DE202006019115U1

DE202006019115U1 - Druckbehälter

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Publication number: DE202006019115U1
Application number: DE200620019115
Authority: DE
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2016-12-20

Abstract

Druckbehälter aus einer Aluminiumlegierung, umfassend einen hohlzylindrischen Abschnitt (2), einen Boden (4) und ein Kopfteil (6) mit einem Ventil (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus einer Al-Legierung der 6xxx-Reihe gemäß der Klassifikation der Aluminum Association besteht, dass der Boden (4) des Druckbehälters (1) eine größere Wanddicke aufweist als der Druckbehälter (1) in seinem hohlzylindrischen Abschnitt (2) und konvex gekrümmt ist und dass zwischen dem Boden (4) und dem hohlzylindrischen Abschnitt (2) des Druckbehälters (1) ein gegenüber dem Krümmungsradius (R₁, R₂) des Bodens (4) mit kleinerem Radius (R₃, R₄) gekrümmter Übergangsabschnitt (8) angeordnet ist, dessen Innenradius (R₃) so gewählt ist, damit durch den Übergangsabschnitt (8) der Innendurchmesser (D_i) des Druckbehälters (1) im Anschlussbereich des Bodens (4) an den Übergangsabschnitt (8) um 40% bis 60% gegenüber dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Abschnitts (2) verringert ist, und dessen Außenradius (R₄) so gewählt ist, dass die Wanddicke von dem Bereich des Anschlusses des...

