DE2152123A1

DE2152123A1 - Druckbehaelter

Info

Publication number: DE2152123A1
Application number: DE19712152123
Authority: DE
Inventors: Karl Grebe; Guenther Dipl-Bergin Rosenberg
Original assignee: ELEK SCHE LICHT und KRAFTANLAG
Current assignee: ELEK SCHE LICHT und KRAFTANLAG
Priority date: 1971-10-20
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1973-05-03
Also published as: DE2152123B2; DE2152123C3

Description

Druckbehälte r Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter, insbesondere Druckgasbehälter, bestehend aus eines fornistabilen, rotationssymmetrischen, gasdichten und in seinem nittleren Bereich zylindrischen Innenbehälter, zwei von außen auf die Böden des Innenbehälters koaxial aufgesetzten Polstücken und einem auf den Innenbehälter unter Erfassung der Polstücke gewickelten, aus Endlosräden und aushärtendem Kunststoff laminierten Außenmantel, wobei ein Boden des Innenbehälters und das darauf aufgesetzte polstück mit einer Öffnung zum dichten Anschluß eines Ventiles od. dgl. versehen sind.
Derartige Druckbehälter werden im sog. Filatent-windlng Verfahren hergestellt, bei welchem der als Stützkörper dienende Innenbehälter mit den aufgesetzten Polstücken -um seine Mittelachse gedreht wird und mit einem aushärtenden Kunststoff, z.B. einem Epoxidharz, benetzte Endlosfäden, vorzugsweise Qlasseidenräden, mittels eines chsparallel changierend bewegten Fadenführers auf den Innenbehälter und die Pol stücke aufgewickelt werden. Dabei werden die Fäden präzise und in einem bestimmten errechneten Winkel zur Behälterachse in Kreuzwicklungen aur den Innenbehälter abgelegt, bis eine den Restigkeitsanrorderungen entsprechende Laminatdicke des Außenmantels erreicht ist. Der Wickelwinkel wird in AbhSngigkeit vom Behälterdurchmesser so gewählt, daß die hohe Zugfestigkeit der Giasfäden voll ausgenutzt wird. Die Böden des Innenbehälters bzw. die Außenkontur der Polstücke werden nach Maßgabe der Erfordernisse der Wickel technik ausgebildet.
Auf diese Weise werden Druckbehälter erzielt, bei denen die aufgrund des Behälterinnendruckes in der Behälterwand auftretenden Spannungen nahezu vollständig von dem laminierten AuBenmantel aufgenommen werden sollen, während der Innenbehälter im wesentlichen die Funktion einer gasdichten und ggf.
korrosionsbeständigen Auskleidung übernehmen soll. Diese Druckbehälter weisen gegenüber herkömmlichen Druckbehältern, die zumeist aus hochfesten Stählen bestehen, eine Reize von Vorzügen auf. Sie sind verhältnismäßig leicht, denn der Innenbehälter, sei er nun aus einem geeigneten Kunststoff oder aus Metall, z.D. Aluminium, geformt, kann wegen der Übernahme der eigentlichen Druckkörperfunktion durch den Außenmantel relativ dünnwandig ausgebildet werden. Die Druckbehälter sind auch gegen den äußeren Angriff aggressiver Medien beständig und bei Verwendung geeigneter Werkstoffe tür den Innenbehälter auch antimagnetisch. Darüber hinaus besitzt der Außenmantel wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Kunststoffes und der Glasfäden für viele Anwendungsfäl@ @hr erwünschte thermoisolierende Eigenschaften.
Trotz dieser vorzüge weisen die bisher bekanntgewordenen fadengewickelten Druckbehälter (DT-OS 1 501 701) den rur eine breitere Anwendung entscheidenden Nachteil aut, daß sie den bei hohen Innendrücken auftretenden hohen Axialbelastungen nicht gewachsen sind. Diese hohen Axialbelastungen verursachen in den Behälterböden Scherspannungen, welche die Scherfestigkeit des Innenbehälters überschreiten können, bevor der laminierte Außenmantel überhaupt die Grenzen seiner hohen Belastbarkeit erreichen kann. Die Behälterböden sind daher bei den bekannten Druckbehältern ausgesprochene Sehwaohstellen, wobei insbesondere der mit der Anschlußöffnung versehene Behälterboden gefährdet ist.
