DE3120375A1

DE3120375A1 - Ueberdrucksicherung fuer fluessigkeits-druckbehaelter

Info

Publication number: DE3120375A1
Application number: DE3120375A
Authority: DE
Inventors: Walter J. 01824 Chelmsford Mass. Mulawski
Original assignee: SEXTON CAN CO Inc
Current assignee: SEXTON CAN CO Inc
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1982-06-16
Also published as: GB2080436A; DE3120375C2; AR223436A1; IT8148513A0; GB2080436B; BR8104471A; JPS6152360B2; MX154778A; JPS5747099A; IT1142771B; CA1156569A

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERJCeC'.GERQ^ülIe'R·· Öl GßOSSE · F. POLLMEIER 22

" - bh -

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überdrucksicherung für Flüssigkeitsdruckbehälter

Gegenstand dieser Erfindung sind Überdrucksicherungen für Flüssigkeitsdruckbehälter.

FlUssigkeitsdruckbehälter werden in recht vielfäl-

tiger Weise als Vorrichtungen für die Aufnahme und für die Verteilung oder Abgabe von Flüssigprodukten verwendet, beispielsweise von Flüssigkeiten, von Ga- ^" sen und deren Verbindungen oder Kombinationen. Unter normalen Betriebsbedingungen verhalten sich solche

Behälter insgesamt zufriedenstellend. Dann aber,

wenn der Inhalt solcher Behälter der Einwirkung von zu hohem Druck ausgesetzt ist, beispiei1sweise aufgrund unsachgemäßer Behandlung, aufgrund zu starker Erwärmung oder aus sonstigen Gründen, kann es vor kommen, daß diese Behälter unter heftigen Begleit erscheinungen explodieren und zerbersten. Während der letzten 25 Jahre haben Fachleute dieses Problem dadurch zu lösen versucht, daß sie Behälter mit den verschiedenartigsten Überdrucksicherungen konstruiert haben. Als Beispiele für früher entwickelte Überdrucksicherungsvorrichtungen seien angeführt:- das US-Patent Nr. 2.795-350 (Lapin), das US-Patent Nr. 3.074.602 (Shillady und andere), das US-Patent Nr. 3.292.826 (Ablanalp), das US-Patent Nr. 3.6222.051

25, (Benson) , das US-Patent Nr. 3.826.412 (Kneusel),

das US-Patent Nr. 3.831.822 (Zundel) sowie das US-Patent-Nr. 4.003.505 (Hardt).

Aus einer Reihe von Gründen - darinter Unzuverlässigkeit, hohe Kosten, Schwierigkeiten im Hinblick - 30 auf die Einhaltung kritischer Toleranzen bei der

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Herstellung und Fertigung - haben sich diese Überdrucksicherungsvorrichtungen nicht durchsetzen können.

Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, eine verbesserte Überdrucksicherungsvorrichtung zu schaffen, die innerhalb eines vorgegebenen Druckbereiches sicher und zuverlässig arbeitet, die sich leicht konstruieren und in Massenproduktion herstellen läßt und die weiterhin auch zu günstigen Endverbraucherkosten in die Behälterkonstruktion integrieren läßt.

Zur Lösung der ihr gestellten Aufgabe sieht die Erfindung eine Überdrucksicherungsvorrichtung vor, zu welcher ein kuppeiförmiges und nach innen zu konkaves Verschlußelement gehört, das mit seinem Umfang mit einem Ende einer rohrförmigen Behälterseitenwandung verbunden ist. Das Verschlußelement ist aus vergütetem Stahl tiefgezogen und weist einen kreisförmigen Zentralbereich auf, der vom ringförmigen Außenbereich durch einen ringförmigen Zwischenbe reich mit radial angeordneten LUders-Linien getrennt —- ist. Ein Klappenelement ist im Zentralbereich angeordnet. Dieses Klappenelement ist teilweise durch eine Absschäwchungslinie oder Sollbruchlinie verminderter Materialdicke umgeben.Diese Abschwächungs- linie oder Sollbruchlinie liegt auf einen zum Brenn punkt der Lüders-Linien konzentrischen Kreis und im Mittelpunkt des Verschlußelementes. , wobei die Enden der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie voneinander durch einen Verbindungsbereich getrennt sindm der in normaler Materialdicke und Materialfestigkeit ausgeführt ist.

