DE69616827T2

DE69616827T2 - Gasbehälter

Info

Publication number: DE69616827T2
Application number: DE69616827T
Authority: DE
Inventors: John Cook; John Richards
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1995-09-23
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: BR9610703A; ES2163040T3; DE69616827D1; AU707654B2; GB2321299B; IL123705A; PL325830A1; GB2321299A; RU2149306C1; WO1997012175A1; GB9806083D0; ATE208478T1; CN1202960A; DK0873488T3; KR19990063684A; JPH11512804A; CA2232945A1; EP0873488A1; EP0873488B1; US6357439B1

Description

Die Erfindung betrifft eine kompakte Gaseinschluß- und -versorgungsvorrichtung, die insbesondere von einer Person einfach getragen werden kann.
Damit Gefäße, die mit Druck beaufschlagtes Gas einschließen können, besser getragen werden können, besteht eine allgemeine Forderung nach einer hohen Festigkeit, die mit einem relativ geringen Gewicht zu kombinieren ist. Die Überwicklung eines inneren Mantels ist eine gut eingeführte Technik bei der Herstellung von zylindrischen Druckgefäßen, wie etwa Geschützrohren, Gaszylindern und dergleichen, sowohl zum Erzielen einer hohen Festigkeit als auch für eine Gewichtsreduzierung. Solche Strukturen sind dann, wenn sie mit Druck beaufschlagt werden, Umfangsspannungen ausgesetzt, die bedeutend größer sind als die Längsspannungen, wobei die Verwendung einer Überwicklung, die zur Aufnahme eines Großteils der Umfangsbelastung vorgesehen ist, ermöglicht, die Konstruktion des Basiszylinders so zu gestalten, daß er lediglich den Längsspannungen ausgesetzt ist, worin ein großes Potential zur Gewichtseinsparung liegt. Herkömmlich bestehen solche Wicklungen aus hochgradig zugfesten Metalldrähten. Neuere Entwicklungen der Technologie von Verbundwerkstoffen haben zur Verwendung von Verbundstoffen geführt, die Faserwicklungen in einem Kunstharz-Grundwerkstoff enthalten.
Toroidförmige Druckgefäße weisen gegenüber Zylindern eine alternative Geometrie auf. Toroidförmige Gefäße, die aus einem toroidförmigen inneren Gehäuse aus einem Metall oder einem Verbundwerkstoff aufgebaut sind, das mit Draht oder einer Kunstharz-Grundfaser aus Verbundwerkstoff überwickelt ist, sind bekannt und werden z. B. in der UK-Patentanmeldung Nr. 2.110.566 beschrieben. Diese können eine gewisse Gewichtsreduzierung gegenüber nicht überwickelten toroidförmigen Mantelstrukturen bieten. Im Fall der Verbundstoffwicklung kann die Herstellung komplex sein, da eine herkömmliche Wickelausrüstung nicht für die Anwendung des Kunstharzbondens während des Wickelvorgangs geeignet ist. Es erweist sich als schwierig, das vollständige Befeuchten der Faser mit dem Grundstoff-Kunstharz sicherzustellen, wobei unvollständig befeuchtete Fasern in herkömmlichen Verbundstrukturen aus Kunstharz-Grundstoffasern Schwachstellen bilden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leichte und kompakte Gaseinschluß- und -versorgungsvorrichtung auf der Grundlage eines toroidförmigen Druckgefäßes zu schaffen, das bei reduziertem Gewicht eine Faserüberwicklung aufweist und einige der Schwierigkeiten bei der Herstellung vermindert, die bei toroidförmigen Strukturen, die mit Kunstharz-Grundstoffasern aus Verbundwerkstoff überwickelt sind, auftreten.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Gaseinschluß- und -versorgungsvorrichtung ein Gasspeichergefäß, das mit Druck beaufschlagtes Gas einschließen kann und mit einer Gasversorgungsöffnung versehen ist, eine Versorgungseinrichtung, die an einem ersten Ende an die Gasversorgungsöffnung anschließbar ist, um eine Versorgung mit dem Gas durch ein zweites Ende zu schaffen, und eine Steuereinrichtung, die die Gasversorgungsdurchflußmenge steuert, wobei der Gasspeicher ein toroidförmiges Druckgefäß ist, das einen metallischen toroidförmigen Mantel umfaßt, auf dessen Oberfläche eine Zuglastunterstützungsschicht aus einer hochgradig zugfesten nicht metallischen Faser gewickelt ist, wobei die Faser im wesentlichen auf die Meridianrichtung auf dem toroidförmigen Mantel ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser wenigstens in einem wesentlichen Abschnitt ihrer Tiefe keinerlei Grundwerkstoff besitzt.