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus einer Aluminiumlegierung, umfassend einen hohlzylindrischen Abschnitt, einen Boden und ein Kopfteil mit einem Ventil.
Druckbehälter werden unter anderem zur Aufbewahrung von Gasen eingesetzt. Typischerweise werden derartige Druckbehälter aus Stahl hergestellt. Neben Druckbehältern aus Stahl sind auch solche entwickelt worden, die aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Da Aluminiumlegierungen eine geringere Festigkeit als Stahl aufweisen, sind Aluminium-Composite-Druckbehälter entwickelt worden. Bei einem solchen Composite-Druckbehälter dient der Aluminiumkörper als Liner lediglich zur Bereitstellung der notwendigen Gasdichtigkeit. Um die notwendige Druckbeständigkeit zu erreichen, ist der Aluminiumkörper außenseitig mit Kunststoff, beispielsweise GFK oder CFK umwickelt. Da die Druckaufnahme durch den Kunstoffmantel erfolgt, braucht die Wanddicke des Aluminiumkörpers nur gering zu sein. Zwar vermögen derartige Druckbehälter hohen Innendrücken standzuhalten, nachteilig sind jedoch die beträchtlichen Herstellungskosten.
Druckbehälter, wie vorbeschrieben, werden ebenfalls bei gasbetriebenen Kraftfahrzeugen zum Bevorraten des zum Betreiben des Kraftfahrzeuges notwendigen Gases eingesetzt. Aus diesem Grunde müssen die Druckbehälter korrosionsbeständig gegenüber dem eingesetzten Gas sein. Werden derartige Druckbehälter zum Bevorraten von Erdgas eingesetzt, müssen diese gegenüber Erdgas bzw. seinen Bestandteilen korrosionsbeständig sein. Es ist bekannt, dass Druckbehälter aus Aluminium, die den zum Bevorraten von Erdgas üblichen Drücken standhalten, aus einer Aluminiumlegierung des Typs 7xxx gemäß der Klassifikation der Aluminum Association (AA) hergestellt werden. Aluminiumlegierungen des Typs AA 7xxx sind für ihre hohe Festigkeit bekannt. Nachteilig ist bei diesen Legierungen allerdings ihre Korrosionsanfälligkeit, was auch für Erdgas gilt. Daher eignen sich diese Legierungen zum Herstellen von Druckbehältern zum Bevorraten von Erdgas nur dann, wenn die Innenwand des Druckbehälters mit einem gegenüber Erdgas korrosionsbeständigen Material be schichtet ist. Werden derartige Druckbehälter auch im Außenbereich eingesetzt, müssen diese zudem außenseitig eine Korrosionsschicht aufweisen. Das Herstellen derartiger Druckbehälter ist zwar weniger aufwändig als das Herstellen eines Aluminium-Composite-Druckbehälters; jedoch wird dieses immer noch als zu aufwändig angesehen, damit ein solcher Aluminiumdruckbehälter unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als Alternative zu einem Druckbehälter aus Stahl eingesetzt werden könnte.
Es besteht das Bedürfnis nach Aluminiumdruckbehältern als Tanks zum Bevorraten von Erdgas in erdgasbetriebenen Kraftfahrzeugen, da auch Stahlbehälter nicht gänzlich frei von Nachteilen sind. Stahlbehälter müssen in der Regel auch außenseitig gegen Korrosion geschützt werden. Zudem bergen Stahldruckbehälter im Falle eines Unfalles die Gefahr in sich, dass materialbedingt, insbesondere bei einem Zusammenprall Funken generiert werden können. Begründet liegt dieses in den Kohlenstoffgehalten des für solche Druckbehälter eingesetzten Stahls. Die Gefahr einer Entstehung von Funken ist dagegen bei Aluminiumwerkstücken gegenüber Stahlwerkstücken deutlich reduziert. Damit trotz der vorgenannten Nachteile von Stahldruckbehältern ein Aluminiumdruckbehälter konkurrenzfähig ist, muss dieser nicht nur leichtgewichtig sein, sondern soll zumindest annähernd bei gleicher Baugröße dasselbe Gasfüllvolumen aufnehmen können und sollte ebenfalls möglichst kostengünstig hergestellt werden können. Naturgemäß muss bei einem Aluminiumdruckbehälter, damit dieser dem geforderten Innendruck standhält, die Wanddicke stärker ausgebildet sein als bei einem Stahldruckbehälter.