DE2555727B2 - Innendruckbelasteter flacher hohlkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es sind vornehmlich in der Raketentechnik für die Aufbewahrung und den Transport von Gasen oder Flüssigkeiten Druckbehälter bekannt, bei welchen die druckfesten Wände aus Metall oder im Filament-Winding-Verfahren aufgebauten Kunststoff-Rovings bestehen; dabei wird die Permeabilität dieser Wandteile durch einen sogenannten Liner ausgeglichen, der als undurchlässige Haut an der inneren Oberfläche der Wände anliegt. Bei der Herstellung solcher Hohlkörper wird in der Regel einer kugeligen oder zylindrischen Form mit halbkugeligen oder balligen Endstücken der Vorzug gegeben, Weil diese Formen leichter die geforderten Druckfestigkeiten gewährleisten. Flache innendruckbelastbare Hohlkörper sind nicht bekannt.

Nach der GB-PS 8 36 739 sind innendruckbelastete Hohlkörper beliebiger Geometrie bekannt, die aus einem Rahmenwerk mit dazwischenliegenden Membranen bestehen. Diese können sich bei Belastung senkrecht zu ihren Hauptausdehnungsrichtungen bewegen, bis sie ggf. an einzeln angeordnete, als Widerlager dienende Balken stoßen und so an der weiteren Bewegung gehindert werden. Die bis dahin erfolgte Bewegung der Membranen sowie die nach ihrem Anliegen an die Widerlager auch nicht ganz auszuschaltende Bewegung zwischen denselben bedingt eine laufende Relativbewegung nicht nur der sich dabei dehnenden und wieder zusammenziehenden Membrane, sondern auch ihrer Halteelemente und damit ihre rasche Ermüdung; eine dauernde Maßhaltigkeit kann damit nicht erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen flach gestalteten innendruckbelastbaren Hohlkörper aufzuzeigen, der die Aufnahme eines den Druck bewirkenden, z. B. gasgefüllten Einschubkerns ermöglicht und der seine geometrische Form auch bei beträchtlicher Erhöhung des Innendruckes im wesentlichen nicht ändert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Hohlkörper der eingangs erwähnten Art durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Lehre; Weiterbildungen der Erfindung durch die in den Unteransprüchen beschriebenen Ausgestaltungen und Verfahren.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß optimale Maßhaltigkeit bei starker Innendruckbelastung flacher Hohlkörperformen nur erreichbar ist, wenn die Dehnsteifigkeit des Werkstoffes voll ausgenutzt wird. Bei Verwendung einer auf Druck beanspruchten Membrane, deren Verformung in Dickenrichtung durch geeignete Füllmittel und deren Verformung in Längsrichtung durch Stützmittel, wie Anker oder äußere Membrane, behindert bzw. ausgeglichen wird, bleiben die Verformungen allgemein minimal. Es handelt sich dabei also um einen beidseitig eingespannten Balken, wodurch nicht nur eine hochfeste, sondern auch eine hochsteife Anordnung ermöglicht wird.

Nach der DT-OS 25 13 292 ist eine Abbildungskammer für Röntgenstrahlen vorgeschlagen worden, deren Druckkammer als prismatischer Körper mit der Außenform einer Bildkammer angepaßten, derselben an wenigstens einer Stirnseite offenem Hohlraum ausgeführt ist. Dabei ist die Druckkammer mit dünnen, hochfesten, aber nicht hochsteifen Wandungen versehen, wodurch ebenfalls Relativbewegungen die Folge sind, mit den daraus resultierenden Ermüdungserscheinungen und der fehlenden Maßhaltigkeit.

Auch eine Ausbildung nach diesem Vorschlag stimmt daher weder seinem Aufbau noch seiner Wirkung nach mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung überein.

Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes und des Verfahrens zu seiner Herstellung sind aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die Zeichnung zeigt, in verschiedenen Maßstäben, in

F i g. 1 bis 3 in schematischer Darstellung die Querschnitte von drei verschiedenartig aufgebauten Hohlkörpern,

Fig.4 in perspektivischer Darstellung einen Hohlkörper gemäß der Erfindung mit einem druckbelastbaren Einschubkern,

F i g. 5 einen Querschnitt V- Vdes in F i g. 4 dargestellten Hohlkörpers, ebenfalls in perspektivischer Darstellung,

F i g. 6 bis 9 perspektivisch dargestellte Einzelheiten des Verfahrens zur Herstellung eines Hohlkörpers.

