DE202004005680U1

DE202004005680U1 - Deckel für Druckbehälter

Info

Publication number: DE202004005680U1
Application number: DE202004005680U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Comat Composite Materials De GmbH
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2014-04-08

Abstract

1) Deckel aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 5 Millimetern, für Druckbehälter dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Deckelinnenseite Rippen befinden und die Rippenhöhe fünf Millimeter überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Deckel für Druckbehälter, wobei der Deckel aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff besteht. Der Deckel dient dazu ein Rohr zu verschließen, so dass ein Hohlraum zur Speicherung eines Mediums entsteht.
Der faserverstärkte thermoplastische Kunststoff, besteht dabei aus mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 5 Millimetern.
Feste, flüssige und/oder gasförmiger Medien werden üblicherweise in Druckbehältern transportiert, die eine geeignete Diffusionsdichtigkeit gegen Verflüchtigung des Mediums aufweisen und den mechanischen Beanspruchungen durch Innen- bzw. Außendruck sowie den weiteren mechanischen, physikalischen und chemischen Belastungen standhalten.
Die steigenden Anforderungen an die Funktions- und Leistungsfähigkeit moderner Druckbehälter führen oft an die Grenzen des Potentials konventioneller Werkstoffe. In diesen Bereichen eröffnen neue, leistungsfähigere Werkstoffe Möglichkeiten der Produktentwicklung und -optimierung. Bei der Suche nach leichten, hochfesten und biegesteifen Materialien stößt man auf die Faserkunststoffverbunde. Durch geeignete Kombination eines Kunststoffs als Matrix mit hochfesten Fasern als Verstärkung gelangt man zu einem vielseitigen Werkstoff, dem Faserkunststoffverbund. Durch die Wahl eines geeigneten Verstärkungsaufbaus lassen sich, den Anforderungen entsprechend, maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen. Druckbehälter aus Faserkunststoffverbunden stehen herkömmlichen Stahl- oder Aluminiumbehältern hinsichtlich drucktechnischer Eignung in nichts nach, bieten darüber hinaus jedoch entscheidende Vorteile wie geringes Gewicht und vollständige Korrosionsbeständigkeit.
Druckbehälter aus Faserkunststoffverbunden mit duromeren Matrixsystemen sind bekannt und es existiert eine Vielzahl an Patenten.
Als Beispiel sei das Europa Patent EP0810081 A1 „Pressure Vessel and Method of Manufacturing Same" genannt. Hierbei wird beschrieben wie eine geschlossene Hüllschicht, die aus einem Kunststoff besteht, im Fasenrwickelverfahren mit einem Faserkunststoffverbund umhüllt wird. Ein ähnliches Behälterprinzip wird im Europapatent EP0333013 A1 „Pressure Vessels" beschrieben. Auch in diesem Falle wird eine Hüllschicht mit Fasern derart umgeben, daß die Verstärkungshülse den mechanischen Beanspruchungen standhält.
Das internationale Patent WO 92/20954 „glass-fibre-reinforced plastic Container, method and apparatus for manufacturing such Container" beschreibt einen glasfaserverstärkten Behälter und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei sich der Behälter aus zwei Halbschalen zusammensetzt, die im zylindrischen Bereich durch Verkleben miteinander verbunden werden. Die Halbschalen werden im Harzinjektionsverfahren anhand von Formwerkzeugen hergestellt wobei duromere Kunststoffe eingesetzt werden. Aufgrund der Halbschalentechnik ist eine Variation der Behälterlängen nur mit hohem Aufwand (neues Werkzeug) möglich.
Andere bekannte Bauarten sehen den Einsatz von Hülsen aus Faserkunststoffverbund vor, die in Teilbereichen an einer Hüllschicht angeordnet sind wobei die Faserausrichtung der Hülse vornehmlich in Umfangsrichtung erfolgt. Die Hüllschicht nimmt dabei die entstehenden Kräfte in Längsachse des Behälters auf während die Hülse die Kräfte in Umfangsrichtung des Behälters aufnimmt.
Alle bisher bekannten Bauarten und Herstellungsmethoden von Kunststoffdruckbehältern sind entweder zu aufwendig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung, halten den Anforderungen bezüglich Dichtigkeit oder mechanischer Beanspruchungen nicht stand, sind zu schwer oder weisen optisch ungenügende Außenoberflächen auf. Fertigungsbedingt sind zudem bei den meisten Druckbehältern die Anschlüsse zum Be- und/oder Entladen zentrisch am Behälterboden angebracht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Deckel für Druckbehälter derart weiterzubilden, daß die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Deckel mit geringem Eigengewicht und vollständiger Korrosionsbeständigkeit geschaffen werden, der dennoch den mechanischen Beanspruchungen standhält und kostengünstig herzustellen ist, sowie eine optisch ansprechende Außenoberfläche bietet und die Möglichkeit der Anbringung von Anschlüssen an nahezu beliebigen Punkten ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei dem eingangs genannten Deckel dadurch gelöst, dass der Deckel auf der Deckelinnenseite mit Rippen verstärkt ist. Der Deckel besteht aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, wobei mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 5 Millimetern vorliegen. Der Verstärkungseffekt der Rippen wirkt erst signifikant, wenn die Rippen im Rippenverlauf eine Rippenhöhe von fünf Millimeter überschreitet. Die Rippenhöhe ergibt sich dabei jeweils aus dem Abstand zwischen Rippenfuß und Rippenoberkante, gemessen in der Senkrechten zum Rippenfuß.