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter aus einer Aluminiumlegierung bereitzustellen, der den vorstehend genannten Anforderungen genügt.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Druckbehälter der eingangs genannten Art, der aus einer Al-Legierung der 6xxx-Reihe gemäß der Klassifikation der Aluminum Association besteht und bei dem der Boden des Druckbehälters eine größere Wanddicke aufweist als der Druckbehälter in seinem hohlzylindrischen Abschnitt und konvex gekrümmt ist und dass zwischen dem Boden und dem hohlzylindrischen Ab schnitt des Druckbehälters ein gegenüber dem Krümmungsradius des Bodens mit kleinerem Radius gekrümmter Übergangsabschnitt angeordnet ist, dessen Innenradius so gewählt ist, damit durch den Übergangsabschnitt der Innendurchmesser des Druckbehälters im Anschlussbereich des Bodens an den Übergangsabschnitt um 40% bis 60% gegenüber dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Abschnitts verringert ist, und dessen Außenradius so gewählt ist, dass die Wanddicke von dem Bereich des Anschlusses des Übergangsabschnittes an den hohlzylindrischen Abschnitt sukzessive und kontinuierlich bis in den Bereich des Anschlusses des Bodens an den Übergangsabschnitt auf die Wanddicke des Bodens zunimmt.
Dieser Druckbehälter besteht aus einer Al-Legierung, die gegenüber Erdgas und weiteren äußeren Angriffen korrosionsbeständig ist. Daher benötigt ein solcher Druckbehälter grundsätzlich weder eine zusätzliche Innenseitenbeschichtung noch eine zusätzliche Außenseitenbeschichtung. Besonders bevorzugt ist, wenn es sich bei der Al-Legierung, aus der der Druckbehälter besteht, um eine des Typs Legierung AA 6110A handelt. Zum anderen weist dieser Druckbehälter eine Gestaltung seines verschlossenen Endes auf, die nicht nur den geforderten Innendrücken standhält, sondern dieses auch mit nur geringem Materialeinsatz ermöglicht. Der Druckbehälter ist aufgrund des geringen Materialeinsatzes überdies ausreichend leichtgewichtig. Zudem ist durch die Ausbildung des verschlossenen Endes des Druckbehälters das Innenvolumen gegenüber einem halbkugelförmigen Abschluss vergrößert. Von besonderem Vorteil und überraschend ist, dass ein mit diesen Maßgaben hergestellter Druckbehälter den geforderten Innendrücken standhält, obwohl die Legierungen des Typs AA 6xxx typischerweise geringere statische Festigkeitswerte aufweisen als Legierungen aus der Gruppe AA 7xxx.
Sowohl der Boden als auch der Übergangsabschnitt sind gekrümmt, wobei der Krümmungsradius des Bodens deutlich größer ist als der Krümmungsradius des Übergangsabschnittes. Typischerweise ist der Krümmungsradius des Bodens 2,5- bis 5,5-fach größer als der Krümmungsradius des Übergangsabschnittes. Durch den Übergangsabschnitt soll auf relativ kurzer Strecke bezogen auf seine Längserstreckung der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Abschnittes reduziert werden, um dann in den Bo den mit seinem deutlich größeren Krümmungsradius überzugehen. Eine Reduzierung des Innendurchmessers des Druckbehälters durch den Übergangsabschnitt um 40% bis 60% gegenüber dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Abschnittes gewährleistet, dass der Radius des Übergangsabschnittes nicht zu klein ausfällt, was eine Reduzierung der Innendruckbelastbarkeit des Druckbehälters in diesem Abschnitt zur Folge hätte. Der Übergangsabschnitt dient des Weiteren zum Bereitstellen eines Übergangs von der gegenüber dem Boden dünneren Wanddicke des hohlzylindrischen Abschnitts des Druckbehälters in die größere Wanddicke des Bodens. Aus diesem Grunde ist der Außendurchmesser des Übergangsbereichs so gewählt, dass dieser den vorgenannten Anforderungen genügt. Somit nimmt die Wanddicke im Übergangsabschnitt von seinem Anschluss an den hohlzylindrischen Abschnitt bis zu dem Anschluss des Bodens sukzessiv und kontinuierlich zu. Durch die Ausgestaltung des Übergangsabschnittes und des Bodens in der vorbeschriebenen Art und Weise lässt sich dieser Bereich des Druckbehälters mit nur geringem Materialeinsatz herstellen, wobei dennoch gewährleistet ist, dass der Druckbehälter dem geforderten Innendruck standhält.