Jede druckfeste Wand nach der Erfindung besteht gemäß F i g. 1 im wesentlichen aus zur Innenseite angeordneten und konvex ausgewölbten Membranen 1 bzw. 5, mindestens zwei seitlichen Wangen 2, 3 aus widerstandsfähigem biegesteifen Material, z. B. Metall, an welchen die Membranen 1 und 5 festgelegt sind, und die Wangen 2, 3 im gewünschten Seitenabstand haltenden und ah Stützmittel dienenden Ankern 4 und 6, die zugleich die von dem Membranen 1 und 5

ausgehenden Druckkräfte aufnehmen. Bei dem dargestellten Beispiel wurden die Abmessungen der Wangen 2, 3 so gewählt, daß zwischen den beiden darin festgelegten Membranen 1 und 5 der genau einzuhaltende Abstand a zur Einbringung eines Kerns, z. B. der Einschubkassette 2! gemäß F i g. 4, gebildet wird. An den Stirnseiten kann der Hohlkörper offen bleiben oder entweder mit ähnlichen Membranelementen oder mittels druckfester Platten abgeschlossen werden. Zwischen den innen angeordneten Membranen 1 bzw. 5 und den außen angeordneten Ankern 4 bzw. 6 ist ein Füllwerkstoff (Stützfiillung 7 bzw. 8) eingeschlossen. Dieser kann aus Kunststoff-Hartschaum bestehen. Er unterstützt die Membranen 1 und 5 und erhöht ihre Versagensgrenze (z. B. durch Beulen), zugleich dient er zur Übertragung der von der Einschubkassette 21 (F i g. 4) in den Zwischenraum (Abstand a) eingeführten Druckkräfte von den innen angeordneten Membranen zu den Ankern.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 sind anstelle der die Außenwandungen des Hohlkörpers darstellenden Anker ebenfalls als Stützmittel wirkende äußere Membranen 9 und 10 vorgesehen.

Eine Druckbelastung vom Inneren des hochsteifen Hohlkörpers her bewirkt sowohl bei dieser Ausführung als auch bei der Ausführung nach F i g. 1 nur eine Längsverformung der Stützmittel. Durch gegenseitige Beeinflussung der (inneren) Membranen 1, 5 und der (äußeren) Stützmittel, diese sowohl in Form von Ankern 4, 6 als auch in Form von Membranen 9, 10, wird die Aufweitung des Hohlkörpers bzw. eine Längung der Abstände a bzw. b im wesentlichen ausgeschaltet.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 wurde durch Aushöhlung der Wange 11 ein Druckraum 12 geschaffen. Dieser kann durch entsprechende Druckfüllung zum Ausgleich des durch das Einschieben eines Kerns (Einschubkassette 21 in F i g. 4) zwischen die Membranen 13 und 14 hervorgerufenen Drucks herangezogen werden, so daß eine Verformung des Hohlkörpers nicht auftritt. Die Wange 11 ist zu diesem Zwecke in Längsrichtung in zwei Stege 37 und 38 unterteilt. Der die Membranen 13 und 14 festlegende Steg 38 kann bei Erhöhung des Drucks im Druckraum 12 etwa auftretende Längsverformungen der Membranen 13 und 14 und damit eine Vergrößerung des Abstandes c verhindern.

Nach der Darstellung gemäß Fig.3 kann die langgestreckte rechteckige Form des Schlitzes 43, der durch den Abstand c zwischen den beiden Membranen 13 und 14 entsteht, mit vier keilförmigen Stützfüllungen 44 und 47 vervollständigt werden.

Die Darstellung gemäß F i g. 4 zeigt die Verwendung des Hohlkörpers 20 als Halterung für eine strahlenempfindliche Folie 23 einer xeroradiograpnischen Einrichtung, wie sie z. B. für die Herstellung medizinisch aufschlußreicher Röntgenaufnahmen vorgeschlagen wird. Bei diesem Verfahren werden durch Bestrahlung hervorgerufene elektrostatische Aufladungen einer Folie durch Einfärbung derselben sichtbar gemacht. Da faserverstärkte Kunststoffe für Röntgenstrahlen durchlässig sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel — abgesehen von den metallischen Wangen, die in F i g. 4 nicht sichtbar sind — der gesamte Hohlkörper 20 und auch die Einschubkassette 21 aus Kunststoff, zum Teil mit Faserverstärkungen, hergestellt. Davon ist hier lediglich eine als Anker 22 dienende äußere Wickelschicht des Hohlkörpers 20 sichtbar. Als Abschluß des druckbelastbaren Hohlkörpers 20 an der Stirnseite dient eine Metallplatte 24; diese enthält einen Ausschnitt 25, der die Ausmaße der Einschubkassette 21 aufweist.

F i g. 5 zeigt, daß beim Hohlkörper 20 nach F i g. 4 die Wangen 26 und 27 in Richtung nach den Außenseiten zur Erleichterung der Fertigung der Anker 22, 49 abgerundet sein können und auf den Innenseiten, die den Hohlraum 32 seitlich begrenzen, mit Metalleisten 28 bis 31 bestückt sind, die einerseits die Nuten 39 bis 42 für die Festlegung der Membranen 33 und 34 aufweisen und andererseits Führungsnischen 35 und 36 für die auf

ίο F i g. 4 dargestellte Einschubkassette 21 bilden.