Der Kunststoff, der zwischen der Faserverstärkung vorliegt, wird als Matrix bezeichnet. Die Matrix des Deckels basiert auf einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyketon (PK), Polyvinylchlorid (PVC), Poly-4-methylpenten-1 (PMP), Polyacetal (Polyoxymethylen, POM), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Styrol/Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polycarbonat (PC) und/oder Acrynitrilbutadienstyrol (ABS) . Die Matrix kann natürlich auch aus anderen oder einer Mischung thermoplastisch basierter Kunststoffe bestehen. Der Matrixwerkstoff kann zudem organische und/oder anorganische Füllmaterialien aufweisen.
Als Verstärkungsfasern können beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polymerfasern, organische Fasern, metallische Fasern und / oder andere Fasertypen Einsatz finden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung befinden sich die Rippen auf der Deckelaußenseite. Der Verstärkungseffekt der Rippen auf der Deckelaußenseite wirkt erst signifikant, wenn die Rippen im Rippenverlauf eine Rippenhöhe von drei Millimeter überschreitet. Die Rippenhöhe ergibt sich dabei jeweils aus dem Abstand zwischen Rippenfuß und Rippenoberkante, gemessen in der Senkrechten zum Rippenfuß.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Teile der Rippen, mit kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff verstärkt. Diese partiellen Verstärkungen bestehen aus mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 20 Millimetern. Vorzugsweise sind die Fasern in die Hauptbelastungsrichtungen der einzelnen Rippen ausgerichtet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Deckel so geformt, dass er ein zylindrisches Rohrende sowohl auf der Rohrinnen- als auch auf der Rohraußenseite umfasst. Dadurch kann der Deckel im Anschlussbereich zum Rohr erheblich kürzer ausgeführt werden, als wenn der Deckel das Rohr nur auf einer Rohrseite umfasst. Beim Fügen des so geformten Deckels mit dem Rohr, wird das Rohrende in den Deckel geschoben und die Luft kann nicht mehr ungehindert aus dem so entstandenem Hohlraum entweichen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist aus diesem Grund mindestens eine Öffnung zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite angebracht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Deckel so geformt, dass der Deckel auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden kann. Auf diese Weise lassen sich Doppelkammer- oder Mehrkammerbehälter fertigen. Der Deckel dient dabei als Trennung zwischen den beiden Kammern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist im Deckel eine Ablassöffnung integriert. Diese Ablassöffnung dient zur nahezu vollständigen Entleerung der Behälter bei horizontalem Einbau. Die Ablassöffnung kann auch in Deckeln integriert sein, die so geformt sind, dass der Deckel auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden kann.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind im Umfang der Deckel, die auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden können, radial ein oder mehrere Anschlüsse integriert. Diese Anschlüsse können zur Entleerung oder zum Be- und Entladen der jeweiligen Behälterkammer dienen.
Besonders vorteilhaft lassen sich die beschriebenen Deckel in Verbindung mit Rohren aus Faserkunststoffverbund mit thermoplastischer Matrix mit langen ausgerichteten Fasern verwenden. Dadurch wird erreicht, daß der Behälter nur ein geringes Eigengewicht aufweist. Weiterhin besteht der Behälter dann aus einer Materialkombination. Neben Verkleben und mechanischer Verbindung können die Deckel dann auch mit dem Rohr verschweißt werden.
Die Deckel können mit guten Außenoberflächen und optisch sehr ansprechend gefertigt werden.
Da thermoplastisch basierte Matrixsysteme zum Einsatz kommen, können die erfindungsgemäßen Deckel, beispielsweise durch Zerkleinerung und Wiedereinschmelzen sehr gut recycliert werden.
In weiterer Ausgestaltung kann der Deckel mit Öffnungen zum Be- und Entladen des Behälters versehen sein.