Maßgeblich für die Wanddickenbemessung ist der vorgesehene Außendurchmesser des Druckbehälters. Druckbehälter mit einem größeren Außendurchmesser müssen, um dem gewünschten Innendruck standzuhalten, eine größere Wanddicke aufweisen als solche mit einem kleineren Außendurchmesser.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Krümmungsradius des Bodens an seiner Außenseite gleich dem Außendurchmesser des Druckbehälters in seinem hohlzylindrischen Abschnitt. Abweichungen von dieser Regel sind in einem Umfange von ±10% tolerabel. Bei stärkeren Abweichungen hiervon ist entweder das Füllvolumen des Druckbehälters nicht mehr den an die Maximierung gestellten Anforderungen entsprechend oder die Wanddicke des Bodens müsste erhöht werden, damit der Druckbehälter dem gewünschten Innendruck standhält. Durch eine solche Maßnahme würde sich jedoch das Gewicht des Druckbehälters erhöhen.
Die Wanddicke des Bodens des Druckbehälters ist typischerweise um einen Faktor zwischen 1,3 und 1,6 größer als die Wanddicke des Druckbe hälters in seinem hohlzylindrischen Abschnitt.
Zum Herstellen des hohlzylindrischen Abschnittes und des Bodens zusammen mit dem zwischen dem Boden und dem hohlzylindrischen Abschnitt befindlichen Übergangsabschnitt eignet sich ein Rückwärtsfliespressverfahren. Mit einem solchen Verfahren kann nicht nur der hohlzylindrische Abschnitt mit nur geringen Toleranzschwankungen in der Wanddicke, sondern auch der Übergangsabschnitt und der Boden in ein und demselben Prozess erstellt werden. Die hohe Maßhaltigkeit in der Wanddicke des hohlzylindrischen Abschnittes erlaubt es, die Toleranzgrenzen klein zu wählen. Somit braucht auch im hohlzylindrischen Abschnitt des Druckbehälters nur ein Minimum an Material eingesetzt zu werden, was sich wiederum positiv auf die gewünschte Leichtgewichtigkeit des Druckbehälters auswirkt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das dem Boden gegenüberliegende Ende des Behälters dieselben Maßgaben auf, wie diese zu dem Boden und seinem Übergangsabschnitt beschrieben sind. Daher ist zwischen dem eigentlichen Kopfteil und dem hohlzylindrischen Abschnitt des Druckbehälters gleichfalls ein Übergangsabschnitt angeordnet, wobei dieser Übergangsabschnitt ebenso konzipiert ist wie der Übergangsabschnitt zwischen dem hohlzylindrischen Abschnitt und dem Boden. Das Kopfteil ist grundsätzlich ebenso ausgebildet ist wie das Bodenteil. Da der Druckbehälter einstückig auszubilden ist, werden zum Ausbilden dieses Endes des Druckbehälters andere Bearbeitungsverfahren eingesetzt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass dieses Ende des Druckbehälters durch Einwalzen der freien Enden des durch den Rückwärtsfließprozess gebildeten Zwischenprodukts erfolgt, wobei im Zuge dieses Prozesses bereits die Innenradien des Übergangsabschnittes und des Kopfteils eingestellt werden. Das Einwalzen dieses Endes erfolgt unter Aufdickung der Wandstärke. Daher wird in einem dem Einwalzen nachgeschalteten Schritt das nicht benötigte Material spanend abgetragen, so dass anschließend die Krümmung der Außenseite des Übergangsabschnittes und des Kopfteils mit Ausnahme des Bereichs des Ventileinsatzes ebenso gekrümmt sind wie der Boden mit dem daran angrenzenden Übergangsabschnitt.
Als Werkstoff zum Herstellen eines solchen Druckbehälters eignet sich vor allem eine Al-Mg-Si-Cu-Legierung der Reihe AA 6110 mit folgender chemischer Zusammensetzung:

– Si 0,7–1,1 Gew.-%
– Fe max. 0,50 Gew.-%
– Cu 0,30–0,8 Gew.-%
– Mn 0,30–0,9 Gew.-%
– Mg 0,7–1,1 Gew.-%
– Cr 0,05–0,25 Gew.-%
– Zn max. 0,20 Gew.-%
– Ti + Zr max. 0,20 Gew.-%
– Rest Al, mit einer fakultativen Beteiligung von weiteren Elementen oder Verunreinigungen mit einem Anteil von jeweils max. 0,05 Gew.-%, wobei diese zusammen einen Anteil von 0,15 Gew.-% nicht überschreiten.

In einer fakultativen Ausgestaltung enthält diese Legierung zusätzlich 0,005–0,02 Gew.-% Be.
Diese Legierung zeichnet sich gegenüber gängigen 6xxx-Legierungen wie AA 6082 oder AA 6061 durch eine noch höhere statische und dynamische Festigkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Durch diese Eigenschaften ist ein Potential zu einer etwa 20-prozentigen Gewichtseinsparung gegenüber oben genannten gängigen 6xxx-Legierungen möglich. Ein falkultativer Zusatz von Beryllium (Be) vermindert die Entstehung von zündfähigen Funken, d.h. erhöht die Resistenz des Werkstoffes gegen die Bildung von Schlag-, Reib- und Schleiffunken.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematisierte perspektivische Ansicht eines Druckbehälters aus Aluminium,
2: einen Längsschnitt durch den Druckbehälter der 1,
3: einen Ausschnitt des unteren Abschnitts des Druckbehälters der 2 in einer vergrößerten Darstellung und
4: der obere Endabschnitt des Druckbehälters der 2 in einer vergrößerten Darstellung als Zwischenprodukt.
Ein Druckbehälter 1 ist aus einer Aluminiumlegierung des Typs AA 6110A hergestellt. Der Druckbehälter 1 verfügt über einen hohlzylindrischen Abschnitt 2, der an seinem einen Ende 3 unter Ausbildung eines Bodens 4 (vgl. 2) verschlossen ist. Das andere Ende 5 des hohlzylindrischen Abschnitts 2 des Druckbehälters 1 ist durch ein Kopfteil 6 verschlossen. In das Kopfteil 6 ist ein Ventil 7 eingesetzt.
Der Boden 4 des Druckbehälters 1 ist, wie aus 2 ersichtlich, konvex und somit in Richtung zur Außenseite des Druckbehälters 1 hin gekrümmt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Krümmungsradius R₁ der Außenseite des Bodens 4 dem Außendurchmesser des Druckbehälters 1 im Bereich seines hohlzylindrischen Abschnittes 2. Die Wanddicke des Bodens 4 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Faktor von 1,6 stärker als die Wanddicke, die der Druckbehälter 1 im Bereich seines hohlzylindrischen Abschnittes 2 aufweist. in dem hohlzylindrischen Abschnitt 2 weist der Druckbehälter 1 eine konstante Wanddicke mit engen Toleranzen auf. Zwischen dem Boden 4 und dem hohlzylindrischen Abschnitt 2 ist ein mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichneter Übergangsabschnitt 8 angeordnet. Der Übergangsabschnitt ist gekrümmt, und zwar mit einem kleineren Krümmungsradius als der Boden 4. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenradius R₂ des konvex gekrümmten Bodens 4 etwa 5,3-mal größer als der Innenradius R₃ des Übergangsabschnittes 8. Der Innenradius des Bodens 4 ist typischerweise 1,3–1,6-mal größer als sein Außenradius. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenradius etwa 1,5-mal größer als der Außenradius des Bodens 4. Der Übergangsabschnitt 8 ist mit einem einzigen Radius gekrümmt. Gleiches gilt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für den Boden 4. Der Innenradius R₃ des Übergangsstückes 8 ist so gewählt, damit der Innendurchmesser D_i des Druckbehälters 1 von dem Durchmesser im Bereich des hohlzylindrischen Abschnittes 2 in Richtung zum Boden 4 hin um 40% bis 60% abnimmt, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Radius R₃ gewählt worden ist, mit dem der Innendurchmesser bis zum Übergang in den Boden 4 um etwa 56% reduziert wird. Die Innenwand 9 des Übergangsabschnittes 8 geht stufenlos in die Innenwand des Bodens 4 über. Der Außenradius R₄ des Übergangsabschnittes 8 ist so gewählt, dass die Wanddicke von dem Anschluss des Übergangsabschnittes 8 an den hohlzylindrischen Abschnitt 2 stetig und kontinuierlich zunimmt, bis der Übergangsabschnitt 9 in seinem Übergang in den Boden 4 die Wanddicke des Bodens 4 aufweist.
Der Druckbehälter 1 kann mit der vorbeschriebenen Ausbildung seines Endes 3 hohen Innendrücken standhalten. Sein Füllvolumen ist unter Berücksichtigung eines möglichst geringen Materialeinsatzes maximiert.
Das dem Boden 4 gegenüberliegende Ende 5 des Druckbehälters 1 ist hinsichtlich der Geometrie und Dimensionierung ebenso aufgebaut wie das Ende 3 mit seinem Übergangabschnitt 8 und seinem Boden 4. Daher verfügt auch das Ende 5 über einen Übergangsabschnitt 10, der den hohlzylindrischen Abschnitt 2 mit dem Kopfteil 6 verbindet. In das Kopfteil 6 ist das Ventil 7 eingesetzt. Über das Ventil 7 erfolgt eine Entnahme von in dem Druckbehälter 1 bevorratetem Gas. Typischerweise handelt es sich bei dem Ventil 7 um ein Sicherheitsventil, über das bei Eintreten bestimmter Umstände ein kontrolliertes Abblasen des Inhaltes des Druckbehälters 1 erfolgt.
Zum Herstellen des Druckbehälters 1 wurde eine Al-Mg-Si-Cu-Legierung der Reihe AA 6110 mit folgender Zusammensetzung verwendet:

– Si 0,7–1,1 Gew.-%
– Fe max. 0,50 Gew.-%
– Cu 0,30–0,8 Gew.-%
– Mn 0,30–0,9 Gew.-%
– Mg 0,7–1,1 Gew.-%
– Cr 0,05–0,25 Gew.-%
– Zn max. 0,20 Gew.-%
– Ti + Zr max. 0,20 Gew.-%
– Be 0,005–0,02 Gew.-%
– Rest Al, mit einer fakultativen Beteiligung von weiteren Elementen oder Verunreinigungen mit einem Anteil von jeweils max. 0,05 Gew.-%, wobei diese zusammen einen Anteil von 0,15 Gew.-% nicht überschreiten.

Der Druckbehälter 1 ist unter Einsatz eines Rückwärtsfließpressverfahrens hergestellt worden. Ein Rohling wird in einen oder mehreren Bearbeitungsschritten dem Rückwärtsfließprozess unterworfen, an dessen Ende ein Zwischenprodukt hergestellt worden ist, welches den hohlzylindrischen Abschnitt 2 und das Ende 3 mit seinem Übergangsabschnitt 8 und dem Boden 4 bereits in Endkontur zeigt. Durch das Rückwärtsfließpressverfahren kann der hohlzylindrische Abschnitt 2 mit hoher Maßhaltigkeit der Wanddicke hergestellt werden. Durch den Rückwärtsfließpressprozess wird der hohlzylindrische Abschnitt 2 in einer größeren Länge hergestellt, als diese tatsächlich zur Ausbildung der Länge des hohlzylindrischen Abschnitts 2 des Druckzylinders 1 benötigt wird. Aus diesem überschießenden, in 4 mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichneten Endabschnitt wird in nachfolgenden Bearbeitungsschritten das Ende 5 mit seinem Kopfteil 6 und dem Übergangsabschnitt 10 ausgebildet. Dieses erfolgt zweckmäßigerweise mit einem Einwalzverfahren, bei dem unter Materialaufdickung das ursprünglich hohlzylindrische Ende unter Einstellung der Innenradien des Übergangsabschnittes 10 sowie des Kopfteils 6 aufeinander zugehend eingewalzt werden, bis die eingewalzten Enden aufeinander stoßen oder, wie in 4 gezeigt, eine Bearbeitungsöffnung 12 verbleibt. In einem weiteren Schritt wird die Bearbeitungsöffnung 12 spanend bearbeitet, um eine Einsetzöffnung für das Ventil 7 zu schaffen. Typischerweise wird man ein Gewinde einbringen, in welches das Ventil 7 mit einem entsprechend ausgestatteten Komplementärgewinde abgedichtet eingeschraubt wird. Das Innengewinde ist in 4 mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird zur Reduzierung des Gewichtes des Druckbehälters 1 das zum Verleihen des Druckbehälters 1 eine ausreichenden Innendruckfestigkeit nicht benötigte Material des Endes 5 entfernt, und zwar im Wege eines zerspanenden Bearbeitungsschrittes, bis die Endkontur 14 des Endes 5 erreicht ist. Dieser Schritt dient zur Reduzierung des Fertigteilgewichtes. Ist dieses nicht notwendig, kann das aufgedickte Material an der Außenseite des Endes 5 auch verbleiben. Damit der Druckbehälter 1 den Innendruckbelastungen standhalten kann, ist es allein zweckmäßig, dass die zuvor beschriebenen Maßgaben, wie diese auch für das Ende 3 des Druckbehäl ters 1 zutreffen, eingehalten werden.

