DE4300484C1 - Druckbehälter - Google Patents
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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
12 Endkappe
14 Verstärkungsrippe
16 Führungselemente
18 Spannband
20 Außenhülle
22 Mantelmuffe
24 Mantelmuffe
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934300484 DE4300484C1 (de) | 1993-01-11 | 1993-01-11 | Druckbehälter |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934300484 DE4300484C1 (de) | 1993-01-11 | 1993-01-11 | Druckbehälter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4300484C1 true DE4300484C1 (de) | 1994-01-05 |
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ID=6477966
Family Applications (1)
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Country | Link |
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DE (1) | DE4300484C1 (de) |
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- 1993-01-11 DE DE19934300484 patent/DE4300484C1/de not_active Expired - Fee Related
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