DE3103646C2 - Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport gasförmiger Strömungsmittel - Google Patents

Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport gasförmiger Strömungsmittel

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DE3103646C2 DE19813103646 DE3103646A DE3103646C2 DE 3103646 C2 DE3103646 C2 DE 3103646C2 DE 19813103646 DE19813103646 DE 19813103646 DE 3103646 A DE3103646 A DE 3103646A DE 3103646 C2 DE3103646 C2 DE 3103646C2
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Abstract

Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische mit einem rohrartigen Metallkörper, die wenigstens an einem Ende zu einer kalottenartigen Abschlußkappe verformt sind, sollen für beliebige Arten von Gas in beliebigem Aggregatzustand bei hohem Innendruck von etwa 200 bar und mehr so hergestellt werden, daß sie ein möglichst geringes Gewicht aufweisen und damit insgesamt zu einer höheren Nutzlast führen, auch sollen sie besonders kostengünstig zu fertigen sein. Dies wird durch einen Druckbehälter erreicht, bei dem die Wandstärke des rohrartigen Abschnittes des aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallkörpers gegenüber der Wandstärke der kalottenartigen Kappe/n vermindert und von einem Mantel aus faserverstärktem, insbesondere mit Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Borfasern verstärktem Kunststoff umgeben ist. Dabei sollen die Fasern des Mantels um den Aluminiumkörper gewickelt sein und auf diesem zumindest teilweise Schraubenlinien erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport gasförmiger Strömungsmittel mit einem rohrförmigen, wenigstens an einem Ende zu einer kalottenartigen Abschlußkappe verformten Metallkörper, insbesondere aus Leichtmetall, und mit einem gewickelte Fasern enthaltenden Kunststoffmaterial.
Zur Lagerung und zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische werden üblicherweise Druckgasbehälter verwendet, die aus nahtlosen Stahlrohren mit durch Rollformen verschlossenen Enden bestehen und so ein zigarrenartiges Aussehen haben. Diese Behälter werden — sowohl einzeln als auch zu größeren Einheiten oder Batterien zusammengefaßt — ortsfest als Gasvorratsbehälter oder aber ortsveränderlich als Transportbehälter auf Straßen- und Schienenfahrzeugen verwendet.
Aufgrund der durch die Füllung erzeugten hohen Innendrücke bis über 200 bar und infolge bestehender Sicherheitsvorschriften, insbesondere für ortsveränderliche Druckgasbehälter ergeben sich im Hinblick auf das hohe Eigengewicht von Stahlflaschen erhebliche Nachteile; Straßentransportfahrzeuge für Flüssiggas haben bei einer Ausrüstung mit Stahlflaschen lediglich eine
Nutzlast von etwa 10%.
Ein Druckbehälter der eingangs erwähnten Ausgestaltung ist durch die DE-OS 25 16 395 bekanntgeworden; diese beschreibt einen Druckbehälter, dessen
s insbesondere aus Leichtmetall bestehender Metallkörper zumindest teilweise von einem — unter Erzeugung von Schraubenlinien gewickelte Fasern enthaltenden — Kunststoffmantel umgeben ist Dabei handelt es-sich um einen tragbaren Druckbehälter in Leichtbauweise aus
ίο einem Leichtmetallgefäß einheitlicher Wanddicke und einer vollständigen Umwicklung.
Zur Herstellung dieses Gefäßes wird ein rohrförmiger Rohling auf dem Wege des Kaltspritzens erzeugt uiid anschließend das geschlossene Ende dieses Rohlings zuerst in einer heißen Form und anschließend in einer kalten Maßform zur Kappe umgestaltet
Eine andere Druckgasflasche offenbart die CH-PS 4 52 568; diese Flasche besitzt einen Kunststoffmantel, der durch einen inneniiegenden Aluminiumkörper abgedichtet ist Die Wandstärke der Lcichtmetaüaiiskleidung ist an allen Stellen gleich; an den Enden sind Anformungen vorgesehen, die einerseits einen Stellfuß ergeben und andererseits das Einfügen eines Stahlverschlusses ermöglichen.
Bei diesen Druckgasflaschen ist sowohl deren komplizierte Hersteiiung als auch ihr hohes Dienstgewicht bei verhältnismäßig geringer Festigkeit als nachteilig anzusehen, weshalb sich der Erfinder das Ziel gesetzt hat Druckbehälter für Aufbewahrung und Transport hochgespannter Gase und Gasgemische zu schaffen, die sowohl einfach und kostengünstig herzustellen als auch — bei geringem Gewicht und damit hoher Nutzlast — betriebssicher sind. Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß sich die Wandstärke des rohrförmigen Metallkörpers in axialer Richtung von dessen Enden zu seiner Mitte hin vermindert, und daß nur der Bereich verminderter Wandstärke vom faserverstärkter, Kunststoffmantel umgeben ist
Die Verminderung der Wandstärke des zylinderförmigen Metallkörpers führt zu einer erheblichen Gewichtsminderung, wobei die Druckfestigkeit des Metallkörpers durch die — nur in bestimmten Bereichen vorgesehene — Glasfaserwicklung den aufgabegemä-
•»5 ßen Innendrücken angepaßt ist.
