DE2516395A1

DE2516395A1 - Druckbehaelter und verfahren zur herstellung des druckbehaelters

Info

Publication number: DE2516395A1
Application number: DE19752516395
Authority: DE
Inventors: Emory Joe Beck
Original assignee: Martin Marietta Corp
Current assignee: Martin Marietta Corp
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-15
Publication date: 1975-11-06
Also published as: JPS50144121A; BR7502362A; AU499289B2; GB1449805A; CA1020475A; ES436774A1; ES443842A1; FR2268223A1; US3969812A; IE41621B1; FR2268223B1; SE407275B; SE7504240L; IT1037455B; AU8031575A; JPS5838672B2; IE41621L; DE2516395C2

Description

MARTIN MARIETTA CORPORATION, Washington D.C, V.St.A.

Druckbehälter und Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters

Die Erfindung betrifft Druckbehälter zur Aufbewahrung von unter hohem Druck stehenden Fluiden, sie betrifft insbesondere tragbare Druckbehälter in Leichtbauweise, bei denen ein Leichtmetallgefäß mit einem zylindrischen Teil und zwei haubenförmigen Enden vollständig von mehreren Schichten eines fadenförmigen Materials umwickelt ist. Die Erfindung ist insbesondere im Zusammenhang mit Gefäßen anwendbar, die mit kunstharzbeschichteten Einzelglasfasern (normalerweise als Feuchtwicklungen oder als vorimprägnierte Wicklungen bezeichnet)
beschichtet sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Wickelverfahren, bei dem die Folge der Wickelfäden speziell so ausgewählt ist, daß die Verbindung des zylindrischen Gefäßteils mit den haubenförmigen Enden verstärkt wird.

Der im weiteren und auch in der Fachwelt verwendete Ausdruck
"vollständig umwickelt" beschreibt einen Behälter, dessen
zylindrischer Teil und dessen haubenförmigen Enden vollständig umwickelt sind, der jedoch auch kleine halsförmige Bereiche
an den äußersten Enden der haubenförmigen Enden besitzen kann, die umwickelt oder nicht umwickelt sind. Dies ist dem Fachmann

509845/0355

leicht verständlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen vollständig umwickelten Druckbehälter anzugeben, der an den' kritischsten Stellen des Behälters, d.h. an der Verbindungsstelle zwischen zylindrischem Teil und haubenförmigem Ende, geeignet verstärkt ist, und bei dem das zylindrisch über die Verbindungsstelle gewickelte Fadenmaterial die Neigung besitzt, am haubenförmigen Ende nach außen zu gleiten oder rutschen.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters vorgesehen, das folgende Verfahrensschritte enthält: die Formung eines Gefäßes mit einem zylinderförmigen Teil und je einem haubenförmigen, an den zylinderförmigen Teil angeschlossenen Ende, die Umwicklung des Gefäßes durch Aufwickeln von Fadenmaterial in folgender Reihenfolge:

(a) Wickeln des Fadenmaterials um das Gefäß in polarer Richtung, um eine erste polare Umhüllung herzustellen,

(b) Wickeln des fadenförmigen Materials über die erste polare Umhüllung in einer zylindrisch orientierten Richtung und mit genügender Breite, um die Verbindungsstellen des zylinderförmigen Teils mit den haubenförmigen Enden zu bedecken und dadurch eine erste zylindrische Umhüllung zu schaffen, und

(c) das Wickeln des Fadenmaterials in polarer Richtung über' die erste zylindrische Umhüllung, um eine zweite polare Umhüllung herzustellen, die die zylindrische Umhüllung vor einer Bewegung relativ zum Gefäß schützt.

Die vorliegende Erfindung enthält außerdem einen Druckbehälter mit einem Aluminiumgefäß, das einen Bereich aus einer zylinderförmigen Wand und je einem an den zylinderförmigen Bereich an-

509845/0355

geschlossenen haubenförmigen Endbereich besitzt, wobei der zylinderförmige und die haubenförmigen Bereiche im wesentlichen gleiche Dicke besitzen, der Druckbehälter enthält mehrere Windungen aus Glasfasern, die um das Gefäß in abwechselnd polar und in Zylinderrichtung orientierten Wicklungen aufgebracht sind urld eine Umhüllung bilden, wobei mindestens eine zylindrisch orientierte Wicklungsanordnung vorgesehen ist, die über die Verbindungsstellen des zylinderförmigen Teils mit den beiden haubenförmigen Teilen verläuft und durch polar orientierte Wicklungsanordnungen gegen das Gefäß gedrückt wird, und wobei die Umhüllung sich in einem gespannten Zustand befindet und Druckkräfte auf den äußeren Umfang des Aluminiumgefäßes ausübt.