Es ist beabsichtigt, daß sowohl die Faserwicklung als auch der Metallmantel eine Belastung aufnehmen. Diese Strukturen sind wie Zylinder in der Meridianrichtung wesentlich höheren Spannungen ausgesetzt als in der Richtung, die senkrecht zum Meridian "ringförmig" um den Torus verläuft. Es ist beabsichtigt, daß die Faser lediglich einen proportionalen Anteil der Belastung in Meridianrichtung trägt, deshalb ist sie anstatt diagonal rund um den Torus, wie dies bei Schichten aus Verbundwerkstoff des Standes der Technik der Fall ist, die z. B. in der UK-Patentanmeldung Nr. 2.110.566 beschrieben werden, im wesentlichen in Meridianrichtung gewickelt. Der Metallmantel trägt die restliche Belastung in Meridianrichtung sowie die gesamte Belastung senkrecht zum Meridian. Die Verwendung einer Wicklung, um einen Teil der größeren Belastung in der Meridianrichtung aufzunehmen, ermöglicht, daß das Metallgehäuse mit geringeren Belastungsparametern konstruiert werden kann, und dies erzeugt ein leichteres Gefäß als dies unter alleiniger Verwendung einer Metallkonstruktion möglich wäre.
Die Erfindung offenbart einen kompakten Speicher für mit Druck beaufschlagtes Gas, der ein geringes Gewicht besitzt und eine toroidförmige Form aufweist, wobei diese beiden Merkmale zur Folge haben, daß der Speicher besser getragen werden kann. Die toroidförmige Geometrie besitzt ein flacheres Profil, da es einen kleineren Kerndurchmesser als ein volumengleicher Zylinder hat. Die Form ist somit besonders zum Verstauen geeignet, wo ein flaches Profil erwünscht ist, oder zum Tragen am Rücken eines Menschen, da es im Gebrauch hinter dem Träger weniger vorsteht. Die Toroidform ist außerdem beim Tragen am Rücken eines Menschen vorteilhaft, da sie sich der Rückenkrümmung besser anpaßt. Obwohl eine gewisse Form des Tragegeschirrs trotzdem erforderlich ist, um zu ermöglichen, daß des Vorratsbehälters durch den Bediener getragen werden kann, bedeutet die kompakte Form, daß das Tragegeschirr einfacher und somit leichter sein kann als das für herkömmliche zylindrische Vorrichtungen benötigte, und sie ermöglicht das Weglassen der Rückenplatte, die wenigstens für die größeren am Rücken anzubringenden zylindrischen Gasflaschen traditionell als notwendig erachtet wird. Die Möglichkeit zum Weglassen der Rückenplatte ist ein zusätzlicher Faktor sowohl bei der Reduzierung des Gesamtgewichts als auch bei der Verringerung des Abstands hinter dem Träger, um den die Vorrichtung vorsteht, wobei beides zur verbesserten Trageeigenschaft beiträgt. Das flachere Profil der Toroidform führt dazu, daß sie in einer geeigneten Tasche oder in einem Rucksack befördert werden kann, wodurch die Trageeigenschaft verbessert werden, während trotzdem der notwendige mechanische Widerstand gewährleistet ist.