Bei einem nur für geringe Innendrücke verwendbaren Druckbehälter (DS-OS 2 o41 95)) der eingangs geschilderten Gattung wird angestrebt, einen flexiblen Innenbehälter gegen das Polstuck an der Anschlußöffnung nur durch den Behälterinnendruck Jedoch ohne feste mechanische Verbindung mit den Polstück, ggf.
unter Vermittlung eines in eine nut des Polstücks eingelegten Dichtungsrings abzudichten. Wird dieser bekannte Druckbehälter jedoch iit eine. hohen Innendruck beaufschlagt, so besteht die Gefahr, daß der Druck infolge von Behälterdeformationen durch Spalträume zwischen Innenbehälter und Anschlußpolstück hindurch abgebaut wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter der eingangs geschilderten Gattung unter Vermeidung der Nachteile bekannter Druckbehälter so auszubilden, daß er auch höchsten Innendrücken standhalten kann und auch bei Belastungsschwankungen in allen Druckbereichen absolut dicht ist.
Der erfindungsgemäße Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung im Boden des Innenbehälters stetig in einen angerormten, axial nach außen gerichteten und etwa hohlzyliadrischen Behälterhals übergeht und das aufgesetzte PolstUck mit seiner Innenkontur der Außenkontur des lnnenbehälters im ffbergangsberelch zwischen Behälterboden, Öffnung und Behälterhals anliegend folgend so ausgebildet ist, daß sein flanschförmiger dem Boden anliegender Teil in einen angerormten etwa hohlzylindrischen Polstückhals Ubergeht, dessen den Behälterhals umgebende Innenwand sich auswärtsgerichtet konisch erweitert, an welche der Behälterhals unter radial nach außen gerichteten Verformung durch ein koaxial mit dem Polstückhals verschraubtes entsprechend konisch geformtes Anschlußstück dicht und kraftschlüssig angepreßt ist.
Die Erfindung erzielt nach der Montage eine aus dem Polstück, dci Behälterhals und dem fUr den Armaturenanschluß bestimmten AnschlußstUck bestehende kompakte Baueinheit, bei welcher der bei bekannten gewickelten Druckbehältern kritische Abscherbereich des Innenbehälters zwischen Außenmantel und Außenfläche des Polstücken vollkommen entlastet ist. Unter Einwirkung des Innendruckes legt sich der Innenbehälter an die Innenkontur des Polstücke an und das Polstück übernimmt die Abscherkräfte. Es wird daher vorteilhaft aus einem scherfesten Werkstoff, z.B. einen metallischen Werkstorf, gefertigt. Der Innenbehälter des erfindungsgemäßen Druckbehälters kann bei Belastungsschwankungen in allen Druckbereichen unabhangig und ohne Einfluß auf die Abdichtung des Anschlußstückes arbeiten, falls je nach Ausführung die Elastizität des Inmenbehälterwerkstoffes größer sein sollte, als die des Außenmantels.
Vorteilhaft ist das an der Behälteröffnung befindliche PolstUck so ausgebildet, daß der PolstUckhals mit eines angeformten mit Innengewinde zum Einschrauben des Anschlußstückes versehenen Kopfteil Uber den Behälterhals Ubersteht. Das Anschlußstück ist zweckmäßig im wesentlichen eine außen konisch geformte HUlse, an deren Bereich größten Durchmessers sich ein dem Innengewinde des Polstückhalses komplementäres Außengewinde anschließt und die ihrerseits ein Innengewinde zum Anschluß eines Ventils od. dgl. aufweist. Diese Ausführung ermöglicht durch Einschrauben des Anschlußstückes eine hohe und absolut dichte Pressung und Einspannung des Behälterhalses zwischen der konischen Innenwand des Polstückhalses und der entsprechenden Konusfläche des AnschlußstUckes.
Insbesondere bei Verwendung eines Innenbehälters aus Metall kann es zur Abdichtungsverbesserung von Vorteil sein, wenn im konischen Bereich des Anschlußstückes eine od. mehrere Umfangsnuten zur Einlegung von Dichtungsringen, z.B. O-Ring-Dichtungen, ange@racht sind.
