DE4300484C1 - Druckbehälter - Google Patents

Druckbehälter

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DE4300484C1
DE4300484C1 DE19934300484 DE4300484A DE4300484C1 DE 4300484 C1 DE4300484 C1 DE 4300484C1 DE 19934300484 DE19934300484 DE 19934300484 DE 4300484 A DE4300484 A DE 4300484A DE 4300484 C1 DE4300484 C1 DE 4300484C1
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Heinz Ing Grad Pentenrieder
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PENTENRIEDER, HEINZ, ING.(GRAD.), 89335 ICHENHAUSE
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Silit Werke GmbH and Co KG
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Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei bekannten Druckbehältern dieser Art besteht der Innen­ behälter aus glattwandigem Metallblech oder dünnwandigem Kunststoffmaterial, welche vorzugsweise im Kreuzwickelver­ fahren mit einer Kunststoff-Außenhülle umgeben sind. Die Kunststoff-Außenhülle muß dabei, will man untolerierbare Wandstärken der Außenhülle vermeiden, aus hochgradig fa­ serverstärktem Kunststoffmaterial bestehen, um die durch den im wesentlichen der Gas- und/oder Flüssigkeitsdicht­ heit sowie als Stützform für die Kunststoff-Außenhülle dienenden Innenbehälter nicht aufnehmbaren Verformungs­ kräfte tragen zu können. Nachteilig ist bei dieser Kon­ struktion einmal, daß derartige Druckbehälter nur schwer entsorgt werden können, weil Faserverstärkungen des Kunst­ stoffmaterials der Außenhülle von der Kunststoffmasse beim Recyclen nur unter großen Schwierigkeiten, wenn überhaupt, zu trennen sind, ferner auch, daß zur Erzielung einer be­ friedigenden Formsteifigkeit immer noch verhältnismäßig große Wandstärken des Innenbehälters wie auch eine erheb­ liche Dicke der Außenhülle gewählt werden müssen. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn Druckbehälter dieser Art z. B. bei Fahrzeugen als Druckluft-Bremsbehälter oder dergleichen verwendet werden sollen. Ein besonderes Pro­ blem besteht auch dann, wenn mehrere Anschlüsse für den Innenbehälter vorgesehen sein müssen, da dann die herkömm­ lichen Wickeltechniken erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringen.
Aus der DE-PS 7 16 882 ist ein Druckbehälter bekannt, der sich aus einem Innenbehälter und verschiedenen diesen ver­ steifenden Bewehrungen zusammensetzt und zumindest be­ reichsweise eine Versteifungsstruktur in Form von Rippen oder Bewehrungsringen aufweisen kann. Der zylindrische Teil kann zusätzlich eine Verstärkung in Form einer Draht­ umwicklung aufweisen, über die als Versteifung in Längs­ richtung Bänder gelegt sind. Der Druckbehälter weist keine Kunststoff-Außenhülle auf, so daß zur Erzielung einer hin­ reichenden Druck- und Formfestigkeit erhebliche Gewichts­ probleme in Kauf genommen werden müssen.
Bei einem aus der DE-OS 16 50 057 bekannten Druckbehälter ist über einen eine Versteifungsstruktur in Form von Quer­ wellungen aufweisenden metallischen Innenbehälter eine glasvaserverstärkte Außenwandung gewickelt, wobei zwischen dem Innenbehälter und der Außenwandung eine Harz-Füllsub­ stanz als Füllmaterial vorgesehen ist. Der Außenmantel ist dabei so aufgebaut, daß er eine bestimmte Dehnung in Achs­ richtung ermöglicht, wozu ein bestimmter Wickelwinkel ein­ gehalten werden muß, so daß der Außenmantel zur Druck- und Formfestigkeit des Druckbehälters keinen Beitrag leisten kann. Vielmehr müssen die auftretenden Kräfte, unter In­ kaufnahme entsprechender Gewichtsprobleme, im wesentlichen insgesamt durch den metallischen Innenbehälter aufgenommen werden.
Aus der EP 33 30 13 A1 ist ein Druckbehälter bekannt, bei dem ein Innenbehälter mit darüber gewickelten glasfaser­ verstärkten Bewehrungen versehen ist, wobei die äußere Schicht im wesentlichen in axialer Richtung aufgebracht ist. Der Innenbehälter weist dabei keine Versteifungs­ struktur auf. Die Druck- und Formfestigkeit, bei gleich­ zeitig geringem Gewicht, ist nicht in allen Anwendungsfäl­ len befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbe­ hälter der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher bei einfacher Herstellung und erheblich verbesserter Recycle­ fähigkeit bei geringerem Gewicht eine gleichwertige oder erhöhte Druck- und Formfestigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichnen des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst.
Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es gelingt, die Nachteile der bislang bekannten Druckbe­ hälter der gattungsgemäßen Art zu vermeiden, indem die Man­ telfläche des Innenbehälters mit einer Versteifungsstruktur, beispielsweise in Form von Verstärkungsrippen, ausgebildet wird, um auf diese Weise eine höhere Biege- und Druckfestig­ keit zu erhalten, wobei die an sich zu erwartende metall­ balgartige Dimensionsänderung des Innenbehälters bei Innen­ druckbeaufschlagung durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Spannbänder, die den Innenbehälter umgeben, auf ein zuläs­ siges Maß begrenzt wird. Vorzugsweise sind dabei zwei Spannbänder vorgesehen, die sich unter 90° kreuzen. Die Endkappen von langgestreckten Druckbehältern nach der Erfin­ dung können vorzugsweise mit entsprechenden Einschnürungen oder dergleichen zum Führen und/oder Festschweißen der Spannbänder, die vorzugsweise aus Metall bestehen sollen, versehen sein, wobei die Spannbänder aber natürlich auch z. B. aus Faserverbundwerkstoff hergestellt sein können.
Die Spannbänder geben die Möglichkeit, die Außenhülle z. B. auch im Gieß- oder Spritzgießverfahren herzustellen, wobei die Spannbänder selbst als Verstärkungsmaterial oder "Ver­ stärkungsfasern" im Kunststoffmaterial der Außenhülle die­ nen. Die Außenhülle geht auch eine innige Verbindung mit der Oberfläche des Innenbehälters ein, da sich eine formschlüs­ sige Verzahnung mit der Versteifungsstruktur der Außenwand des Innenbehälters ergibt.
Insgesamt resultiert hieraus, daß bei wesentlich geringerem Materialaufwand sowohl an z. B. Metall für den Innenbehälter als auch an Kunststoff für die Außenhülle eine höhere Festigkeit und Formsteifigkeit erzielt werden kann, bei guter Druckfestigkeit. Insbesondere unter dem Recycling-Gesichtspunkt ist es wichtig, daß ggf. auf den Einsatz von Verstärkungsfasern für den Kunststoff der Außenhülle völlig verzichtet werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbei­ spiel anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen er­ läutert ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters nach der Erfindung in der Seitenansicht, teilweise geschnitten; und
Fig. 2 den Druckbehälter von Fig. 1 in der Stirnan­ sicht, in Fig. 1 von rechts gesehen.
Wie Fig. 1 erkennen läßt, weist der Druckbehälter nach der Erfindung bei dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel einen Innenbehälter 10 auf, der im wesentlichen die Form eines langgestreckten Zylinders mit im wesentlichen gewölbten Endkappen 12 hat. Im zylindrischen Bereich ist die Wandung des Innenbehälters 10 mit einer Versteifungsstruktur in Form einer Anzahl im wesentlichen ringförmiger Verstärkungsrippen 14 versehen, die durch entsprechende Strukturierung der zylindrischen Wandung des Innenbehälters 10 gebildet sind. Hierdurch ist die Wandung des Innenbehälters 10 im zylin­ drischen Bereich im wesentlichen metallbalgartig ausgebil­ det. An den Endkappen 12 des Innenbehälters 10, der in be­ kannter Weise aus Metallblech hergestellt ist, wobei formge­ spritzte, geblasene, gegossene, geschäumte oder im Pulver­ sinterverfahren aus zweckentsprechenden Metallen herge­ stellte Konstruktionen möglich sind, liegen vier kreuzweise an jeder Endkappe vorgesehene Führungselemente 16 an, die auch zur Verbesserung der Beulsteifigkeit der Endkappen 12 beitragen. Auf den Führungsstücken 16 liegen zwei im wesent­ lichen umlaufende Spannbänder 18 aus Metall an, die im we­ sentlichen unter 90° einander kreuzen, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Spannbänder 18 sind mit den Verstär­ kungsrippen 14 an deren erhabenen Umfangflächen verschweißt. Im Formspritzverfahren ist auf den Innenbehälter 10 eine Außenhülle 20 aus Kunststoff aufgebracht, die mit der durch die Verstärkungsrippen gebildeten Versteifungsstruktur des Innenbehälters 10 und mit den Spannbändern 18 formschlüssig verbunden ist. Die Außenhülle 20 ist von Mantelmuffen 22, 24, 26, 28, 30 durchsetzt, die zum Anschluß des Innenvolu­ mens des Innenbehälters 10 an Bremsluftleitungen oder der­ gleichen dienen.
