DE19711844B4

DE19711844B4 - Verfahren zum Herstellen eines Druckgasbehälters

Info

Publication number: DE19711844B4
Application number: DE1997111844
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Kroschel; Heiner Dipl.-Ing. Jelenak; Helmut von Dipl.-Ing. Dr. Brachel
Original assignee: METALL SPEZIALROHR GmbH; METALL-SPEZIALROHR GmbH
Current assignee: METALL-SPEZIALROHR GMBH, 58239 SCHWERTE, DE
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: DE19711844A1; WO1998043013A1; AU7036098A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Druckgasbehälters zum Speichern und Transportieren von Gasen – vorzugsweise Atemgas –
a. mit einem dünnwandigen metallischen Innenbehälter (10), und,
b. einem den Innenbehälter (10) umgebenden Mantel (25)
c. aus gewickeltem Fasermaterial,
d. wobei der Innenbehälter (10) aus zwei Teilen (10a, 10b) zusammengefügt ist und
e. die Teile (10a, 10b) jeweils aus Blech ausgeschnittenen Ronden
f. im Drückwalzverfahren gedrückt werden,
g. wobei dann die im Wesentlichen gleichen, topfartigen Teile (10a, 10b) jeweils einen Boden in Form einer Kalotte (11, 13) aufweisen,
h. die Wandstärke von der Kalottenmitte zum Bereich des maximalen Durchmessers um 50% bis 90% abnimmt und
i. die Kalotten (11,13) jeweils an ihrem Pol halbkugelförmig oder als Klöpperböden ausgeführt sind,
j. wobei eine Kalotte (11) verschlossen ist und
k. eine Kalotte (13) mit einem Anschlussstück (18) versehen wird,
l. wobei zur Anbringung des...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckgasbehälters zum Speichern und Transportieren von Gasen, vorzugsweise Atemgas.

Zur Lagerung und zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische werden Druckgasbehälter aus Stahl verwendet, die im Warm-Umformungsverfahren nahtlos hergestellt werden, wobei der Flaschenhals im Spinning-Verfahren angeformt und der Ventilsitz spangebend eingebracht 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 Sauerstoff-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 Innenbehälter ist zweiteilig hergestellt. Er besteht aus einer ersten Kalotte mit einem angeformten Zylinderteil und einer zweiten Kalotte, die an die Öffnung des Zylinderteils angeschweißt ist. Der erste Teil des Innenbehälters wird aus einem spangebend vorgefertigten Rohteil im zylindrischen Teil durch Fließformen hergestellt, wobei die Wandstärke sich von der Kalotte zum zylirdrischen Teil hin verringert. Die zweite Kalotte wird ebenfalls spangebend hergestellt, wobei ihre Wandstärke 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 Stabilität durch den äußeren Mantel aus Faserverbundstoff aufgebracht wird.

Die Schwachpunkte der bekannten Faser-Verbundstoff-Flaschen sind die Anschlußstutzen, die dem Behälter einstückig angeformt sind, sowie die Herstellung des Innenbehälters aus zwei unterschiedlichen Behälterteilen, die nach verschiedenen aufwendigen Verfahren hergestellt werden. Außerdem wird keine signifikante Gewichtseinsparung erreicht. Schließlich ist auch die Erosionsfestigkeit eingeschränkt. Außen auf den Mantel aufgetragene Kennzeichnungen, d.h. aufgedruckte Beschriftungen oder Farbgebungen, sind nicht dauerhaft fest.

Aus der DE 27 19 948 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Druckbehältern bekannt, bei dem ausgehend von Ronden im Fließpresssverfahren Behälterhälften hergestellt werden. Diese Behälterhälften werden dann an den offenen Seiten zur Bildung fertiger Behälter miteinander verschweißt. Nachteilig können bei diesem Verfahren nur schwere Behälter hergestellt werden, da deren zylindrische Wandstärke der Bodenwandstärke entspricht. Weiterhin wird beim Schweißen durch den Wärmeeintrag das Material geschwächt.