Um die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Druckbehälters auch bei infolge höherer Erwärmung steigendem Innendruck zu gewährleisten, ist zwischen dem Innengewinde und der konischen Innenwand des PolstUckhalses ein Ringkanal vorgesehen, der mit der Außenatmosphäre über eine od. mehrere Bohrungen in Verbindung steht. Sollte es zur Überschreitung der kritischen Druckgrenze infolge höherer Erwärmung kommen, so wird der zwischen die erwähnten konischen Dichtfläohen eingespannte Behälterhals des Innenbehälters plastisch, so daß der Innendruck Uber die nun durchlässige Konusdichtung, den Ringkanal und schließlich über die genannten Bohrungen abgebaut wird. Ein Bersten des erfindungsgemäßen Druckbehalters unter den erwähnten ungünstigen Bedingungen ist daher ausgeschlossen. Die genannten Bohrungen erfüllen zusätzlich den Zweck, sowohl bei der Montage des Anschlußstückes als auch bei möglicherweise zwischen dem Innenbehilter und dem Außenmantel auftretenden Luftspalten für einen Druckausgleich zur Außenatmosphäre zu sorgen. Die Absicherung des erfindungs gemäßen Druckbehälters gegen unzulässig hohen Druck kann auch durch eine ein rechtzeitiges Abblasen eriöglichende Ausführung und Bemessung der ggr, zwischen den erwähnten konischen Dichtflächen befindlichen Dichtungsringe erfolgen. Auch in diesei Fall entweicht der Ü'berdruck über den Ringkanal und die genannten Bohrungen.
Für den Innenbehälter stehen eine Vielzahl von für die erfindungsgemäßen Zwecke geeigneten metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen zur Verfügung, z.B. Aluminium oder Kunststorre. Gute Ergebnisse hinsichtlich der Form- und Maßhaltigkeit bei geringem Kostenaufwand werden erzielt, wenn der Innenbehälter in an sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen Kunststoff im Extrusionsblasverfahren hergestellt ist. Hierfür haben sich Polyolefine, z.B. Hochdruckpolyäthylen, als gut geeignet erwiesen.
In einer bevorzugten Ausführung ist der erfindungsgemäße Druckbehälter so ausgebildet, daß das am geschlossenen Boden des Innenbehälters befindliche Polstück in bekannter Weise (DT-OS 2 041 953) mit einer Ausnehmung auf einen entsprechenden Zentriervorsprung des Innenbehälters autgesetzt ist, und daß beide Polstücke sich in ihrer dem Außenmantel zugekehrten Außenkontur entsprechen.
Zum Ausgleich eventueller Fertigungstoleranzen ist es von Vorteil, etwaige die flächige Anlage zwischen den Polstücken und den Böden des Innenbehälters beeinträchtigende Spalträume durch Füllstoffe, z.B. durch aushärtende Kunstharze oder Kleber, zu schließen. Der Auftrag dieser Füllstoffe geschieht dabei zweckmäßig vor den Aursetzen der Polstücke. Der gleiche Erfolg kann auch erzielt werden, wenn die Polstücke an ibren den Böden des Inne:Wehälters zugewandten Flächen mit Rillen od. dgl.
versehen sind. In diese nach außen get5ffneten Rillen dringt beim Wickeln überschüssiges Kunstharz ein und füllt etwaige Spalträume. Für bestimmte Zwecke ist es auch möglich, einen Metallinnenbehälter mit den Pol stücken durch Schweißen, Löten od. Kleben zu verbinden.
Eine Erhöhung der Bclastbarkeit des erfindungsgemäßen Druckbehälters kann durch eine zusätzliche mechanische Verklammerung des gewickelten Außenmantels mit den Polstücken erzielt werden, indem im Wickelbereich der zylindrischen Außenfläche des Polstückhalses beider Polstücke Umfangsrillen od. dgl. vorgesehen sind, in welche die mit Kunstharz benetzten Endlosfäden beim Wickelvorgang eintreten. Auf diese Weise ergeben sich größere Auflage- und Angriffsflächen zwischen dem laminierten Außenmantel und den FolstUcken, wodurch eine axiale Verkürzung der PolstUckhSlse und damit eine Material- und Gewichtsersparnisse ermörglicht wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeiohnungen näher erläutert. Darin zeigt.