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Mit seiner strukturellen Integrität reagiert das Verschlußelement auf eine Erhöhung des Behälterdrukkes, wenn dieser einen bestimmten Wert überschreitet, dadurch, daß zumindest ein teilweises Ausbeulung im äußeren ringförmigen Bereich stattfindet. Diese Ausbeulung wird schnell in Wellenform immer größer, und zwar in einer im wesentlichen radialien Richtung quer über den ringförmigen Zwischenbereich und in den kreisförmigen Zentralbereich hinein, so daß eine Spannungskonzentration entsteht, die schließlich entlang der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie ein Abbrechen des Verschlußelementes herbeiführt. Weil durch diesen Bruch der Überdruck des Behälters entweicht, wird auch das Klappenelement nach außen gehoben. Der Verbindungsbereich zwischen den Enden der Abrißlinie stellt ein Gelenk dar, das eine Verbindung zwischen dem nach außengebogenen Zapfenelement und dem übrigen Teil des Verschlußelementes darstellt. Das Zapfenelement ist für gewohnlich haubenförmig oder kuppeiförmig und nach außen konvex ausgeführt.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit eine überdrucksicherung für Flüssigkeits-Druckbehälter, die als ein kuppel artiges und nach innen konkaves Ver-Schlußelement, das mit seinem Umfang an einem Ende einer rohrförmigen Behälterseitenwandung befestigt ist, ausgeführt ist. Das Verschlußelement ist aus vergütetem Stahl tiefgezogen. Es hat einen kreisförmigen Zentralbereich, daß zum äußeren ringförmigen Bereich hin durch einen mit Lüders-Linien durchzogenen ringförmigen Zwischenbereich abgegrenzt ist.

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Im Zentralbereich angeordnet ist ein Zapfenelement. Dieses Zapfenelement ist teilweise von einer Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie geringerer Materialdicke umgeben, deren Enden von einem Ver bindungsbereich aus nominaler Materialdicke und nor maler Materialfestigkeit voneinander getrennt sind. Wegen seiner strukturellen Integrität reagiert das Verschlußelement auf den Druckanstieg im Flüssigkeitsdruck über einen Solldruckwert hinaus, wobei die Reaktion derart erfolgt, daß sich mindestens ein von dem rinförmigen Außenbereich ausgehender Teil ausbeult, und zwar quer über den ringförmigen Zwischenbereich und dadurch ein Brechen des Verschlußelementes entlang der Abschwächungslinie aus geringerer Materialdicke oder entlang der Sollbruchlinie herbeiführt. Der Verbindungsbereich bleibt auch dann in Ordnung, wenn sich durch die nach außen durch die Bruchstelle dringende Flüssigkeit das Zapfenelement nach außen gebogen hat.

Nachstehend soll die Erfindung nun anhand des in

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (der *r in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert. Due Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Eine perspektivische Bodenansicht eines Behälters mit einem Verschlußelement die-

ser Erfindung.

Fig. 2 Eine stark vergrößerte Bodenansicht des mit Fig. 1 wiedergegebenen Behälters.

Fig. 3 Einen in die Linie 3-3 von Fig. 2 gelegten Schnitt.

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wandung 12 ist mit einem kuppeiförmigen und nach innen konkaven Verschlußelement 16 versehen. Dieses Verschlußelement 16 kann in jeder konventionellen Weise entlang seinem Umfang mit der Seitenwandung verbunden werden, wobei vorzugsweise die mit der allgemeinen Hinweiszahl 18 gekennzeichnete Doppelfalzverbindung !Anwendung findet.

Das aus vergütetem Stahl tiefgezogene Verschliißelement 16 hat einen kreisförmigen Zentralbereich 20, der in Zeichnung durch eine gedachte Strichpunktlinie 22 begrenzt ist. Gegenüber einem ringförmigen Außenbereich 24 ist der kreisförmige Zentral bereich 20 durch einen ringförmigen Zwischenbereich 26 abgesetzt, der in der Zeichnung ebenfalls durch die gedachten Strichpunktlinien 22 und 28 begrenzt ist.