Ein zusätzlicher Vorteil, der aus der Toroidform erwächst, besteht darin, daß der Anschluß von Versorgungseinrichtungen an der Innenseite des Torus erfolgen kann, was einen gewissen Schutz bietet und die Möglichkeit ihres Abtrennen infolge einer äußeren Einwirkung vermindert. Aus diesem Grund befindet sich die Versorgungsöffnung vorzugsweise an der Innenfläche des Torus. Die Versorgungseinrichtung kann am Mantel ständig angeschlossen sein, zur leichteren Aufbewahrung und um einen Austausch des Gasgefäßes zu ermöglichen, enthält die Gasversorgungsöffnung vorzugsweise eine Einrichtung, die einen lösbaren Anschluß der Versorgungseinrichtung schafft, sowie ein Schließventil, das ein Entweichen von Gas bei abgetrennter Versorgungseinrichtung verhindert.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Überwicklung erwächst aus dem Dickenaufbau der Wicklungsfaser auf der Innenseite des Torus. Die Überwicklung kann somit einen größeren Anteil der Belastung in Meridianrichtung an der Innenseite des Torus aufnehmen, die der Bereich ist, in dem die Gesamtbelastung in Meridianrichtung am größten ist. Dieser Effekt eliminiert die Notwendigkeit einer bedeutenden zusätzlichen Metalldicke in den stärker belasteten Bereichen, und folglich bietet ein Metallmantel, der einen Torus mit einem im wesentlichen kreisförmigen Meridianquerschnitt und einer im wesentlichen gleichförmigen Wanddicke umfaßt, eine nahe am Optimum liegende Druckaufnahmeleistung bei einem minimalen redundantem Metallgewicht. Daraus ergeben sich einige Vereinfachungen bei der Herstellung. Es ist jedoch selbstverständlich, daß ein kreisförmiger Querschnitt für die Wirksamkeit der Erfindung nicht wesentlich ist und die Erfindung bei toroidförmigen Gefäßen mit nicht konstanter Krümmung, die keinen kreisförmigen Meridianquerschnitt und/oder transversalen Querschnitt aufweisen, anwendbar ist, wobei ein derartiger Querschnitt bei der Anwendung der Erfindung besser geeignet ist.
Geeignete Werkstoffe für die Wicklung enthalten Verbundwerkstoffe aus Polymer-, Glas- und Kohlenstoff- oder Keramikfasern in einem aushärtenden oder thermoplastischen Grundstoff. Ein aushärtendes Kunstharz könnte vor der Wicklung als Kunststoffimprägnierung auf die Fasern aufgebracht und nach der Wicklung ausgehärtet werden. Ein thermoplastisches Kunstharz könnte eingesetzt werden, indem zur Ermöglichung der Wicklungsoperation feine imprägnierte Faserbündel mit einer ausreichenden Flexibilität, entweder als thermoplastische Fasern, die mit den Strukturfasern vermischt sind, oder als ein thermoplastisches Pulver, das an den Strukturfasern aufgebracht wird, verwendet werden. Ungeachtet des Verfahrens, das verwendet wird, um den thermoplastischen Stoff zu vernetzen, erfordert der Verbundwerkstoff eine nachfolgende Verfestigung unter Druck bei erhöhter Temperatur. In jedem Fall sind die Fasern längs des Meridians des toroidförmigen Gefäßes ausgerichtet.
Da die Erfindung bei der Überwicklung in einer Meridianrichtung Fasern verwendet, um eine Belastung lediglich in dieser Richtung aufzunehmen, bietet sie die zusätzliche Möglichkeit, den Grundwerkstoff insgesamt oder wenigstens im Großteil der die Belastung aufnehmenden Tiefe wegzulassen, wobei zum Schutz lediglich eine Oberflächenschicht aufgebracht wird. Bei diesem bevorzugten Aspekt der Erfindung ohne Grundwerkstoff ergibt das Fehlen des Grundwerkstoffs eine Gewichtseinsparung im Vergleich zu Druckgefäßen aus einem mit einer herkömmlichen Faser überwickelten Mantel aus Grundverbundwerkstoff und vermeidet die Forderung, daß der Vorgang mit dem ständigen Anfeuchten des Fasergrundwerkstoffs während der Herstellung kompatibel sein muß, so daß eine einfacherer Wicklungsvorgang verwendet werden kann.