Es wäre zwar denkbar, die Glasfaserwicklung gürtelartig um den Metallzylinder zu legen und dadurch radial nach außen gerichtete Drücke zu kompensieren, dabei müßte jedoch für die dazu geneigten Druckkom ponenten, insbesondere für den Axialdruck, ein zusätzli ch 3s Zugorgan in Längsrichtung vorgesehen werden, das beispielsweise aus einer in der Längsachse verlaufenden Kunstfasertrosse bestehen könnte, die an beiden Enden des Druckbehälters verankert sein müßte.
Um das kappenförmige Behälterende mit seiner verhältnismäßig starken Wandung durch die Glasfasern am rohrförmigen Behälterteil besser halten zu können, hat es sich als günstig erwiesen, an den rohrförmigen Metallkörper im Bereich des Übergangs zur verminderte ten Wandstärke quer zur Längsachse des Druckbehälters verlaufende Wülste anzuformen.
Erfindungsgemäß sind die Anformungen als Wülste ausgebildet, an deren dem benachbarten Behälterende zugeordneten Flanken die Glasfasern angelegt sind;
Ί5 diese Glasfasern wirken also mit den Widerlagern zusammen als Haltestränge, welche den dickerwandi· gen Behälterteil besonders im Übergangsbereich am dünnwandigen Behälterteil halten. Gerade in diesem
-Γ kritischen Obergangsbereich tritt so eine erhebliche %■ Verstärkung des gesamten Behälters ein. Die Wicklun- k- gen brauchen also nicht über die gesamte, gegebenenfalls über 10 m betragende Behälterlänge schraubenlinienförmig gelegt sein; es genügt, wenn diese Form der Wicklung auf die beiden Endbereiche des Mantels ~ beschränkt bleibt. Die innere Flanke des dem rohrartigen Abschnitt Nächstliegenden Wulstes bildet eine ringartige Wandung für eine durch die -Wandstärkenminderung von der kalottenartigen Kappe zum m rohrardgen Abschnitt an dessen Umfang entstehende Einformung. Diese nimmt im wesentlichen den Kunststoffmantel auf, der allerdings an beiden Enden über den rohrartigen Abschnitt hinaus auf die Kappe greift und bevorzugtermaßen an den beiden zu den Enden ί weisenden Übergangsbereichen besonders stark ist — dies nicht zuletzt wegen der dort bevorzugt auftretenden Diagonalwicklung.
Ebenfalls hat es sich gezeigt, daß eine sich
U verjüngende Wandstärke des Metallkörpers im Übergangsbereich zwischen Kappe und rohrförmigen! Abschnitt zu letzterem hin günstig ist, wobei der an den Wulst anschließende Abschnitt des Bodens der Einformung vom Wulst ab zur Längsachse in einem spitzen Winkel geneigt verläuft. -J5
Der erfindungsgemäße Druckbehälter weist also in seinen Kopfbereichen jeweils einen dickwandigen Boden auf, so daß ohne zusätzliche Verstärkung die auftretenden Spannungen kompensiert zu werden vermögen. Am Übergang des Bodens bzw. der Kappe jo zum zylindrischen oder rohrförmigen Abschnitt sind bevorzugt ringförmige Wülste oder Nocken eingeformt, damit eine Angriffsfläche für die Wicklung entsteht; diese entlastet den zylindrischen Teil des Aluminiumkörpers von Axialkräften.
Eine im Vergleich zu den dickwandigen Böden oder Kappe erheblich verminderte Wandstärke — erfindungsgemäß beispielsweise ein Fünftel der Bodenwandung — des zylindrischen Abschnittes führt zu einer beachtlichen Gewichtsminderung, die durch die aufgewickelte Glasfaserverstärkung nicht stark zunimmt. Diese Glasfaserverstärkung bedingt andererseits eine ausreichende Festigkeit des gesamten Druckbehälters und ermöglicht die Aufnahme der auftretenden Spannungen bzw. Tangential-, Axial- und Radialkräfte. Da aufgrund der ausreichenden Wandstärke des Aluminium-Innenbehälters im Bereich der Kappen oder Böden eine zusätzliche Verstärkung entfällt, ergibt sich eine verhältnismäßig einfache Wicklung.