Im Betrieb verhindern die Spannbänder 18 eine unzulässige Dimensionsänderung, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Längsausdehnung, des Innenbehälters 10 aufgrund hohen Innendruckes, die wegen der metallbalgartigen Ausbildung der Wandung des Innenbehälters 10 ansonsten zu erwarten wäre. Gleichzeitig dienen die Spannbänder 18 als Verstärkungs­ elemente für die Kunststoffaußenhülle 20, so daß bei deren Herstellung vorzugsweise auf Faserverstärkungen verzichtet werden kann. Durch die innige, formschlüssige Verbindung nicht nur der Spannbänder 18, sondern auch der Verstärkungs­ rippen 14 mit der Kunststoffmasse der Außenhülle 20 wird eine weitere Verstärkung derselben erreicht, so daß es mög­ lich ist, mit einem Druckbehälter der gezeigten Art, der nur ca. 27 bis 30% des Gewichtes eines Stahlbehälters mit ver­ gleichbaren Betriebs- und Berstdrücken sowie Betriebstem­ peraturbereichen bis einschließlich 100°C hat und außen wie innen korrosionsfrei ist, eine Auslegung auf Berstdrücke von mehr als 85 bar zu erreichen.
Der Behälter, der auch außen ohne zusätzlichen Anstrich, wie er ansonsten bei Aluminium notwendig ist, völlig korrosions­ sicher ist, hat im Vergleich mit einem Aluminiumbehälter nur ca. 60% des Gewichtes bei vergleichbarem Betriebs- und Berstdruck sowie bei Betriebstemperaturbereichen bis ein­ schließlich 100°C, wie sie z. B. nach EN 286 Teil 2 erfor­ derlich sind. Gegenüber Behältern aus Edelstählen ergibt sich ein Gewichtsvorteil entsprechend dem vorstehend bereits im Zusammenhang mit normalen Stählen beschriebenen. Ein weiterer Vorteil besteht dabei darin, daß keine aufwendige Oberflächenbehandlung (Reinigung von ferritischen Rückstän­ den etc.) und/oder zusätzliche Beschichtung erforderlich sind, weil wegen der hier anwendbaren Fügetechnik für den Innenbehälter mit einfachen Mitteln Korrosionsfreiheit er­ reicht werden kann.
Im Vergleich zu einem Kunstharz-Faser-Verbundbehälter her­ kömmlicher Art ohne strukturierten Innenbehälter 10 ergibt sich bei gleichem Gewicht eine erheblich höhere Festigkeit, wobei es gleichzeitig möglich ist, auf schwer recyclingfä­ hige oder entsorgbare Faserverstärkungen innerhalb der Kunststoff-Außenhülle 20 zu verzichten. Für die Herstellung der Außenhülle 20 lassen sich fertigungs- und kostenoptimale Herstellverfahren in Abhängigkeit von den jeweiligen Los­ größen und den Gesamtabsatzmengen auswählen, wobei unge­ achtet einer dünnwandigen Ausbildung des Innenbehälters 10 aus z. B. Metall dieser gasdicht und, bewirkt durch die Ver­ steifungsstruktur in Form der Verstärkungsrippen 14, mecha­ nisch mittragend ausgebildet werden kann.
Der Innenbehälter 10 kann sowohl in axialer als auch in Um­ fangsrichtung, ggf. auch in beiden Richtungen gleichzeitig, mit einer Versteifungstruktur versehen werden. Die Verstär­ kungsrippen 14 können quasischarfkantig oder auch mit ent­ sprechenden Radien, ggf. auch hinterschnitten, hergestellt werden. Anzahl, Lage und Querschnitt der Spannbänder 18 wer­ den je nach der erwarteten Belastung ausgewählt. Werden Spannbänder 18 mit durchbrochener Oberfläche verwendet, so läßt sich hierdurch eine zusätzliche Verankerung im Kunst­ stoffmaterial der Außenhülle 20 erzielen.
Die Führungselemente 16 dienen dazu, die Spannbänder zu füh­ ren und umzulenken und gleichzeitig auch die Endkappen 12 des Behälters zwecks Vermeidens eines Ausbeulens zu entla­ sten. Die Führungselemente 16 können dabei ggf. auch als segmentierte oder flächendeckende Verstärkungsschale mit Führungseigenschaft für die Spannbänder 18 ausgebildet sein.