Der in den Figuren beispielhaft dargestellte Druckbehälter 1 weist folgende Maße auf:

Außendurchmesser (D_a)	271 ± 1,2 mm
Wanddicke des Bodens	21,5 ± 0,5 mm
Wanddicke des hohlzylindrischen Abschnitts	13,6 ± 0,5 mm
Innendurchmesser (D_i)	243,8 mm
Außenradius Boden (R₁)	271 mm
Innenradius Boden (R₂)	415 mm
Innenradius Übergangsabschnitt (R₃)	78 mm
Außenradius Übergangsabschnitt (R₄)	95 mm

Es wurden Vergleichsuntersuchungen vorgenommen, mit einem weiteren Druckbehälter, der konzipiert ist wie der zuvor beschriebene Druckbehälter 1. Die Maße dieses Druckbehälters sind nachfolgend wiedergegeben:

Außendurchmesser (D_a)	229 ± 1 mm
Wanddicke des Bodens	17 ± 0,5 mm
Wanddicke des hohlzylindrischen Abschnitts	12 ± 0,5 mm
Innendurchmesser (D_i)	205 mm
Außenradius Boden (R₁)	229 mm
Innenradius Boden (R₂)	305 mm
Innenradius Übergangsabschnitt (R₃)	71 mm
Außenradius Übergangsabschnitt (R₄)	85 mm

Ferner wurden für Versuchszwecke Druckbehälter im Wege des vorstehend beschriebenen Rückwärtsfließprozesses hergestellt. Diese weisen einen Außendurchmesser von 134 mm und einen Innendurchmesser von 102 mm auf. Diese Schmiedeteile wurden einer Lösungsglühung mit kontrollierter Abschreckung und einer nachfolgenden Aushärtung unterzogen. Zugproben aus dem Wandungsbereich (Längsrichtung) lieferten folgende Ergebnisse: Rp0,2 = 385 MPa Rm = 438 MPa A5 = 14,8%
Diese Festigkeitswerte machen deutlich, dass auch die Druckbehälter, wie oben angegeben, mit vergleichbarer Windstärke sehr hohen Innendrucken standhalten und sich aufgrund der Korrosionsbeständigkeit als Druckbehälter zum Bevorraten von insbesondere Erdgas (CNG) eignen.

1: Druckbehälter
2: hohlzylindrischer Abschnitt
3: Ende
4: Boden
5: Ende
6: Kopfteil
7: Ventil
8: Übergangsabschnitt
9: Innenwand
10: Übergangsabschnitt
11: Endabschnitt
12: Bearbeitungsöffnung
13: Innengewinde
14: Endkontur
D_a: Außendurchmesser
D_i: Innendurchmesser
R₁: Krümmungsradius Boden, außen
R₂: Krümmungsradius Boden, innen
R₃: Krümmungsradius Übergangsabschnitt, innen
R₄: Krümmungsradius Übergangsabschnitt, außen