Den Mantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff kann ein Schutzrohr umgeben, welches möglicherweise auftretende Schläge vom Kunststoffmantel abhält und gegebenenfalls mit Umfangsrippen versehen ist; diese verbessern beispielsweise die Roilbarkeit und Stapelfähigkeit des Behälters und bilden zusätzliche Stoßleisten.
Insbesondere bei Verwendung dieses Schutzrohres hat es sich bewährt, daß im Bereich des Übergangs zur verminderten Wandstärke die Stärke des Kunststoffmantels zu den Enden des Druckbehälters hin zunimmt, wobei durch wenigstens eine den Kunststoffmantel fcö umgebende Schicht aus Schaumstoff die zylindrische Behälterkontur erreicht wird; diese Schicht schützt die Gh.sfaserwicklungen in einem Brandfall und erhöht darüber hinaus die Sicherheit gegen Stoßeinwirkungen.
In dem im Rahmen der Erfindung liegenden Fall eines Zusammenbaus mehrerer lohrezu einem Behälter-Modul kann die Einschäumung des gesamten Behälters entfallen. Eine solche Zusammenfassung zu einem Modul wird auch durch das bereits beschriebene Schutzrohr vereinfacht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
F i g. 1 den teilweise wiedergegebenen Längsschnitt durch einen Druckbehälter;
Fig. 2" den Querschnitt durch den Druckbehälter der Fi g. 1 entsprechend deren Linie H-II;
Fig.3 einen Teil des Längsschnittes durch einen anderen Druckbehälter;
Fig.4 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensstufen zur Herstellung des Druckbehälters.
Ein Druckbehälter 1 weist gemäß F i g. 1 einen aus Aluminium bestehenden zylindrischen Rohrkörper 2 einer Länge a von beispielsweise 10 m auf, den an beiden Enden kartenförmige Kappen 3 einer Wandstärke b verschließen. Der Innenrad;;>s e der Kappe 3 beträgt im gewählten Beispiel 15 cm.
Jede der Kappen 3 ist in der Längsachse M des Druckbehälters 1 mit einer Zenitbohrung 4 versehen, die von einem — auf einen an die Kappenaußenscite 5 angeformten Kragen 6 aufgelegten — Deckel 7 überspannt wird. Beide Deckel 7 sind miteinander durch ein Zugorgan 8 verbunden, das in jener Längsachse M verläuft.
In einem Übergangsbereich / am Ende des Rohrkörpers 2 vermindert sich dessen Wandstärke — im Anschluß an die Kappenstärke b — auf ein in der Zeichnung mit ζ verdeutlichtes Maß, das im mittleren Zylinderbereich k konstant ist und etwa einem Fünftel der Kappenstärke b entspricht.
Da die Innenfläche 9 des Rohrkörpers 2 zylindrisch ist, entsteht in jedem Bereich k verminderter Wandstärke ζ an der Außenseite 10 des Druckbehälters 1 eine Einformung 11 ringartigen Querschnittes (siehe F i g. 2), weiche zu den Kappen 3 hin durch geschwungene Schulterflächen 12 begrenzt ist.
Do Einformung U nimmt einen glasfaserverstärkten Kunststoffmantel 13 auf, dessen Stärke ν zumindest der Zylinderwandstärke ζ entspricht. Dieser Kunststoffmantel 13 verstärkt als Druckmanscheue den Zylinderbereich k gegen radialen Innendruck. Dem durch eine eingebrachte Gasfüllung entstehenden Innendruck wirkt bezüglich der axialen Komponente die beschriebene Zugeinheit 7,8 entgegen.
Auf den Rohrkörper 2 ist ein Hüllrohr 20 der Wandstärke η — in Fig. 1 überhöht dargestellt — aufgeschoben, das die Druckmanschette 13 gegen Stoß und damit auch eingebettete Glasfasern gegen Kerbschlägf" schützt sowie durch Ringrippen 21 die Roilbarkeit des Druckbehälters 1 begünstigt.
Der Rohrkörper 2 eines in F i g. 3 wieder^gebenep Druckbehälters 1 zeigt einen verhältnismäßig langen Übergangsbereich ;' mit einer nur geringfügig in einem spitzen Winkel t zur Längsachse M geneigten Schulterfläche 12S, i.t in der Nähe der Kappe 3 in einen ringartigen Wulst 15 übergeht; ein weiterer Wulst 15a in der Kappenaußenseite 3 schließt an den Wulst 15 des Rohrkörpers 2 an. Diese Ringwülste 15, S5a erlauben eine zur Längsachse M in einem Winkel w von beispielsweise 60° geneigte Wicklung der Glasfasern 14 des Kunststoffmantels 13, der so in der Lage ist, sowohl die radialen als auch alle dazu geneigten Druckkomponenten aufzunehmen.