Da der Betriebsdruck des Behälters im allgemeinen die Streckgrenze des Metallgefäßes überschreitet, wurde herausgefunden, daß eine vorgespannte Beziehung zwischen der Umhüllung und dem Gefäß induziert werden kann, indem sowohl die Umhüllung als auch das Gefäß elastisch in einem Beanspruchungsbereich betreibbar sind, der den Gefäßbelastungsbereich für Betriebsdrucke überschreitet. Eine derartige Belastungsbeziehung dient auch zur Erhöhung der Ausbeulkräfte des Gefäßes.

Bevorzugt wird ein Wickelverfahren-mit vier Schritten verwendet, das sicherstellt, daß das zylindrisch gewickelte Fasermaterial die Verbindungsstellen zwischen dem zylinderförmigen Teil des Gefäßes und den halbkugelförmig ausgebildeten Endteilen überdeckt, und bei dem (1) die polarorientierte Wicklung das Gefäß vollständig umgibt^(2) das anschließend gewickelte zylindrisch orientierte Fasermaterial dann den zylinderförmigen Teil und die Verbindungsstellen des zylinderförmigen Teils mit den haubenförmigen Endteilen bedeckt,(3)

509845/0355

zusätzliches polar orientiertes Fasermaterial gewickelt wird, um das zylindrisch gewickelte Fasermaterial vor einer Bewegung relativ zum Gefäß zu bewahren, und (4) zusätzlich in'Umfangsrichtung (zylindrisch) gewickeltes Fasermaterial im zentralen Bereich des Behälters aufgebracht wird.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gefäßes und eines Typs der Faserwicklungen;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Gefäßes und eines weiteren Typs einer Faserwicklung;

Fig. 3 eine Ansicht des Druckbehälters, nachdem die beiden ersten Wicklungsschri ..te durchgeführt wurden;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines vollständig umwickelten Druckbehälters, bei der ein Teil der zweiten, polar orientierten Wicklung weggeschnitten ist; und

Fig. 5 eine Teilschnittansicht eines vollständig umwickelten Druckbehälters.

Die Figuren 1 und 2 stellen eine vollständige Ansicht eines Druckgefäßes dar und zeigen die beiden ersten Wicklungsschritte, die gemäß der vorliegenden Erfindung durchge-

509845/0355

führt werden. Wie sich den Figuren 1 und 2 entnehmen läßt, enthält das Gefäß 10 einen zylindrischen Teil 12 und je ein halbkugelförmiges oder haubenförmiges Endteil 14 an jedem Ende des zylinderförmigen Teils. Mindestens ein haubenförmiges Endteil 14 enthält einen Hals 16, und dieser Hals enthält einen Fluideinlaß. In den Figuren 1 bis 5 ist der Fluideinlaß 17 an einem Ende des Behälters dargestellt, und das andere Ende ist geeignet geformt, vgl. die Stelle 21, enthält aber keinen weiteren Fluideinlaß. Eine geeignete Verschlußeinrichtung 19 dichtet den Fluideinlaß im Hals 16 ab.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung einzelner Wicklungen einer Fieberglasfaser 18, die im weiteren als "polar orientierte" Wicklungsrichtung bezeichnet ist. Die einzelnen Fäden laufen um die Endteile des Gefäßes und erstrecken sich in einem spitzen Winkel zur Längsachse des zylinderförmigen Teils 12.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung einzelner Windungen einer Fieberglasfaser 18, die im weiteren als "zylindrisch orientierte" (auch in Umfangsrichtung orientierte; Wicklungsrichtung bezeichnet wird. Die Fäden umgeben dabei das Gefäß im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des zylinderförmigen Teils.

Es sei bemerkt, daß die Fäden 18 in der Zeichnung zwar dargestellt sind, als ob sie einen beträchtlichen Querschnitt besitzen und daß der umhüllte Druckbehälter so dargestellt ist, als ob jede der verschiedenen Umwicklungen jeweils nur eine einzige Schicht aus Fadenmaterial enthält, tatsächlich erfolgt jedoch diese Darstellungsweise nur zum Zwecke einer deut-

5/0355

licheren Darstellung. In der Realität besitzen die Fäden einen sehr kleinen Querschnitt und während des Wickelvorganges in einer speziellen Richtung werden die Fäden in vielen Windungen aufgebracht und bilden daher viele Fadenlagen, was für einen Fachmann naheliegend ist.

Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellter Druckbehälter ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. In Fig. 4 sind Teile des Umwickelmateriales zur besseren Illustration der Wickelanordnung weggeschnitten.

Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, enthält die Wickelanordnung eine polar orientierte Fadenwicklung 20, die die gesamte Oberfläche des (Sefäßes umschließt und in Kontakt mit der Gefäßoberfläche ist. Die polar orientierte Wicklung 20 wird von einer in Umfangsrichtung gewickelten Fadenwicklung 22 überlagert, die einen Bereich 24 umfaßt, der die Verbindungsstelle zwischen dem zylinderförmigen Teil des Gefäßes und den haubenförmigen Endteilen des Gefäßes (der mit 25 bezeichnete Bereich des Gefäßes) überdeckt und sich über einen Teil des haubenförmigen Endes 14 erstreckt, vgl. die Fig. 3, 4 und 5. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, findet unter Umständen ein Abrutschen der Fäden am Hals und den Enden des Gefäßes statt. Dieses Abrutschen der Fäden besitzt jedoch keinen maßgeblichen Einfluß auf die Betriebseigenschaften des Druckbehälters nach der Erfindung.

Die zweite polar orientierte Fadenwicklung 26 bedeckt die erste in Umfangsrichtung (zylindrisch) gewickelte Wicklung 22 und wird in ähnlicher Weise wie die erste polare Wicklung aufgebracht. Diese zweite polar orientierte Fadenwicklung hält die in Umfangsrichtung gewickelte Wicklung 22 und schützt diese Wicklung vor einem Verrutschen gegenüber dem

509845/0355

Gefäß (in Fig. 5) ist der äußere Bereich des Wicklungsmaterials in der Nähe des Halses des Behälters durch gebrochene Linien dargestellt und mit dem Bezugszeichen versehen. Diese Darstellung erfolgt nur zur Erlangung einer größeren Übersichtlichkeit, in Wirklichkeit besitzt die polare Wicklung 26 eine der polaren Wicklung 20 ähnliche Gestalt am Hals des Gefäßes, wie in Fig. 3 dargestellt. Der letzte Schritt beim Wickelverfahren v/ird durch die Aufbringung der obersten,in Urafangsrichtung gewickelten Wicklung auf dem Druckbehälter ausgeführt. Wie insbesondere in den Fig. 4 und 5 dargestellt, erstreckt sich die Umfangswicklung 28 nicht über die Verbindungsstellen zwischen dem zylinderförmigen Teil und den beiden haubenförmigen Endteilen des Gefäßes.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Gefäß aus Aluminium. Die Wahl von Aluminium wird aufgrund des hohen Festigkeits-ZDichteverhältnisses des geringen Moduls, herausragender Härte und einer guten Verträglichkeit mit anderen umgebenden Stoffen bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Aluminiumgefäß aus einer Aluminiumlegierung der Serie 6000, speziell eines 6070-T6-Aluminiums hergestellt. Das Gefäß besitzt insbesondere eine etwa uniforme Wanddicke, insbesondere an den Stellen, an denen der zylinderförmige Teil in die haubenförmigen Endteile übergeht, vgl. Fig. 5.

Die Wahl eines geeigneten Fadenmaterials ist bestimmt durch zwei besondere Gesichtspunkte, nämlich durch die Kosten und die Faserfestigkeit. In der bevorzugten Ausführungsform der

509845/0355

Erfindung werden diese Gesichtspunkte am besten durch Verwendung eines Fiberglases vom Typ Owen Corning S - 2 erfüllt. Außerdem enthält die bevorzugte Ausführungsform ein geeignetes Kunstharz, das mit dem genannten Fiberglas verträglich ist und z.B. Kunstharz vom Typ Epon 828/1031 /NMA/BDMA enthält. Selbstverständlich lassen sich auch andere Kunstharze und andere Fasern verwenden.