Die EP 0 410 884 B1 lehrt die Wandstärke des zylindrischen Bereichs eines metallischen Innenbehälters über seine gesamte Länge durch Fließformen auszudünnen. Bei dieser Ausführung wird wenigstens eine Fügestelle an den Übergang zum Boden verlagert. Diese Ausbildung erfordert eine Verstärkung der Fügestelle durch einen Rezess am Boden. Der vorstehend beschrieben hergestellte Innenbehälter wird dann durch einen Mantel aus gewickeltem Fasermaterial umgeben und bildet so einen Druckgasbehälter. Diese Ausbildung birgt jedoch die Gefahr des Anschneidens der Fasern an den Rezessen.

Um den vorstehend beschriebenen Nachteil auszugleichen lehrt die US 5 018 638 A einen einstückig hergestellten Innenbehälter aus Metall einzusetzen. Die Herstellung eines derartigen Innenbehälters ist jedoch nicht wirtschaftlich zu gestalten.

Die WO 94/23241 A1 lehrt wegen aller vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten für faserumwickelte Druckgasbehälter, anstatt eines Innenbehälters aus Metall einen derartigen aus thermoplastischem Kunststoff zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines leichtgewichtigen Druckgasbehälters mit einem metallischen Innenbehälter zu schaffen, mit dem der Druckgasbehälter auf ein fachere Weise kostengünstiger und damit wirtschaftlicher hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei besteht der Druckgasbehälter aus einem sehr dünnwandigen Innenbehälter aus Metall, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, der aus zwei nahezu gleichen, topfartigen Hälften, die im Drückwalzverfahren hergestellt und stumpf zusammengeschweißt werden. Der Innenbehälter soll lediglich die Gasdichtheit gewährleisten, 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 hergestellt werden und bei seiner Montage gelangen keine Späne und andere Fremdstoffe in den Behälter. Die Montage des Anschlußstückes kann erfolgen, bevor die beiden Behälterteile des Innenbehälter miteinander verbunden werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung haben die topfartigen Kalotten des Innenbehälters einander gleiche Form und können jeweils an ihrem Pol eine nach außen gerichtete Ausformung aufweisen, wobei die Ausformung 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. Zunächst ist die Ausformung jeder der beiden Kalotten geschlossen. Eine der Ausformungen wird anschließend aufgeschnitten, um die Öffnung für die Montage des Anschlußstückes 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 Innenbehälters sehr zu vereinfachen, indem lediglich ein einziges Teil hergestellt wird, das paarweise zur Bildung eines Innenbehälters zusammengesetzt wird.