Durch den ringförmigen Zwischenbereich 26 erstrecken sich in Radialrichtung Lüders-Linien, welche mit der allgemeinen Hinweiszahl 30 gekennzeichnet sind. Es handelt sich bei diesen Lliders-Linien 30 um sichtbare Oberflächenmarkierungen oder Oberf1ächenrauhigkeiten, die durch das inhomogene Fließen des Materials im Tiefziehvorgang entstehen. Das Verschlußelement 16 ist weiterhin auch noch gekennzeichnet durch die biaxialen und sich kreuzenden Spanungslinien im ringförmigen Außenbereich 24, welche durch die allgemeine Hinweiszahl 32 gekennzeichnet sind. . Auch von diesen Linien denkt man, daß sie das Resultat eines inhomogenen Materialflusses während des Tiefziehvorganges sind.

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Was die Dicke des Materials betrifft, so ist der ringförmige Zwischenbereich 26 dünner als der kreisförmige Zentralbereich 20 und der ringförmige Außenbereich 24. Der ringförmige Außenbereich 24 wiederum ist dicker als der kreisförmige Zentralbereich 20. Auch diese Dickenverhältnisse sind das Resultat des Tief ziehvorg.anges.

Im kreisförmigen Zentralbereich 20 angeordnet'ist ein Zapfenelement 34 und dieses Zapfenelement 34 umgebibt eine einzelne Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36 mit geringerer Materialdicke. Die Linie 36 liegt auf einem Kreis, der zum Fokalpunkt der Lüders· Linien und dem Mittelpunkt des Verschlußelementes konzentrisch angeordnet ist. Die Enden 36' der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36 sind durch einn Verbindungsbereich 38 voneinander getrennt, der im wesentlichen normale Materialdicke und normale Materialfestigkeit aufzuweisen hat. Das Zapfenelement 34 ist kuppeiförmig und nach außen konvex ausgeführt, und die Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36 besteht aus einer Nut in der konkaven Außenfläche..

Aufgrund seiner strukturellen Integrität reagiert das Verschlußelement 16 dann, wenn der Druck in der Flüssigkeit einen vorgegebenen Wert überschreitet, und zwar dadurch, daß zumindest es zu einer teilweisen Ausbeulung im ringförmigen Außenbereich 24 kommt. Ein Beispiel einer derartigen Teilausbeulung ist mit Fig. 5 und Fig. 6 mit der allgemeinen Hinweiszahl 40 dargestellt und gekennzeichnet.

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Aufgrund der vorliegenden Versuchswerte scheint die anfängliche Ausbeulung 40 im Hinblick auf den Außenrand des Verschlußelementes an ganz zufälligen Stellen zu beginnen, wobei ein schnelles Weiterführen eines Lokalbereiches von der gezeichneten und nach innen konkaven Position aus zu einer irgendwie konvexen Form erfolgt. Wie aus Fig. 7 und Fig. 8 zu erkennen ist, geht dann die Anfangsausbeulung radial quer über den ringförmigen Zwischenbereich 26 bis

"0 in den kreisförmigen Zentralbereich 20 weiter, und zwar wellenförmig. Es hat den Anschein, als ob die radial ausgerichteten Lüders-Linien sich konzentrierend auf die radial nach innen erfolgende Ausbreitung der Ausbeulung 40" auswirken und dabei die Bie- gespannungen stark entlang der Abschwächungslinie/ Sollbruchlinie 36 konzentrieren, die den Zapfen 34 umschließt. Diese große Konzentration von mechanischen Spannungen ist mehr als stark genug, um ein lokales Brechen oder Aufreißen des Verschlußelemen tes 16 herbeiführen zu können, und zwar entlang der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36, wie dies im Zusammenhang mit der Hinweiszahl 42 in Fig. 9 und _w Fig. 10 wiedergegeben ist. Der unter überdruck stehende Zeil des Behälterinhaltes wird durch die Bruch- stelle oder Aufreißstelle 42 abgeführt. Wenn dies passiert, schreitet das Aufreißen ringsum die Linie 36 weiter fort, damit die Druckabführungsgeschwindigkeit in der notwendigen Weise erreicht wird. Der Verbindungsbereich 38 stellt ein Scharnier dar, um welches das Zapfenelement 34 unter dem Einfluß des unter Druck stehenden und nach aueßne drängenden In-

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tes nach außen gebogen wird. In seiner Festigkeit ist der Verbindungsbereich 38 derart ausgelegt, daß er nicht brechen kann, der Zapfen 34 bleibt also mit dem übrigen Teil des Verschlußelementes 16 auch dann verbunden, wenn ein Abführung des Druckes stattfindet.