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen fertigen erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdruckbehälter, Fig. 2 einen abgebrochen und in einer gegenüber Fig. 1 größeren Maßstab gezeichneten Längeschnitt durch den Öffnungsbereich des Druckbehälters nach Fig. 1 mit herausgenommenem Anschlußstück und Fig. 3 einen Längsaohnitt durch das Anschlußstück Der aus Fig. 1 ersichtliche Innenbehälter 1 - auch Innenliner genannt - ist ein aus Hochdruckpolyäthylen einstückig extrusionsgeblasener Hohlkörper, an dessen mittleren zylindrischen Bereich sich die Boden 2 und 3 mit stufenlos gekrümmten Übergängen anschließen, deren äußere Krümmungskontur nach den Forderungen der Filament-winding Technik gestaltet ist. Auf die Böden 2, 3 sind die PolstUoke 4 und 5 aufgesetzt, die aus einem netallischen Werkstorr, wie z.B. aus korrosionsbeständeren Stahl oder aus Messing, oder aber auch aus einem geeigneten scherfesten Kunststoff geformt sind. Zur näheren Erläuterung der PolstUcke 4, 5 die sich hinsichtlich ihrer Außenkontur aus wicklungstechnischen Erfordernissen im wesentiiohen entsprechen, wird nunmehr auf das in Fig. 2 dargestellte, die Öffnung 6 im Boden 2 umgebende Polstück 4 Bezug genommen.
Das Polstück 4 wird auf den nach der Herstellung des Innenbehälters 1 zunächst noch etwa zylindrischen Behälterhals 7 mit seinem PolstUckhals 8 aufgeschoben, bis sich der flanschförmige Polstückteil 9 auf den Boden 2 auflegt. Bein Einsetzen und Einschrauben des AnschlußstUckes 10 wird der Behälterhals unter teils elastischer und teils plastischer Verformung zwischen der konischen Innenwand 11 des Polstückhalses 8 und dem entsprechend konisch geformten Hülsenbereich 12 des Anschlußstückes 10 fest und dioht eingespannt, wobei die in die Nut 1 13 eingelegte 0-Ring Dichtung 14 die Abdichtung noch verbessert. Die erforderliche Anpreßkraft wird durch Einschrauben des am Anschlußstück 10 angebrachten Außengewindes 15 in das in den Kopfteil 16 des Polstückhalses b eingeschnittene Innengewinde 17 aufgebracht. Das Innengewinde 18 am oberen Ende des Anschlußstüokes dient der dichten Anbringung einer Armatur od. dgl., z.B. der Befestigung eines Ventils.
Der zwischen dem Innengewinde 17 und der konischen Innenwand 11 vorgesehene Ringkanal 19 öffnet sich über die Bohrungen 20 zur Außenatmosphäre.
Das untere Polstück 5 (Fig. 1) ist mit seiner zentralen Ausnehmung 21 auf den aus dem Innenbehälter 1 geformten Zentriervorsprung 22 auf den Boden 3 aufgesetzt. Auch das PolstUck 5 besitzt einen dem Polstückhals 8 des Polstücke 4 etwa er.;sprechenden halsartigen Fortsatz 23, der einen nach außen geöffneten Hohlraum 24 umschließt, der für die Anbringung einer Kenndatenscheibe 25 für den erfindungsgemäßen Druckbehälter gut geeignet ist.
Wie die Zeichnungen verdeutlichen, sind die den Behälterböden 2, 3 zugewandten Flächen der PolstUcke 4, 5 der äußeren Kontur des Innenbehälters 1 angepaßt. Die in die äußere Kontur des Innenbehälters nach Maßgabe der wicklungstechnischen Erfordernisse harmonisch Ubergehende Außenkontur der Polstücke 4, 5 entspricht auch im Hinblick auf die Abstimmung der gleichgroßen Außendurchmesser des außen zylindrischen Polstückhalses 2 und des außen zylindrischen Fortsatz es 23 auf den Außendurchmesser des Innenbehälters 1 und auf den Fadenwickeiwinkel den vom Filament-winding Verfahren gestellten Anforderungen. Entsprechendes gilt auch für die etwa gleichgroße axiale Länge des PolstUckhalses 2 und des halsartigen Fortsatzes 23. Das Wickelverfahren ist ein schlägig bekannt und bedarf daher an dieser Stelle keiner weiteren Erdrterung. Der nach diesem Yerfahren hergestellte hochfeste laminierte Außenmantel 26 ist in den Polbereichen infolge der Durchmesserabnahme wulstartig verdickt, so daß der Druckbehälter an seinen Enden etwa konisch geformte Verjüngungen aufweist.
Wänrend bisher die Anwendung von Hoch- und Höchstdruck-Wickelbehältern aus sicherheitstechnischen Gründen für die Industrie, Gewerbe, Verkehr, Wehrtechnik und Haushalte ausgeschlossen war, ermöglicht die Erfindung den Sicherheitsvorschriften für Allgemeinverwendung zu entsprechen und die Vorteile des geringen Gewichtes, der antimagnetischen Eigenschaften und derXorrosionsbeständigkeit dieser Behälter zu nutzen.
Der erfindungsgemäße Behälter eignet sich sowohl für den Einschluß hochkotpriulerter Gase als auch für die Aufnahme hochgespannter Flüssigkeiten.
Ansprüche