Der Ausgangspunkt für die Faserwahl für diesen Aspekt der Erfindung mit Trockenwicklung und ohne Grundstoff ist die Gruppe, deren Verwendung als aushärtende und thermoplastische Verbundwerkstoffe der Kunstharzgrundstoffe üblich ist. Der für die Faserwicklung verwendete Werkstoff muß eine hohe Zugfestigkeit besitzen. Es kann ein Werkstoff sein, der einen geringen Festigkeitverlust durch Abrasion während des Wickelns oder des Gebrauchs aufweist und deswegen keinen Grundwerkstoff für den Widerstand gegen Abrasion und für den sich dadurch ergebenden Schutz benötigt. Gleichfalls darf seine Festigkeit lediglich in geringem Maße von der Faserlänge abhängen (der sogenannte Längen/Festigkeits-Effekt), so daß die Notwendigkeit für einen Grundwerkstoff zur Lastübertragung über gebrochene Faserfäden minimal ist. Diese Forderungen neigen dazu, in diesem Aspekt der Erfindung den Ausschlag gegen die Verwendung von Glasfasern und Kohlenstoffasern zu geben.
Die obengenannten Probleme können durch die Verwendung von hochgradig zugfesten Polymerfasern vermieden werden, da solche Werkstoffe dazu neigen, weniger anfällig auf Oberflächendefekte zu sein und einen geringe Abhängigkeit Länge/Festigkeit aufweisen. Sie zeigen deswegen eine verminderte Neigung des Festigkeitsverlusts infolge einer Schädigung durch Abrasion. Die Rolle des Grundwerkstoffs beim Übertragen von Last über gebrochene Faserfäden ist deswegen in Verbundwerkstoffen, die diesen Fasertyp verwenden, weniger wichtig. Die Zuglastunterstützungsschicht umfaßt somit vorzugsweise eine Schicht aus hochgradig zugfesten Polymerfasern, wobei die Fasern im wesentlichen auf die Meridianrichtung auf dem toroidförmigen Mantel ausgerichtet ist und wenigstens in einem wesentlichen Abschnitt ihrer Tiefe keinerlei Grundwerkstoff besitzt. Aramidfasern sind für diesen Zweck besonders zu bevorzugen.
Vorgespannte Polyamidfasern neigen jedoch dazu, daß sie auf Kriechen und Spannungsrelaxation empfindlich sind, was dazu führen kann, daß sie während ihrer Nutzungsdauer Spannung verlieren und den Verwendungsort verlassen. Bei herkömmlichen Verbundwerkstoffen wird diese Bewegung durch das Vorhandensein des Grundwerkstoffs verhindert. Damit sie für die vorliegende Erfindung ohne Grundwerkstoff geeignet sind, müssen die Fasern Kriech- und Spannungsrelaxationseigenschaften besitzen, die ausreichend gering sind, so daß die Fasern bis zu einem solchen Grad vorgespannt werden können, bei dem sie während der Nutzungsdauer eine ausreichende Spannung behalten, um die Position an der Toruswand unter allen praktischen Umgebungsbedingungen beizubehalten.
Polyamidfasern erleiden außerdem einen Spannungsbruch; d. h., bei einer ausreichend hohen statischen Belastung werden sie schließlich ausfallen. Der Zeitpunkt eines solchen Ausfalls ist von der Spannung und der Temperatur abhängig und kann in einigen zehn oder hundert Jahren erfolgen. In bezug auf die Spannungsbrucheigenschaften muß die Faser derart beschaffen sein, daß die Faserspannung, die aus einer erforderlichen Vorspannung in Verbindung mit der Bewältigung des Kriechproblems entsteht, zusammen mit der zusätzlichen Spannung, die aus der Druckbelastung entsteht, aufgenommen werden kann, ohne daß bei allen praktischen Umgebungsbedingungen während der Nutzungsdauer des Gefäßes ein Ausfall infolge Spannungsbruch verursacht wird.