Es ist bereits angesprochen worden, daß die lokale Ausbeulung im ringförmigen Außenbereich ganz zufäl-"* 1 ig erfolgt. Wenn die Anfangsausbeulung unter bestimm· ten Umständen zwischen dem Zapfenverbindungsbereich 38 und dem Außenrand des Verschlußelementes aufkommt, baut sich diese Ausbeulung radial nach innen aus, so wie dies in Fig. 11 und in Fig. 12 mit der allgemeinen Hinweiszahl 40a dargestellt ist, sie umschließt möglicherweise das Zapfenelement 34, bevor es an der mit Hinweiszahl 42a gekennzeichneten Stelle zu einem Bruch oder zum Zerbersten kommt.

Aus den zuvor angeführten Eigenschaften kann eine Reihe von bedeutenden Vorteilen abgeleitet werden.

So kann beispielsweise durch die im Hinblick auf die Lüders-Linien zentrale Anordnung des Zapfenelementes 34 - und die Lüders-Linien erstrecken sich radial durch den ringförmigen Zwischenbereich 26 - ein Aufbrechen der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 26 wegen der die durch Druck herbeigeführten Ausbeulung begleitenden Konzentration der Biegespannungen zuverlässig erreicht werden. Diese Konzentration der Biegespannungen ist so groß, daß dadurch die aufgrund von normalen Werkzeugverschleiß gegebenen Schwankungen in der Materialfestigkeit und in der

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Materialdicke an der Abschwächungslinie oder SoIlbruchlinie 36 kompensiert werden.

Der kreisförmige Bereich 20 ist relativ unbeansprucht und weist eine geringere Bearbeitungsaushärtung auf als dies bei den ringförmigen Bereichen 26 und 24 der Fall ist. Damit hat aber auch der Verbindungsbereich 38 eine solche Festigkeit und eine solche Elastizität, daß er den Zapfen 34 nach einem Aufreißen der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36 mit dem übrigen Teil des Verschlußelementes 36 verbunden halten kann.

Die gegenüber dem restlichen Teil des Verschlußelementes 16, der konkav nach innen ausgerichtet ist, nach außen ausgerichtete konvexe Form des Zapfenelementes 34 erweist sich darin als Vorteil, daß dadurch gewährleistet ist, daß das Material auf beiden Seiten der Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie 36 vorhandene Material unter mechanischer Beanspruchung voneinander weggezogen und bei Bruch nicht zusammengepreßt wird.

Wegen seiner Formgebung und auch wegen seiner Lage und Anordnung eignet sich das Zapfenelement 34 für die Massenherstellung, ohne daß dabei gleichzeitig eine außergewöhnlich höhere Kostenbelastung für den Verbraucher damit verbunden zu sein braucht.

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Claims

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Patentansprüche:-

überdrucksicherung für Druckflüssigkeitsbehälter, die eine rohrförmige/zylindrische Seitenwandung haben. Diese überdrucksicherung dadurch gekennzeichnet,

daß sie ein haubenförmiges oder kuppelförmiges und nach innen konkaves Verschlußelement hat, welches ringsum seinen Umfang mit dem einen Ender vorerwähnten Seitenwandung verbunden ist - dieses Verschlußelement aus vergütetem Stahl

tiefgezogen und mit einem kreisförmigen Zentralbereich, der gegenüber den ringförmigen Außenbreich durch einen ringförmigen und radial mit Lüders-Linien durchzogenen Zwischenbereich ab gesetzt ist; daß in dem vorerwähnten Zentral

bereich ein Zapfenelement angeordnet und teilweise von einer einzigen Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie geringerer Materialdicke und geringerer Materialfestigkeit umgeben ist, wobei die Enden dieser Linie von einem Verbindungsbe-

-v. reich getrennt sind, der im wesentlichen nor

male Materialdicke und normale Materialfestigkeit aufzuweisen hat; daß das Verschlußelement eine strukturelle Integrität aufzuweisen hat, die auf eine Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes

_v auf einen Druck über Sollwert dadurch reagiert,

daß zumindest eine Ausbeulung Außenbereich stattfindet, die sich dann quer über den ringförmigen Zwischenbereich bis in den kreisförmigen

Zentralbereich hinein erstreckt und ein Auf

reißen des Verschlußelementes entlang der eine geringere Materialdicke aufweisenden Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie bewirkt, wobei

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der bereits angeführte Verbindungsbereich bei jeder Auswärtsbiegung des Zapfenelementes , die durch das Entweichen der Flüssigkeit aus der Bruchstelle verursacht wird, die Verbindung zum restlichen Teil aufrecht erhält.

2. überdrucksicherung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der vorerwähnte Kreis konzentrisch zum ^ Fokalpunkt der Lüders-Linien angeordnet ist.

3. überdrucksicherung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis konzentrisch zum Zentrum des Verschlußelementes ist.

4. überdrucksicherung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß anfänglich eine Tei1ausbeulung in ringförmigen Außenbereich stattfindet, die sich dann wellenförmig über den vorerwähnten ringförmigen Zwischenbereich bis in den angeführten """"2O kreisförmigen Zentralbereich fortsetzt.

5. überdrucksicherung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet,

, daß das genannte Zapfenelement im wesentlichen

haubenförtnig/kuppelförmig und nach außen konvex ausgeführt ist.

6. überdrucksicherung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der vorerwähnte ringförmige Zwischenbereich dünner ist als der zuvor angeführte kreisförmi ge Zentralbereich und der ringförmige Außenbereich,

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7. Überdrucksicherung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorerwähnte rinförmige Außenbereich dicker ist als der vorerwähnte kreisförmige

Zentralbereich.

8. überdrucksicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Ausbeulung resultierenden mechanischen Spannungen von den Lüders-Linien zu der eine reduzierte Materialdicke aufweisen

den Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie geleitet oder übertragen werden.

9. überdrucksicherung für Druckflüssigkeitsbehälter, die eine rohrförmige/zylindrisehe Sei- tenwandung haben. Diese überdrucksicherung

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr eine haubenförmige oder kuppelformige und nach innen konkave Verschlußvorrichtung gehört, deren Umfang an dem einen Ende der vorerwähnten Seitenwandung befestigt ist;

daß diese Verschlußvorrichtung aus vergütetem Stahl im Tiefziehverfahren hergestellt ist und einen kreisförmigen Zentralbereich aufzuweisen hat, der gegenüber dem ringförmigen

Außenbereich durch einen ringförmigen Zwischen-

bereich - durchsetzt mit sich radial erstreckenden Lüders-Linien - abgesetzt ist; daß in dem zuvor angeführten Zentralbereich ein Zapfenelement angeordnet und teilweise von einer Ab- schwächungslinie oder Sollbruchlinie aus dünne-

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rem Material; daß die Abschwächungslinie oder Sollbruchlinie zum Fokalpunkt der Lüders-Linien und zum Mittelpunkt des Verschlußelementes konzentrisch angeordnet ist; daß die Enden der Ab- schwächungslinie oder Sollbruchlinie voneinan

der getrennt sind, und zwar durch einen Verbindungsbereich, der normale Materialdicke und normale Materialfestigkeit im wesentlichen aufzuweisen hat; daß das Zapfenelement im wesentli- chen haubenförmig/kuppelförmig und nach außen

konvex ausgeführt ist; daß das Verschlußelement in seiner strukturellen Integrität derart ausgeführt ist, daß es auf eine Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes im Inneren des Behälters über einen

Sollwert hinaus derart reagiert, daß es im ring

förmigen Außenbereich eine Teilausbeulung herbeiführt, die dann quer über den ringförmigen Zwischenbereich sich bis in den kreisförmigen •Zentralbereich hinein erweitert und ein Brechen oder Aufreißen entlang der Abschwächungslinie/

Sollbruchlinie bewirkt, wobei jedoch während des Nachaußenbiegens des Zapfenelementes - dies verursacht durch die Flüssigkeit, welche durch die Brüchstelle oder Aufreißstelle entweicht - der Verbindungsbereich immer mit dem übrigen

Teil des Verschlußelementes verbunden bleibt.