Die Auswahl des Gefäßmaterials und des Fadenmaterials sollte ebenso dadurch beeinflußt sein, daß als ein weiteres Kriterium das Gefäßmaterial mechanisch mit dem aufgewickelten Material kompatibel sein muß. Die Kompatibilität bedeutet hierbei, daß die auf das Gefäß während der Druckbeaufschlagung ausgeübte Beanspruchung und die entsprechende auf die Glasfieberwicklung ausgeübte Beanspruchung beim Entlüften des Gefäßes, d.h. bei der Druckverringerung reversibel sein müssen, d.h., da die Wicklung während der Druckbtauf schlagungs- und Entlüftungszyklen elastisch beansprucht ist, sollte das Gefäß während dieser Zyklen ebenso eine elastische Beanspruchung erfahren. Insbesondere muß die Beanspruchung bei jedem dieser Zyklen reversibel sein und ohne Beschädigung oder Verformung des Gefäßes vonstatten gehen. Betrachtungen zur mechanischen Kompaktibilität beim Bau zylindrischer Gefäße sind in der Zeitschrift »Journal of Spacecraft and Rockets", Juli 1967, S. 872, in einem Artikel von R.H. Johns und A. Kaufman beschrieben, der den Titel "Filament Overwrapped Metallic Cylindrical Pressure Vessels" besitzt. Das Kräftegleichgewicht zwischen dem unter Druck vorbelastetem Gefäß und dessen durch Spannung vorbelasteten Umwicklung wird vor Betrieb des Gefäßes erreicht. Durch ein genaues Abstimmen der Materialbelastungen kann das Gefäß in einem stark vergrößerten Belastungsbereich elastisch arbeiten, und die

5098A5/0355

Wicklung kann bei wirkungsvollen Belastungspegeln eingesetzt werden. Der Vorbelastungszustand wird dadurch erreicht, daß ein frisch gefertigtes Gefäß einem "Maßänderungs"-Druckzyklus unterworfen wird, in dem das Gefäß über die Proportionalgrenze belastet wird und sich dadurch um mehr als 2% reckt. Nach der Entlüftung ist der gewünschte Belastungszustand erreicht, da sich das Metall elastisch entlastet und durch die elastische Umwicklung einer Kompression unterworfen wird.

Die Entwurfscharakteristiken eines vollständig umwickelten Fiberglas -Druckbehälters gehen stark in Einzelheiten und werden daher bevorzugt unter Zuhilfenahme eines Rechners bestimmt. Ein geeignetes Rechnerprogramm für diesen Zweck besitzt den Titel "Computer Program for the Analysis of Filament Reinforced Metal-Shell Pressure Vessel," es ist in der Zeitschrift "NASA Scientific and Technical Aerospace Reports," vom 8. März 1968, Bd. 6, Nr. 3, S. 419 veröffentlicht und daher durch dieses Zitat für diese Erfindung auch offenbart.

Die erforderlichen Eingabeparameter für das Rechnerprogramm umfassen die Geometrie des Druckbehälters, die Materialeigenschaften des Gefäßes, die Materialeigenschaften der Fäden, die Fäden- und longitudinalen Metallbeanspruchungen (stresses) bei Vorhandensein der Wicklung, und die Entwurfgrenzbedingungen. Für eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung bestehen die variablen Programmeingabeparameter für das Gefäß aus.folgenden Größen: Gefäßdicke, geforderte Fadenbeanspruchung, geforderter Druck und "Maßänderungsdruck". Andere ausgewählte Parameter werden durch

509845/0355

- ίο -

die Anforderungen bestimmt, die an die Ausführung gestellt werden (z.B. Gefäßlänge und Durchmesser, die das Volumen ausmachen), oder sie sind als Ergebnis der Materialauswahl festgelegt (Dichte, Modul und Poisson-Verhältnis).

Das Ergebnis des Rechners enthält dann z.B. folgende Daten: Gestalt der Endbereiche, axiale und stirnseitige Dicke der Umwicklung (axial and hoop thickness), Belastungswerte (beim Abmessungsänderungsdruck, beim Druck null, beim Betriebsdruck, beim Prüfdruck, und bei einem geforderten minimalen Zerreißdruck), zusammen mit dem projektierten Gewicht und Volumen des Gefäßes.