Es gibt somit eine Forderung, daß ein "Fenster" bei den Fasereigenschaften vorhanden ist, in dem eine ausreichende anfängliche Vorspannung auf die Wicklung aufgebracht werden kann, um eine spätere Bewegung zu vermeiden, die aus einem Spannungsverlust infolge Kriechen resultiert, wobei die Vorspannung nicht so groß ist, daß sie einen Spannungsbruch verursacht. Die Wicklung ohne Grundwerkstoff im bevorzugten Aspekt der Erfindung verwendet diese hochgradig zugfesten Polymerfasern, die dieses Fenster aufweisen, damit der Grundwerkstoffs weggelassen werden kann, der im Stand der Technik als ein wesentliches Merkmal von Druckgefäßen mit einer Überwicklung aus Verbundwerkstoff erforderlich ist.
Es ist ermittelt worden, daß Aramidfasern in ihren Eigenschaften ein solches Fenster besitzen und diese Fasern somit für den Aspekt der Erfindung ohne Grundwerkstoff besonders geeignet sind. Kohlenstoff-, Glas- und Keramikfasern weisen größere Fenster auf, ihre Verwendung ist jedoch wegen der oben dargestellten Probleme in bezug auf den Widerstand gegen Abrasion und den Effekt Länge/Festigkeit eingeschränkt. Miteinander vermischte Mischfasern, die eine oder mehrere dieser Fasern sowie Aramidfasern enthalten, z. B. miteinander vermischte Aramid- und Kohlenstoffasern, stellen einen nützlichen Kompromiß dar. Die Aramidfasern schützen den Kohlenstoff gegen einen Großteil der Abrasion, die während des Wicklungsvorgangs auftritt. Wenn während der Nutzung in den Aramidfasern Spannungsrelaxation und Kriechen auftritt, wird die Belastung allmählich auf die Kohlenstoffasern übertragen. Dies ist bei Konfigurationen von Wert, bei denen die Aramidfaser nahe an ihrer Spannungsbruchgrenze sein würde.
Es ist klar, daß die Öffnung im toroidförmigen Mantel nicht überwickelt werden kann. Für eine geeignete Konstruktionsweise kann das Gasspeichergefäß mit einer Zone mit verdicktem Innengehäuse ohne Überwicklung im Bereich der Gasversorgungsöffnung versehen sein. Ein wahrscheinlicher Herstellungsablauf des toroidförmigen Mantels besteht jedoch darin, zwei gebogene Rinnen zusammenzuschweißen, wobei in solchen Fällen an den Stellen, wo eine verdickte Zone in das Gefäß geschweißt ist, aus den Verbindungsschweißnähten Probleme entstehen können.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, kann über der Öffnung in dem toroidförmigen Mantel vor der Überwicklung ein ringförmiger oder teilweise ringförmiger Ansatz angebracht werden, der eine äußere Oberfläche, die eine in Meridianrichtung gewickelte Faserschicht aufnimmt, eine seitliche Öffnung sowie einen Luftdurchlaß, der einen Verbindungskanal zwischen der Öffnung im toroidförmigen Mantel und der seitlichen Öffnung schafft, aufweist. Diese Konfiguration vermeidet die Notwendigkeit, die Manteldicke in der Nähe der Gasversorgungsöffnung zu ändern, indem eine Faserüberwicklung um die im wesentlichen gesamte Oberfläche des toroidförmigen Mantels ermöglicht wird.