Die Verfahrensschritte bei der Herstellung des Hohlkörpers gemäß der Erfindung erfolgen in der Weise, daß zunächst die (inneren) Membranen 33 und 34 — im Falle des Ausführungsbeispieles nach F i g. 4 und 5 — im Wickelverfahren aus harzgetränkten Fasern, vorzugsweise Kohlestoffasern, auf einem kreisförmigen Dorn 48 gemäß F i g. 6 gewickelt werden können, so daß bei gering gewählten Fortschrittsgraden ein Wickelwinkel von annähernd 90° entsteht. Der Umfang des Wickeldornes muß hierbei mindestens so groß sein wie die Länge der zu fertigenden Membranen. In F i g. 6 ist das bekannte Filament-Winding-Verfahren bei Herstellung von Membranen dargestellt, bei welchem harzgetränkte Endlosfäden auf einen rotierenden Dorn 48 gewickelt werden.

Nach dem Angelieren werden Wickelflächen in Größe der benötigten Membranen mit einer gewissen Zugabe für Verschnitt in Länge und Breite herausgeschnitten. Eine solche Wickelfläche 50 ist in F i g. 7 dargestellt; sie kann alsdann entweder noch auf dem Wickeldorn liegend im Vakuumsack oder nach ihrem Abnehmen vom Dorn in bekannter Weise in einer besonderen Form verpreßt und ausgehärtet werden. Für die in F i g. 7 gezeigte Wickelfläche 50 gilt, daß beim endgültigen Zuschneiden die Krümmungsradien der später ausgebogenen Membranflächen berücksichtigt werden können.

F i g. 8 zeigt die in die Nut 39 der Metalleiste 28 der Wange 27 eingesetzte Membrane 33, entsprechend Fig.5. Die Befestigungen lassen sich durch Einkleben

herbeiführen. Das Festlegen einer Membran in einer Nut kann aber auch unter Verwendung verschiebbarer Keile erfolgen.

Die Herstellung des Stützmittels, wozu z. B. sowohl Anker 4 und 6 nach F i g. 1 als auch äußere Membranen 9 und 10 nach F i g. 2 dienen können, erfolgt ebenfalls nach dem Filament-Winding-Wickelverfahren, wie es zu F i g. 6 beschrieben wurde.

Im Falle der Verwendung zweier Anker, z. B. nach Fi g. 1, wird dabei zur Positionierung der Wangen und Membranelemente ein Kern, z. B. analog einer Einschubkassette 21 (Fig.4), eingeschoben und dieses gesamte relativ biegesteife Gebilde als Wickeldorn für die Herstellung der Anker 4,6 benutzt.

Im Falle der Verwendung zweier äußerer Membranen 9 und 10 (F i g. 2) sind auf die konkave Seite beider Membranen 1,5 noch Füllwcrkstoffe 15 bzw. 16 (F i g. 2) aufzutragen und gegebenenfalls in noch nicht ausgehärtetem Zustand etwa in der Form der zu wickelnden Membranen 9 und 10 zu wölben. Alsdann kann das so vorbereitete Element als Wickeldorn wie vorbeschrieben verwendet werden.

Wie in F i g. 9 gezeigt ist, können Anker oder äußere Membranen in dieser Weise auf einem Dorn gewickelt werden, dessen geometrische Oberflächenform den oben beschriebenen Membranelementen 51 ohne oder mit aufgetragenem Füllwerkstoff entspricht So können auf einem Dorn, dessen Länge ein Vielfaches der Länge

des zu fertigenden Hohlkörpers beträgt, in einem Wickelgang Anker bzw. äußere Membranen für mehrere Hohlkörper gleichzeitig hergestellt werden. Auch kann zwischen Membran und Stützmittel eine Kunststoffmasse eingespritzt werden, die nach Aushärtung einen Hartschaumkörper hoher Festigkeit bildet.

Ein auf diese Weise im Wickelverfahren gewonnener Schlauch wird dann in die erforderlichen Längen abgeschnitten und in jedes Schlauchstück werden die Membranelemente eingepaßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Innendruckbelasteter flacher Hohlkörper, insbesondere Druckbehälter, mit die Innenwände bildenden und zum Innenraum des Hohlkörpers hin konvex gewölbten Membranen und mit diese außen umgebenden Stützmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schmalseiten des Hohlkörpers als biegesteife Wangen ausgebildet sind, an denen sowohl die Membranen als auch die Stützmittel festgelegt sind.

2. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zwischenräume zwischen den inneren Membranen (1, 5, 13, 14, 33, 34) und den äußeren Stützmitteln (4, 6, 9, 10, 22) eine Stützfüllung (7, 8, 15, 16), z.B. Kunststoff-Hartschaum oder dergleichen, eingebracht ist.

3. Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wangen Längsnuten aufweisen, in die die Randzonen der Membranen (1,5,13,14,33,34) eingelassen sind.

4. Hohlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (1, 5, 13,14,33,34) und die Stützmittel (4,6,9,10,22) aus röntgenstrahlendurchlässigen Werkstoffen aufgebaut sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche unter Verwendung faserverstärkter Kunststoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Wangen zusammen mit den Membranen und der Stützfüllung um einen Einschubkern, der als Wickeldorn dient, angeordnet und mit den getränkten Fasern umwickelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Traggerüst vorgefertigt wird.