Ein Gefäß, das nach den oben angegebenen Spezifikationen entworfen ist, d.h. für einen Betriebsdruck von 316 atü (4500 psig)(entspricht einem Ladedruck von 281 atü), einem Prüfdruck von 474,5 atü und einem minimalen Zerreißdruck von 633 atü, für ein Aluminiumgefäß mit einer Wanddicke von 3,3782 mm (0,133 in) und einem Maßänderungsdruck von 534 atü ergaben sich als Ergebnisentwurfsbelastungen innerhalb eines annehmbaren Bereiches. Selbstverständlich lassen sich andere Dicken des Gefäßes und andere Betriebsdrucke verwenden.

Bei dem Entwurf und der Herstellung eines Druckbehälters nach der Erfindung wird die Herstellung eines Gefäßes dadurch begonnen, daß durch Kaltspritzen ein rohrförmiger Rohling mit einer festen Basis hergestellt wird. Dieser Rohling wird dann in einer Lösung behandelt und vor der Verformung gehaltert. Anschließend wird das geschlossene Ende des Rohlings geformt, der Rohling wird zwei Formschritten zur Formung des Halses unterworfen, der erste Formvorgang erfolgt in einer heißen Form, und der zweite Formvorgang erfolgt in einer

509845/0355

kalten Maßform. Auf diese Weise wird bei der Formung des Halses eine minimale Verbeulung bewirkt. Die abschließenden Schritte bei der Formung des Gefäßes bestehen in einer Wärmebehandlung und einer maschinellen Verformung. Wie aus Fig. hervorgeht, ist die Dicke des Gefäßes an der Verbindungsstelle zwischen dem zylinderförmigen Teil und den Endteilen im wesentlichen uniform. Der Gefäßstutzen wird mit einem Gewinde versehen, das das Gewinde des Schließkörpers aufnimmt, außerdem lassen sich Dichtungsringe und andere Dichtungen verwenden, die die Einlaßöffnung bei eingedrehtem Schließkörper abdichten. Nach der Formung des Gefäßes werden die Fadenwicklungen aufgebracht. Eine zur Aufbringung dieser Wicklungen geeignete Vorrichtung besteht z.B. in der Fadenwickelmaschine Entec Model 430, die in der Fachwelt bekannt ist, und die in der Lage ist, sowohl die polar orientierte als auch die in Umfangsrichtung orientierte Wicklung aufzubringen. Während der bevorzugten Schrittfolge wird die erste polare Umwicklung dadurch ausgeführt, daß 98 Kreise mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem (4-roving delivery system) aus 20 Enden pro Lunte um das Gefäß gewickelt werden. Anschließend werden 7 Lagen aus zylinderförmigem Material (in Umfangsrichtung) (14 Schritte mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem, das aus 20 Enden pro Lunte besteht) aufgebracht, dabei wird das Material so gewickelt, daß es die Verbindungsstelle zwischem dem zylinderförmigen Teil und den haubenförmigen Endteilen des Gefäßes überdeckt. Fig. 3 zeigt ein Gefäß nach der Durchführung der beiden genannten Schritte des V/ickelverfahrens.

Anschließend wird das verbleibende, polar orientierte Material (147 Kreise oder Ringe mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem, auch 4-Vorspinn-Versorgungssystem genannt, das 20 Enden pro

509845/0355

Lunte oder Vorgarn enthält) in einer der ersten polaren Umhüllung entsprechenden Weise aufgebracht, und entfaltet die Wirkung, daß dadurch die in Umfangsrichtung gewickelte Umhüllung vor einer Be\*egung relativ zum Gefäß geschützt wird. Schließlich werden zwei Schichten aus in Umfangsrxchtung gewickeltem Material (4 Schritte mit einem 4-Lunte-Versorgungssystem, das 20 Enden pro Lunte oder Vorgespinste enthält) auf den mittleren Bereich des Zylinders aufgebracht. Das vollständig umwickelte Gefäß ist in Fig. 4 dargestellt. Das Fadenmaterial wird natürlich mit Kunstharz überzogen, während es um den Behälter gewickelt wird. Diese Beschichtung wird dadurch durchgeführt, daß die Fäden durch einen mit Kunstharz gefüllten Vorratsbehälter geführt werden, bevor sie gewickelt werden. Dem Wickelschritt folgt anschließend ein Wärmebehandlungsschritt nach, der bei dem oben spezifizierten Gefäß die Temperatur von 176,7°C nicht überschreiten sollte.