Die beschriebenen Deckel lassen sich typischerweise für Betriebsdrücke der im Behälter gespeicherten Medien unter 25 Mpa (250 bar), vorzugsweise 0,1 bis 12 MPa (1 bis 120 bar) einsetzen. Der entsprechende Berstdruck entspricht dabei dem mit 1,1 bis 5 multiplizierten Wert des jeweiligen Betriebsdruckes.
Die zu speichernden Medien können Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Propan, Erdgas, Wasserstoff oder aber andere technische Gase oder Flüssigkeiten oder dergleichen sein. Die Erfindung ist auf keine besondere Art von Speichergasen und/oder Flüssigkeiten beschränkt.
Mögliche Verwendungsformen sind in beispielhafter und nicht abschließender Aufzählung die Verwendung als Deckel an Druckgefäßen für Druckluftspeicher in Personen-, Lastkraftwagen, Bussen und Bahnen, als Deckel für Druckgefäß für Feuerlöscher, für Rettungssysteme (zum Beispiel Airbag), für Brenngase, für Wasser, für Filter ect..
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
1 einen schematischen Draufsicht des erfindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer ersten Ausführungsform mit Rippen (2) und Aus- bzw. Einlassöffnungen (3).
2 eine schematische Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer zweiten Ausführungsform mit außenliegenden Rippen (2).
3 eine schematische Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer dritten Ausführungsform mit zusätzlicher Verstärkung (4) in Bereichen der Rippen (2) .
4 schematische Querschnittansichten des erfindungsgemäßen Deckels (1) wobei der Deckel (1) so geformt ist, dass er ein zylindrisches Rohrende sowohl auf der Rohrinnen- als auch auf der Rohraußenseite umfasst. Weiterhin ist eine Öffnungen (5) zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite dargestellt.
5 schematische Querschnittansichten des erfindungsgemäßen Deckels (1) wobei der Deckel (1) so geformt ist, dass er ein zylindrisches Rohrende sowohl auf der Rohrinnen- als auch auf der Rohraußenseite umfasst. Hier ist der Teil der die Rohrinnenseite umfasst kürzer ausgebildet als der Teil, der die Rohraußenseite umfasst. Weiterhin ist eine Öffnungen (5) zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite dargestellt.
6 schematische Querschnittansichten des erfindungsgemäßen Deckels (1) wobei der Deckel (1) so geformt ist, dass er ein zylindrisches Rohrende sowohl auf der Rohrinnen- als auch auf der Rohraußenseite umfasst. Hier ist der Teil der die Rohrinnenseite umfasst länger ausgebildet als der Teil, der die Rohraußenseite umfasst. Weiterhin ist eine Öffnungen (5) zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite dargestellt.
7 eine schematische Querschnittansicht des ertindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer weiteren Ausführungsform wobei der Deckel so geformt ist, dass er auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden kann. Weiterhin ist eine Öffnungen (5) zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite dargestellt.
8 eine schematische Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer weiteren Ausführungsform wobei der Deckel so geformt ist, dass im Deckel eine Ablassöffnung (6) integriert ist.
9 eine schematische Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Deckels (1) gemäß einer weiteren Ausführungsform wobei der Deckel so geformt ist, dass er auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden kann und im Deckel eine oder mehrere Öffnung (6) in radialer Richtung integriert sind. Diese Öffnung/en können sowohl als Ablassöffnung als auch als Be- und/oder Entladeöffnung dienen.

Claims

1) Deckel aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 5 Millimetern, für Druckbehälter dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Deckelinnenseite Rippen befinden und die Rippenhöhe fünf Millimeter überschreitet.

Deckel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Deckelaußenseite Rippen befinden und die Rippenhöhe 3 Millimeter überschreitet.

Deckel nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Rippen, mit kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, bestehend aus mehr als zehn Gewichtsprozent Fasern mit einer Faserlänge über 20 Millimetern, verstärkt sind.

Deckel nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel so geformt ist, dass er ein zylindrisches Rohrende sowohl auf der Rohrinnen- als auch auf der Rohraußenseite umfasst.

Deckel nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnungen zwischen dem Volumen, welches sich zwischen dem Rohrinnen- und dem Rohraußenseitig umfassenden Bereichs des Deckels ergibt und der Deckelaußenseite besteht.

Deckel nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel auf beiden Deckelseiten mit zylindrischen Rohrenden verbunden werden kann.

Deckel nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass im Deckel eine oder mehrere Öffnung in radialer Richtung integriert sind.