Claims

Ansprüche 1. Druckbehälter, insbesondere Druckgasbehälter, bestehend aus einem formstabilen, rotationssymmetrischen, gasdichten und in seinem mittleren Bereich zylindrischen Innenbehälter, zwei von außen auf die Böden des Innenbehälters koaxial aufgesetzten Polstücken und einem auf den Innenbehälter unter Erfassung der Pol stücke gewickelten, aus Endlosfäden und aushärtendem Kunststoff laminierten Außenmantel, wobei ein Boden des Innenbehälters und das darauf aufgesetzte Pol stück mit einer Öffnung zum dichten Anschluß eines Ventils od. dgl.

versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (6) im Boden (2) des Innenbehälters (1) stetig in einen angefornten, axial nach außen gerichteten und etwa hohlzylindrischen Behälterhals (7) übergeht und das aufgesetzte Polstück (4) mit seiner Innenkontur der Außenkontur des Innenbehälters im Übergangsbereich zwischen Behälterboden, Öffnung und Behälterhals anliegend folgend so ausgebildet ist, daß sein flanschförmiger dem Boden anliegender Teil (9) in einen angeformten etwi hohlzylindrischen Polstückhala (8) übergeht, dessen den Behälterhals (7) umgebende Innenwand (11) sich auswärtsgerichtet konisch erweitert, an welche der Behälterhals unter radial nach außen gerichteter Verformung durch ein koaxial mit dem Polstückhals verschraubtes (17, 15) entsprechend konisch geformtes Anschlußstück (10) dicht und kraftschlüssig angeprelt ist.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polstückhals (8) mit einen angeformten mit Innengewinde (17) zum Einschrauben des Anschlußstückes (10) versehenen Kopfteil (16) Uber den Behälterhals (7) übersteht.
3. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (10) im wesentlichen eine außen konisch geformte HUlse ist, an deren Bereich größten Durchmessers sich ein dem Innengewinde (17) des PolstUckhalses (8) komplementäres Außengewinde (15) anschließt und die ihrerseits ein Innengewinde (1C) zum Anschluß eines Ventils od. dgl. aufweist.
4. Druckbehälter nach den Ansprüchen, 1 ois 3, dadurch gekennzeichnet, daß im konischen Bereich (12) des Anschlußstückes (10) eine od. mehrere Umfangsnuten (15) zur Einlegung von Dichtungsringen (14) angebracht sind.
5. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innengewinde (17) und der konischen Innenwand (11) des Polstückhalses (8) ein Ringkanal (19) vorgesehen ist, der mit der Außenatmosphäre über eine od. mehrere borungen (20) in Verbindung steht.
6. Druckbehälter nach einem od. mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (1) in an sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen Kunststoff ii Extrusionsblasverfahren hergestellt ist.
7. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am geschlossenen Boden (3) des Innenbehälters (1) befindliche Polstück (5) in bekannter Weise mit einer Ausnehmung (21) auf einen entsprechenden Zentriervorsprung (22) des enbehälterbodens (); aufgesetzt ist, und daß beide Polstücke (4, 5) sich in ihrer dem Außenmantel (26) zugekehrten Außenkontur entsprechen.
Druckbehälter nach einem od. mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (4, 5) aus einem schorfesten Werkstoff geformt sind.
9. Druckbehälter nach einem od. mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß etwaige die flächige Anlage zwischen den Polstücken (4, 5) und den Böden (2, 5) des Innenbehälters (1) beeinträchtigende Spalträume durch FUllstoffe geschlossen sind.
10. Druckbehälter nach einem od. mehreren der sprüche 1 bis ,,, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (4, 5) an ihren den Böden (2, 3) des Innenbehälters (1) zugewandten Flächen mit Rillen od. dgl. versehen sind.
11. Druckbehälter nach einem od. mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Metallinnenbehälter mit den Polstücken durch Schweißen, Löten od. Kleben verbunden sind.
12. Druckbehälter nach einem od. mehreren der AnsprUche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Wickelbereich der zylindrischen Außenfläche des Polstückhalses (8, 25) beider PolstUcke (4, 5) Umfangsrillen od. dgl. vorgesehen sind.

L e e r s e i t e