Nachdem das Gefäß umwickelt und wärmebehandelt wurde, wird der Maßänderungs-Druckbelastungsschritt durchgeführt. Dieser Schritt wird bei dem gemäß den oben angegebenen Werten spezifizierten Gefäß dadurch bewerkstelligt, daß der Druck im Gefäß allmählich auf 562 atü gesteigert wird, wobei die Druckänderungsrate 35 atm pro Minute nicht überschreiten darf. Anschließend wird der Druck im Gefäß wieder allmählich auf den Umgebungsdruck reduziert.

In demjenigen Zeitintervall, in dem der Druck die Streckgrenze des Metallbehälters überschreitet, verformt sich der Behälter plastisch nach außen und besitzt das Bestreben, diese erweiterte Form, auf die das Gefäß plastisch verformt wurde, im weiteren beizubehalten. Allerdings wird dabei die elastische Grenze der Fadenumwicklung während des Maßänderungs-

509845/0355

Druckbelastungsschrittes und der plastischen Verformung des Behälters nicht überschritten. Aufgrund der plastischen Verformung des Behälters befindet sich die Fadenumwicklung auch dann unter Spannung, wenn der Behälter elastisch entlastet wurde. Daher übt die Fadenumwicklung allgemein eine nach innen gerichtete Kraft auf die äußere Oberfläche des Behälters aus, wenn der Behälter den elastisch unbelasteten Zustand erreicht. Diese nach innen gerichtete Kräfte der Umwicklung bewirken eine Kompression und eine elastische Deformation des Behälters. Die Größe dieser Kräfte reicht jedoch nicht aus, den Behälter plastisch zu deformieren und zusammenzupressen. Nach dem Maßänderungs-Druckbelastungszyklus ist daher die Fadenumwicklung spannungsbelastet, und das Gefäß steht unter einer Kompressionsbelastung.

Um eine plastische Deformation nach außen und ein Bersten des Behälters nach dem Maßänderungs-Druckbelastungszyklus zu bewirken, ist es notwendig, den Druck innerhalb des Behälters auf einen so großen Wert anwachsen zu lassen, daß die Kompressionskräfte im Behälter überstiegen werden, und daß zur nach außen gerichteten Deformation des Behälters eine Kraft ausgeübt wird, die die starke Fadenumwicklung zum Reißen bringt. Bei einer Belastung mit normalen Betriebsdrucken können die Druckkräfte die Kompressionskräfte in dem Behälter zwar übersteigen. Die Druckkräfte sind jedoch während des Normalbetriebes nicht so groß, daß sie den Behälter plastisch gegen die Wirkung der Fadenumwicklung deformieren.

Es sei darauf verwiesen, daß die erfindungsgemäß einem Maßänderungs-Druckbelastungsschritt unterworfenen Behälter auch eine Haarrißbildung aufweisen, der Einfluß dieser Haarrißbildung bleibt jedoch auf die Eigenschaften des Behälters minimal.

509845/0355

Obwohl in der in den Zeichnungen dargestellten, speziellen Ausführungsform das fadenförmige Umwicklungsmaterial aus Glas besteht, lassen sich auch andere fadenförmige Materialien oder Kombinationen von Materialien einschließlich Graphit, Bohr oder Kevlar verwenden.

Die Druckbehälter, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, schließen diejenigen Druckbehälter ein, die für Atmungssysteme mit komprimierter Luft verwendet werden, wie sie z.B. von Feuerwehrleuten oder Tieftauchern benutzt werden, sie umfassen außerdem Vorratsbehälter für flüssige Gase, Chemikalien, Brennstoffe und Gase.

Typische Werte für einen derartigen Druckbehälter lauten z.B.:

1. Maximales Gewicht von etwa 4,1 Kg.

2. Maximaler Betriebsdruck von 316 atü (Belastungsdruck von 281 atü).

3. Minimales Inhaltsvolumen von 4588,4 cm-³.

4. Prüfdruck von 477,5 atü.

5. Minimaler Berstdruck von 633 atü.

6. Preiswerte Herstellung, die eine kommerzielle Produktion rechtfertigt.

509845/0355

Claims

Patentansprüche

1. Druckbehälter,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Gefäß vorgesehen ist, das einen zylinderförmigen Teil und an jedem Ende des zylinderförmigen Teils ein haubenförmiges Endteil besitzt, daß das zylinderförmige und die haubenförmigen Teile im wesentlichen gleiche Dicke besitzen, daß mehrere Wicklungen eines Glasfasermaterials um das Aluminiumgefäß abwechselnd in polar orientierten und in Umfangsrichtung orientierten Wicklungsanordnungen vorgesehen sind und eine Umwicklung bilden, daß mindestens eine in Umfangsrichtung orientierte Wicklungsanordnung über die Verbindungsstellen zwischen dem zylinderförmigen Teil mit den haubenförmigen Endteilen gewickelt ist und durch eine polar orientierte Wicklungsanordnung gegen das Gefäß gedrückt wird, und daß die Umwicklung in einem vorbelasteten Zustand ist, in dem Druckkräfte auf die äußere Oberfläche des Gefäßes ausgeübt werden.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Fadenumwicklung (a) eine erste polar orientierte Wicklungsanordnung auf der Oberfläche des Behälters enthält (b) eine erste in Umfangsrichtung orientierte Wicklungsanordnung über der ersten polar orientierten Wicklungsanordnung enthält, die sich über die Verbindungsstellen zwischen dem zylinderförmigen und den

509845/0355

haubenförmigen Endteilen des Behälters erstrecken, und (c) eine zweite polar orientierte Wicklungsanordnung enthält, die über der ersten in Umfangsrichtung orientierten Wicklungsanordnung aufgebracht ist und diese in Umfangsrichtung orientierte Wicklungsanordnung vor einer Bewegung relativ zum Behälter schützt.

3· Druckbehälter nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenumwicklung außerdem eine zweite in Umfangsrichtung orientierte Wicklungsanordnung enthält, die über der zweiten polar orientierten Wicklungsanordnung liegt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters nach Anspruch 1,

gekennzeichnet d i, r c h folgende Verfahrensschritte: die Formung eines Gefäßes mit einem zylinderförmigen Teil und je einem haubenförmigen Teil an jedem Ende des zylinderförmigen Teils, die Umwicklung des Gefäßes mit fadenförmigem Wicklungsmaterial, die in folgender Reihenfolge abläuft:

(a) Wickeln des Fadenmaterials um das Gefäß in polarer

Richtung zum Aufbringen einer ersten polaren Umwicklung,

(b) Wickeln des Fadenmaterials über die erste polare Umwicklung in Umfangsrichtung und über einen ausreichend großen Bereich des Gefäßes, der die Verbindungsstellen des zylinderförmigen Teils mit den haubenförmigen Endteilen überdeckt, wodurch eine erste in Umfangsrichtung orientierte Umwicklung hergestellt wird, und

(c) das Wickeln des fadenförmigen Materials in polarer Richtung über die erste in Umfangsrichtung ge-

509845/0355

wickelte Umwicklung, um eine zweite polare Umwicklung auszubilden, die die in Umfangsrichtung verlaufende Umwicklung vor einer Relativbewegung gegenüber dem Gefäß schützt.

Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß in einem v/eiteren Verfahrensschritt fadenförmiges Wickelmaterial über die zweite polar orientierte Umwicklung in Umfangsrichtung aufgebracht wird und den zylinderförmigen Teil des Gefäßes bedeckt und auf diese Weise eine zweite, in Umfangsrichtung gewickelte Umwicklung darstellt.

Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zur Herstellung der zweiten, in Umfangsrichtung verlaufenden Umwicklung einen Schritt zur Beendigung der Bewicklung mit Fadenmaterial in der Nähe der Verbindungsstelle des zylinderförmigen Teils mit den haubenförmigen Endteilen enthält.

Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß bei der Formung des Gefäßes in einem Verfahrensschritt die haubenförmigen Endteile und der zylinderförmige Teil aus Aluminium hergestellt werden.

509845/0355

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß beim Umwickeln des Gefäßes eine Versorgung mit Fiberglas-Fadenmaterial vorgesehen ist, und daß in einem Verfahrensschritt das Fiberglas-Fadenmaterial vor dem Bewickeln des Gefäßes mit einem Epoxyharz beschichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Verfahrensschritt der Behälter nach dem Umwickeln des Gefäßes einem Wärmebehandlungsverfahren unterworfen wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet,

daß in einem weiteren Verfahrensschritt der Behälter nach dem Umwickeln des Gefäßes über die elastische Grenze des Gefäßes hinaus mit Druck beaufgeschlagt wird, daß das Gefäß durch Reduktion des Druckes elastisch entlastet und das Gefäß durch die Fadenumwicklung zusammengedrückt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das Fadenmaterial aus Graphit, oder Bohr oder Kevlar besteht.

ReRb/Pi.

509845/0355

Leerseite