Der Ansatz ist vorzugsweise teilweise ringförmig und besitzt einen halbmondförmigen Querschnitt, um Diskontinuitäten an seinen Kanten zu vermeiden. Der Ansatz ist bequemerweise am Mantel angeschweißt, vorzugsweise von der Mittelebene des Torus versetzt, um eine Schnittstelle mit den ringförmig angebrachten Schweißnähten zu vermeiden, die eine potentielle Schwachstelle verursachen könnte. Eine äußere Schmierung, z. B. mit PTFE-Band, ist außerdem erwünscht, um einen Oberflächenverschleiß des Kevlars an den halbmondförmigen Enden zu vermeiden.
Ein zusätzlicher Vorteil der Wicklung mit einer Mischung aus Fasern besteht darin, daß durch die Verwendung von Hochmodul-Kohlenstoffasern die Steifigkeit der Wicklung verstärkt werden kann, so daß möglich wird, daß die Steifigkeit in der Meridianrichtung der überwickelten Zone (d. h. das Produkt des Young-Moduls und der Dicke) der Steifigkeit der nicht überwickelten. Zone näherungsweise angepaßt werden kann, wodurch Spannungen reduziert werden, die durch Diskontinuitäten der Steifigkeit hervorgerufen werden könnten.
Die Überwicklung ohne Grundwerkstoff wird vorzugsweise mit einer Schutzbeschichtung überzogen. Diese dient dem teilweisen Kompensieren des Fehlens des Schutzes gegen Umgebungseinflüsse, der bei herkömmlichen Wicklungen aus Faserverbundwerkstoffen durch den Grundwerkstoff geboten wird, und insbesondere dazu, um die Faser vor Strahlung im sichtbaren und ultravioletten Bereich zu schützen, die die Faserfestigkeit nachteilig beeinflussen kann (insbesondere dann, wenn die Überwicklung die bevorzugten Aramidfasern verwendet), Feuchtigkeit von der Wicklung fernzuhalten und einen Schutz vor Abrasion zu schaffen. Die Beschichtung kann im einfachsten Fall in Form einer schützenden Elastomerschicht erfolgen, die auf der gewickelten Faser möglicherweise als Farbe aufgebracht wird. Alternativ wird eine undurchlässige Beschichtung über der gewickelten Faser aufgebracht und über die Beschichtung wird eine weitere Faserschicht gewickelt, auf die ein geeignetes kompatibles Kunstharz aufgebracht wird. Aus diese Weise besitzt die Wicklung die äußeren Kennzeichen eines herkömmlichen Kunstharz-Grundverbundwerkstoffs, jedoch bleiben die hauptsächlichen Kennzeichen der Wicklung und somit ihre wesentlichen mechanischen Eigenschaften gemäß dem bevorzugten Aspekt der Erfindung mit Trockenwicklung und ohne Grundwerkstoff mit den hier genau beschriebenen innewohnenden Vorteilen erhalten.
Die Wickelspannung der Faser erfordert eine sorgfältige Steuerung, um sicherzustellen, daß sie groß genug ist, um zu verhindern, daß die Überwicklung Schlaffstellen aufweist und einem Gleiten unterliegt, wenn in der Faser mit der Zeit Spannungsrelaxation und Kriechen auftreten, jedoch nicht so groß ist, daß ein Spannungsbruch der Faser induziert wird. Ferner kann die Wicklung mit einer übermäßigen Spannung erfolgen, um auf den Metallmantel eine kompressive Vorspannung aufzubringen, wodurch der Druck, bei dem das Strecken des Mantels stattfindet, erhöht werden kann.
Die Wicklungsspannung wird vorzugsweise während des Wickelns variiert, um am fertigen Produkt eine gleichmäßige Lastverteilung zu erzeugen. Da mehrere Wicklungsschichten aufgebracht werden, üben die äußeren Schichten nicht nur auf den Metallmantel sondern auch auf die inneren Faserschichten eine kompressive Belastung aus. Wenn eine konstante Wicklungsspannung beibehalten wird und die Überwicklung eine ausreichende Tiefe aufweist, kann dies zur Folge haben, daß die inneren Schichten die Spannung verlieren, so daß sie dann, wenn sie im Gebrauch unter Druckbelastung kommen, nicht in der Lage sind, ihren vollen Anteil der Belastung aufzunehmen. Die Lösung besteht darin, die Wicklungsspannung bei fortschreitender Wicklung zu reduzieren, so daß beim vollständig umwickelten Gefäß eine Spannungsbelastung über alle Schichten der überwickelten Faser gleichmäßig verteilt ist. Bei dünnwandigen Gefäßen ist die Notwendigkeit des Variierens der Wicklungsspannung von geringerer Wichtigkeit.