Die Außenhülle 20 nimmt unter Innendruck diejenigen Kräfte auf, die der Innenbehälter 10 nicht mehr selbst tragen kann. Die Außenhülle 20 gibt darüber hinaus dem Druckbehälter in bekannter Weise die gewünschte mechanische Formstabilität und Steifigkeit gegen Verformung bei äußerer Krafteinwir­ kung. Da der Innenbehälter 10 durch die Außenhülle 20 außer­ halb seines Betriebsdruckbereiches weitgehend von der Auf­ gabe entlastet ist, betriebsmäßige Verformungskräfte aufzu­ nehmen, kann er weitgehend auf seine Funktion der Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit optimiert werden. Die Außen­ hülle 20 kann nicht nur im Gießverfahren, sondern in klas­ sischer Wickeltechnik mit Voll- oder Teilumwicklung unter Verwendung ggf. geeigneter Endlosfasern, wie z. B. Glasfa­ sern oder dergleichen, hergestellt werden. Nichtsdestoweni­ ger ist die faserfreie Ausbildung der Außenhülle 20, welche durch die Verstärkungswirkung der durch die Verstärkungsrip­ pen gebildeten Versteifungsstruktur und die Spannbänder 18, die beide in die Außenhülle 20 formschlüssig integriert sind, ermöglicht wird, bevorzugt. Die Außenhülle 20 läßt sich auch durch Spritzgießen von Kunststoffmassen herstel­ len. Auch ein formunabhängiges "offenes" Spritzverfahren ist möglich; schließlich läßt sich auch ein formgebundenes Um­ schäumungsverfahren durchführen.
Bezugszeichenliste
10 Innenbehälter
12 Endkappe
14 Verstärkungsrippe
16 Führungselemente
18 Spannband
20 Außenhülle
22 Mantelmuffe
24 Mantelmuffe
26 Mantelmuffe
28 Mantelmuffe

Claims (20)

1. Druckbehälter aus Verbundwerkstoff, mit einem verhältnis­ mäßig dünnwandigen, im wesentlichen rotationssymmetrischen Innenbehälter zur Aufnahme von Flüssigkeiten und/oder Gasen und einer diesen im wesentlichen vollständig umgebenden Außenhülle auf Kunststoffbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Innenbehälters (10) zumindest bereichsweise eine Versteifungsstruktur (14) aufweist; daß an der Außen­ wand des Innenbehälters (10) zumindest im Bereich der Ver­ steifungsstruktur (14) mindestens ein eine unzulässige Di­ mensionsänderung in Richtung der Rotationssymmetrieachse des Innenbehälters (10) unter Innendruck im wesentlichen ver­ hinderndes Spannband (18) anliegt; und daß die Versteifungs­ struktur (14) und das/die Spannband/Spannbänder (18) im wesentlichen formschlüssig mit der Außenhülle (20) verbunden sind.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) außerhalb der Ver­ steifungsstruktur (14) des Innenbehälters (10) an dessen Wandung befestigt ist/sind.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) im wesent­ lichen umlaufend ausgebildet ist/sind.
4. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei einander kreuzende Spannbänder (18) vorgesehen sind.
5. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) an (den) Erhebungen der Versteifungsstruktur (14) befestigt ist/sind.
6. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) mit zumindest einem Teil der Erhebungen der Versteifungsstrukur (14) verklebt ist/sind.
7. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) aus Metall besteht/ bestehen und mit zumindest einem Teil der Erhebungen der Versteifungsstruktur (14) verschweißt ist/sind.
8. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) zumindest bereichsweise eine geschlossene Oberfläche aufweist/aufweisen.
9. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) zumindest bereichsweise eine durchbrochene Oberfläche aufweist/aufweisen.
10. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsstruktur im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Versteifungs­ rippen (14) aufweist.
11. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsstruktur (14) zumindest teilweise metallbalgartig ausgebildet ist.
12. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsstruktur (14) zumindest bereichsweise wabenartig ausgebildet ist.
13. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Spannband/Spannbänder (18) über mindestens ein Führungselement (16) geführt ist/ sind, welche(s) an der Außenwand des Innenbehälters (10) anliegt/anliegen.
14. Druckbehälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Führungselement(e) (16) an der Außenwand des Innenbehälters (10) in einem im wesentlichen von der Ver­ steifungsstruktur (14) freien Bereich anliegt/anliegen.
15. Druckbehälter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (10) im wesentlichen langgestreckt- teilzylindrisch, mit im wesentlichen gewölbten Endkappen (12), ausgebildet ist und das/die Führungselement(e) (16) im Bereich der Endkappen (12) vorgesehen ist/sind.
16. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) aus Kunst­ stoff gegossen ist.
17. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) aus Kunststoff spritzgegossen ist.
18. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) im Wickelverfahren hergestellt ist.
19. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) durch Schäumen hergestellt ist.
20. Druckbehälter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (20) Ver­ stärkungsfasern oder dergleichen aufweist und im Freispritzverfahren aufgetragen ist.
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