Claims

Druckbehälter aus einer Aluminiumlegierung, umfassend einen hohlzylindrischen Abschnitt (2), einen Boden (4) und ein Kopfteil (6) mit einem Ventil (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus einer Al-Legierung der 6xxx-Reihe gemäß der Klassifikation der Aluminum Association besteht, dass der Boden (4) des Druckbehälters (1) eine größere Wanddicke aufweist als der Druckbehälter (1) in seinem hohlzylindrischen Abschnitt (2) und konvex gekrümmt ist und dass zwischen dem Boden (4) und dem hohlzylindrischen Abschnitt (2) des Druckbehälters (1) ein gegenüber dem Krümmungsradius (R₁, R₂) des Bodens (4) mit kleinerem Radius (R₃, R₄) gekrümmter Übergangsabschnitt (8) angeordnet ist, dessen Innenradius (R₃) so gewählt ist, damit durch den Übergangsabschnitt (8) der Innendurchmesser (D_i) des Druckbehälters (1) im Anschlussbereich des Bodens (4) an den Übergangsabschnitt (8) um 40% bis 60% gegenüber dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Abschnitts (2) verringert ist, und dessen Außenradius (R₄) so gewählt ist, dass die Wanddicke von dem Bereich des Anschlusses des Übergangsabschnittes (8) an den hohlzylindrischen Abschnitt (2) sukzessive und kontinuierlich bis in den Bereich des Anschlusses des Bodens (4) an den Übergangsabschnitt (8) auf die Wanddicke des Bodens (4) zunimmt.
Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsabschnitt (8) einen gleich bleibenden Krümmungsradius (R₄) an seiner Außenseite und an seiner Innenseite (R₃) aufweist.
Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius des Bodens (4) um einen Faktor zwischen 2,5 und 5,5 größer ist als der Krümmungsradius des Übergangsabschnittes (8).
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R₁) der Krümmung des Bodens (4) an seiner Außenseite entweder gleich dem Außendurchmesser (Da) des zylindrischen Abschnitts (2) des Druckbehälters (1) ist oder von diesem mit ±10% abweicht.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Bodens (4) um einen Faktor zwischen 1,3 und 1,6 größer ist als die Wanddicke des Druckbehälters (1) in seinem hohlzylindrischen Abschnitt (2).
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopfteil (6) und dem hohlzylindrischen Abschnitt (2) des Druckzylinders (1) ein Übergangsabschnitt (10) angeordnet ist und dass dieser Übergangsabschnitt (10) und das Kopfteil (6) bis auf einen zentrischen Bereich des Kopfteils (6), welcher zum Anschluss des Ventils (7) dient, bezüglich der Gestaltung seiner Wanddicke und seiner Krümmungsradien ebenso ausgebildet sind, wie dieses zu dem Boden (4) und seinem angrenzenden Übergangsabschnitt (8) in einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 beschrieben ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Abschnitt (2), der daran in Richtung zum Boden (4) hin anschließende Übergangsabschnitt (8) und der Boden (4) durch ein Rückwärtsfliespressverfahren aus einem Rohling erstellt worden sind.
Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in Richtung zum Kopfteil (6) an den hohlzylindrischen Abschnitt (2) grenzende Übergangsabschnitt (10) und das Kopfteil (6) durch Einwalzen des dem Boden (4) gegenüberliegenden Endes (3) des durch den Schritt des Rückwärtsfliespressens erstellten Zwischenprodukts unter Einstellung der Innenradien des Übergangsabschnitts (10) und des Kopfteils (6) gegebenenfalls anschließendes Abtragen von Material der Außenseite dieses Übergangsabschnitts (10) und des Kopfteils (6) zum Ausbilden der äußeren Oberfläche des Druckbehälters (1) in diesem Abschnitt erstellt worden ist.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung folgende Zusammensetzung aufweist: – Si 0,7–1,1 Gew.-% – Fe max. 0,50 Gew.-% – Cu 0,30–0,8 Gew.-% – Mn 0,30–0,9 Gew.-% – Mg 0,7–1,1 Gew.-% – Cr 0,05–0,25 Gew.-% – Zn max. 0,20 Gew.-% – Ti + Zr max. 0,20 Gew.-% – Rest Al, mit einer fakultativen Beteiligung von weiteren Elementen oder Verunreinigungen mit einem Anteil von jeweils max. 0,05 Gew.-%, wobei diese zusammen einen Anteil von 0,15 Gew.-% nicht überschreiten.
Druckbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich als Funkeninhibator 0,005–0,02 Gew.-% Be aufweist.