Die Stärke ν des Kunststoffmantel 13 nimmt etwa entsprechend dem Wandquerschnitt des Rohrkörpers 2
im Übergangsbereich /zum mittleren Zylinderbereich * hin ab.
Auch hier umgibt den Rohrkörper 2 eine Hüllrohr 20 und erzeugt einen Hohlraum 19, der andererseits von der Oberfläche 17 des Kunststoffmantels 13 begrenzt s wird und eine Füllung 18 aus schwerentflammbarem Schaum aufnimmt. Letzterer deckt die gesamte Oberfläche 17 des Kunststoffmantels 13 als Wärmeschild ab und gewährleistet zudem einen festen Sitz des Hüllrohres 20.
Zur Herstellung eines derartigen Druckbehälters 1 wird gemäß F i g. 4 in einer Verfahrensstufe I von einem stranggepreßten Aluminiumrohr 30 der Wandstärke b ein Abschnitt 31 abgetrennt, den man in einer Verfahrensstufe Il in seinem Mittelbereich * auf einer Rollformmaschine abstreckt. Hierbei werden auch die Wulstringe 15 - zur Ableitung der Zugkräfte auf die Glasfasern 14 — angedrückt.
Dann werden in der Verfahrensstufe III die Enden des entstandenen Rohres unterschiedlicher Wandstärken b und ζ auf einer Rollformmaschine zu den Kappen 3 verformt.
Nach Lösungsglühen, Reinigen und Warmlagern der Rohrkörper wird auf diese in Verfahrencstufe IV der Kunststoffmantel 13 bzw. die Glasfaserverstärkung und auf diese der Schaumstoff 18 aufgebracht
In Verfahrensstufe V schrumpft man das Aluminiu-nrohr 20 mit seinen nach außen weisenden Ringrippen 21 auf. Dieses ist ebenfalls durch Strangpressen eines dickwandigen Rohre erzeugt worden, dessen Wandstärke von der gewünschten Stärke des Schutzrohres und der Höhe der Ringrippen 21 bestimmt ist
Dieser Rohrabschnitt wird dann auf einer Rollformmaschine zu einem dünnwandigen Rohr mit den Verstärkungsringen 21 verformt.
Statt des Aluminiumrohres kann als Hüll- oder Schutzrohr 20 auch ein sehr dünnes Stahlrohr oder aber ein hartes Kunststoffrohr geringen Gewichtes Verwendung finden.
Der so hergestellte Druckbehälter S ist zur Lagerung und zum Transport hochgespannter Gase und Gasgemische, welche Innendrücke über 200 bar erzeugen, bei einem sehr niedrigen Leergewicht besonders geeignet.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Druckbehälter zur Lagerung sowie zum Transport gasförmiger Strömungsmittel mit einem rohrförmigen, wenigstens an einem Ende zu einer kalottenartigen Abschlußkappe verformten Metallkörper, insbesondere aus Leichtmetall, und mit einem gewickelte Fasern enthaltenden Kunststoffmantel, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wandstärke (z) des rohrförmigen Metallkörpers (2) in axialer Richtung von dessen Enden zu seiner Mitte hin vermindert, und daß nur der Bereich verminderter Wandstärke vom faserverstärkten Kunststoffmantel (13) umgeben ist
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem rohrförmigen Metallkörper (2) im Bereich (i) des Oberganges zur verminderten Wandstärke (z) quer zur Längsachse (M) des DhKkbehälters (t) verlaufende Wülste (15) angeformt sind (F i g. 3).
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (i) des Obergangs zur verminderten Wandstärke (z) diese stetig abnimmt
4. Druckbehälter nach Ansprach 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Wulst (15) anschließende Abschnitt (12) des Überganges ftjzur verminderten Wandstärke (z) vom Wulst ab zur Längsachse (M) in einem spitzen Winkel (t) geneigt verläuft und c'.ne sich verjüngende Wandstärke des Metallkörpers (2) im Oberga^?sbereich (i) bedingt (F ig. 3).
5. Druckbehälter nach einem f*zr Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (i) des Überganges zur verminderten Wandstärke (z) die Stärke (v) des Kunststoffmantels (13) zu den Enden des Druckbehälters (1) hin zunimmt, wobei durch wenigstens eine den Kunststoffmantel umgebende Schicht (18) aus Schaumstoff die zylindrische Behälterkontur erreicht wird.
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