Vorzugsweise ist der Mantel zum Schutz gegen Beschädigungen mit einer Schutzschicht umgeben, die aus einem Polyurethan-Lack, Polyurethan-Gießharz oder einem thermoplastischen 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 hindurch 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 Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In der Zeichnung ist ein Druckgasbehälter im Längsschnitt 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 anschließenden zylindrischen Behälterteil 12 und einer Kalotte 13, die im Polbereich eine Öffnung 14 aufweist. Der Innenbehälter 10 ist aus zwei gleichen Hälften 10a, 10b hergestellt, 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 aufweist. Bei der Kalotte 13 ist die Wand oberhalb des Ringkragens 17 zur Bildung der Öffnung 14 für die Aufnahme des Anschlußstückes 20 abgeschnitten, so daß eine vergrößerte, für das Löten erforderliche Verbindungszone 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 Wandstärke ausreicht, um dem Innendruck des Behälters standzuhalten, ist sie im Bereich des zylindrischen Behälterteils 12 stark reduziert.
Die Herstellung der beiden Behälterteile 10a, 10b erfolgt durch Drückwalzen. Nach diesem Verfahren ist eine präzise Umformung mit degressiv verlaufender Wandstärke bis auf ein Zehntel Millimeter im zylindrischen Behälterbereich 12 möglich. Bei einem 6- bis 8-l-Druckgasbehälter 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 Anschlußstück 18 eingesetzt, das als separates Teil hergestellt 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 versehen, welche durch eine dem Flansch 19 zugewandte Ringschulter 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 Anschlußstücks 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 eingeschweißt. 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 Vinylharzen 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 Mantels 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 Gebrauchsgasdrücke und die geforderten Sicherheiten stützen.
Auf den Mantel 25, der danach eine Schichtstärke von mehreren Millimetern hat, wird die erforderliche Kennzeichnung 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 thermoelastisches Polyurethan eingesetzt werden.
Die Kennzeichnung kann erfindungsgemäß auch nach Aufbringung 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 Umspritzen mit einem transparenten Thermoplast, vorzugsweise auf Polyurethan-Basis, erfolgen.
Hierbei sind dann allerdings erhebliche Formkosten erforderlich, so daß sich diese Art der Beschichtung erst ab bestimmten Stückzahlen wirtschaftlich durchführen läßt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Druckgasbehälters zum Speichern und Transportieren von Gasen – vorzugsweise Atemgas – a. mit einem dünnwandigen metallischen Innenbehälter (10), und, b. einem den Innenbehälter (10) umgebenden Mantel (25) c. aus gewickeltem Fasermaterial, d. wobei der Innenbehälter (10) aus zwei Teilen (10a, 10b) zusammengefügt ist und e. die Teile (10a, 10b) jeweils aus Blech ausgeschnittenen Ronden f. im Drückwalzverfahren gedrückt werden, g. wobei dann die im Wesentlichen gleichen, topfartigen Teile (10a, 10b) jeweils einen Boden in Form einer Kalotte (11, 13) aufweisen, h. die Wandstärke von der Kalottenmitte zum Bereich des maximalen Durchmessers um 50% bis 90% abnimmt und i. die Kalotten (11,13) jeweils an ihrem Pol halbkugelförmig oder als Klöpperböden ausgeführt sind, j. wobei eine Kalotte (11) verschlossen ist und k. eine Kalotte (13) mit einem Anschlussstück (18) versehen wird, l. wobei zur Anbringung des Anschlussstücks (18) die Kalotte (13) zur Bildung einer Öffnung (14) ausgebohrt oder an ihrem Pol abgeschnitten wird, und m. wobei die Teile (10a, 10b) in der Mitte mittels Schweißen stumpf gegen einander stoßend miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (10) aus Aluminium oder rostfreiem, antimagnetischem Stahl, der auch im kaltverfestigten Zustand nicht magnetisierbar ist, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenbehälter (10) und dem Mantel (25) ein Haftvermittler vorgesehen wird, der eine vollflächige porenfreie Bindung zwischen diesen Teilen gewährleistet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (25) zum Schutz gegen Beschädigungen mit einer Beschichtung (26) bedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Mantel (25) eine Beschriftung bzw. Farbgebung zur Identifikation des Behälters aufgetragen wird und dass die den Mantel (25) bedeckende Beschichtung (26) transparent ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (25) mit einer Faserorientierung in Wickelrichtung von ± 10° bis 20° als Polwicklung aufgetragen wird und im zylindrischen Bereich (12) zusätzlich durch umfangsmäßige oder schraubenförmig verlaufende Wicklungen verstärkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (25) in mehreren Lagen mit einer Faserorientierung von 0° bis 90° aufgetragen wird – vorzugsweise in drei bis vier Lagen – wobei die Faserorientierung der Axiallage bei 10° bis 20° liegt und die Orientierungen der anderen Lagen um jeweils 15° bis 30° ansteigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (10a, 10b) des Innenbehälters (10) aus einer aus Blech ausgeschnittenen Ronde zu einem Napf gezogen und im Drückwalzverfahren abgestreckt werden.