch oder Bund (19) im Inneren des Innenbehälters (10) ver­ ankert ist, und daß die Öffnung (14) an einer nach außen gerichteten Ausformung (16) der Kalotte (13) angeordnet ist, wobei der Öffnungsrand gegen eine dem Flansch (19) zugewandte Schulter (22) des An­ schlußstückes (18) stößt.

2. Druckgasbehälter nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalot­ ten (11, 13) des Innenbehälters (10) einander glei­ che Form haben und jeweils an ihrem Pol halbkugel­ förmig oder als Klöpperboden ausgeführt sind oder eine nach außen gerichtete Ausformung (16) aufwei­ sen, wobei eine Kalotte (13) zur Bildung einer Öffnung (14) zur Anbringung eines Anschlußstücks (19) unter Beibehaltung eines Ringkragens (17) ausgebohrt ist.

3. Druckgasbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (10) aus zwei gleichen Teilen (10a, 10b) besteht, die in der Mitte stumpf gegeneinanderstoßend miteinander ver­ bunden sind.

4. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Innenbehälters (10) von der Kalottenmitte zum Be­ reich maximalen Durchmessers um 50% bis 90% ab­ nimmt.

5. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformung (16) außen im wesentlichen bündig mit dem Mantel (25) abschließt.

6. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (10) aus Aluminium oder rostfreiem, amagnetischem Stahl, der auch im kaltverfestigten Zustand nicht magnetisierbar ist, besteht.

7. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenbe­ hälter (10) und dem Mantel (15) ein Haftvermittler vorgesehen ist, der eine vollflächige porenfreie Bindung zwischen diesen Teilen gewährleistet.

8. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (25) zum Schutz gegen Beschädigungen mit einer Beschichtung (26) bedeckt ist.

9. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Mantel (25) eine Beschriftung bzw. Farbgebung zur Iden­ tifikation des Behälters aufgetragen ist und daß die den Mantel bedeckende Beschichtung (26) trans­ parent ist.

10. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (25) mit einer Faserorientierung in Wickelrichtung von ± 10 bis 20° als Polwicklung aufgetragen ist und im zylindrischen Bereich (12) zusätzlich durch um­ fangsmäßige oder schraubenförmig verlaufende Wick­ lungen verstärkt ist.

11. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (25) in mehreren Lagen mit einer Faserorientierung von 0° bis 90° aufgetragen ist - vorzugsweise in drei bis vier Lagen - wobei die Faserorientierung der Axiallage bei 10 bis 20° liegt und die Orientie­ rungen der anderen Lagen um jeweils 15° bis 30° ansteigen.

12. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die topfartigen Teile des Innenbehälters aus einer aus Blech ausge­ schnittenen und gezogenen Ronde vorgefertigt und im Drückwalzverfahren abgedeckt wird.