Die Verwendung der Überwicklung gemäß der Erfindung ermöglicht, daß die Ausfallart gewählt werden kann, so daß für eine vorgegebene Anwendung des Druckgefäßes die angenehmere Art gewählt werden kann. Bei übermäßiger Faserüberwicklung wird ein Ausfall durch einen ringweisen Bruch erfolgen, d. h. über einen Riß in Meridianrichtung, der durch eine Spannung bewirkt wird, die senkrecht zum Meridian erzeugt wird. Bei fehlender Faserüberwicklung wird ein Ringausfall zuerst auftreten, d. h. ein Riß senkrecht zum Meridian, der durch Spannung in Meridianrichtung bewirkt wird. Im letzteren Fall ist es möglich, eine weitere Auswahl auszuführen, indem die Dicke der Toruswand variiert wird, um eine Schwachstellenzone zu erzeugen.
Beim Metallmantel führt der Wunsch nach reduziertem Gewicht bei einer gewissen Festigkeit zu einer bevorzugten Verwendung von Aluminium oder Legierungen davon oder von Titan und Titanlegierungen, die am meisten zu bevorzugen sind, obwohl in weniger gewichtskritischen Anwendungen der Erfindung Stahl und weitere Metalle verwendet werden können.
Um eine gleichmäßige Gasversorgung sicherzustellen, enthält die Steuereinrichtung vorzugsweise einen Druckregler, der vorzugsweise ein Zweistufenregler ist.
Eine besondere Anwendung der Erfindung liegt auf dem Gebiet der Atemvorrichtungen, wobei das Speichergefäß für mit Druck beaufschlagtes Gas als Atemgasgefäß (Sauerstoff, O&sub2;/Edelgas- Mischung, Luft usw.) dient und eine Atemmaske und ein vom Benutzer betätigbares Bedarfsventil mit dem zweiten Ende der Gasversorgungsöffnung verbunden sind. Die Toroidform ist in einfacher Weise tragbar und die Konstruktion ist kompakt und leicht, wobei dies wichtige Betrachtungen für diese Anwendung der Erfindung sind. Der Schutz, der durch das Anschließen der Versorgung an einer Stelle im Inneren des Rings geboten wird, ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung eindeutig von besonderem Wert.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Speichergefäßes für mit Druck beaufschlagtes Gas für eine Atemvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein quergeführter Schnitt des Gefäßes von Fig. 1 in der Nähe der Gasvorsorgungsöffnung ist;
Fig. 3 ein Querschnitt eines zweistufigen Reglers und der Gesichtsmaske zum Anbringen an der Gasversorgungsöffnung der Fig. 1 und 2 ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Speichergefäßes für mit Druck beaufschlagtes Gas für Atemgeräte gemäß der Erfindung ist;
Fig. 5 ein Querschnitt des Gefäßes von Fig. 4 parallel zu seiner Achse und durch die Nähe der Gasversorgungsöffnung ist;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Gasversorgungsöffnung ist;
Fig. 7 ein quergeführter Schnitt des Gefäßes von Fig. 6 durch die Nähe der Gasversorgungsöffnung ist;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsadapters ist, der für die Verwendung in Verbindung mit der Gasversorgungsöffnung der Fig. 6 und 7 geeignet ist.
Fig. 9 ein Schnitt in Meridianrichtung durch die Nähe der Gasversorgungsöffnung der Fig. 6 und 7 ist; und
Fig. 10 ein Schnitt in Meridianrichtung durch eine Plattenverstärkung eines Belastungsverteilers in der Nähe der Gasversorgungsöffnung ist.
Fig. 1 veranschaulicht einen toroidförmigen Gasvorratsbehälter für eine Atemvorrichtung gemäß der Erfindung, der mit einer abnehmbaren Versorgungsvorrichtung versehen ist, wobei diese abgetrennt ist. Ein toroidförmiger Innenbehälter 2 mit einer Kapazität von 9 Litern und einem Nenndruck von 209 bar (21,1 MPa), wird aus einer 6061 Aluminiumlegierung hergestellt, indem in bequemer Weise zwei gebogene "Rinnen" zusammengeschweißt werden. Der Vorratsbehälter 2 besitzt einen in Meridianrichtung kreisförmigen Querschnitt mit einem Gesamtdurchmesser von 400 mm und einen Innenlochdurchmesser von 128 mm. Der Tank 2 kann beispielsweise aus zwei gebogenen Rinnen hergestellt werden, die zusammengeschweißt werden. Die Wand des Torus besitzt eine konstante Basiswanddicke von 6,5 mm. Der Vorratsbehälter ist mit der Faser 4 Kevlar-49TM überwickelt bei einer Dicke der Überwicklungsschicht von 2,5 mm, die an der Innenseite des Torus gemessen wird (dies entspricht einer geringeren Dicke an der Außenseite des Torus als eine Folge des Überlagerungseffekts, der der toroidförmigen Geometrie inhärent ist, wie oben festgestellt wurde), mit Ausnahme einer kleinen Sektion des Gehäuses 9, die ohne Überwicklung bleibt, um das Durchstechen eines Regleranschlusses 8 zu ermöglichen. Die Überwicklungstechnik ist der Erfindung nicht dienlich und die Wicklung kann aufgebracht werden, indem Standardvorrichtungen und Techniken zum Wickeln von Werkstoff auf einen toroidförmigen Kern verwendet werden, die Fachmännern vertraut sind, wie jene, die z. B. bei der Herstellung von in Spulenform gewickelten elektrischen Gegenständen verwendet werden, wie etwa toroidförmige Transformatoren und Regelwiderstände, bei einer schwachen Anpassung, um den nicht gewickelten Bereich 9 zu realisieren. Der Aufbau ist derart, daß dann, wenn das Gefäß mit Druck beaufschlagt wird, etwa die Hälfte der Belastung in Meridianrichtung durch die Überwicklung 4 aufgenommen wird, wobei die restliche Belastung in Meridianrichtung sowie die gesamte Belastung senkrecht zum Meridian durch den Aluminiummantel 2 aufgenommen wird.
Die Faser ist für einen Schutz vor Umgebungseinflüssen mit einer Überdeckung versehen, die aus einer Elastomer-Polyuretan-Farbschicht 6 besteht, die über der gewickelten Faser 4 aufgebracht wird. Fig. 1 veranschaulicht lediglich ein Teil der Hülse 6, wobei der Rest für eine bessere Darstellung der darunterliegenden Wicklung 4 entfernt wurde, beim Gebrauch erstreckt sich die Hülse 6 jedoch über die gesamte Überwicklung.
Das Gaseinschlußgefäß erfordert eine Zone mit verdicktem Innengehäuse ohne Überwicklung 9, um den Regleranschluß 8 anzuschließen. Dies ist in Fig. 2 veranschaulicht, die ein Schnitt in Querrichtung durch den Bereich in der Nähe des Regleranschlusses ist. Da die Zone nicht überwickelt ist, erfordert ein optimaler Aufbau, daß das Metall auf der Innenseite 10 dicker ist als auf der Außenseite 12 des Torus, um die höheren Belastungen aufzunehmen, die dort als Folge der toroidförmigen Geometrie auftreten. Um diese aufzunehmen, ist die Wanddicke vom Basiswert 6,5 mm auf etwa 10,5 mm an der Außenwand 12 und auf 15 mm an der Innenwand 14 verstärkt. Die nicht überwickelte Zone braucht nur so klein wie möglich zu sein, um das übermäßige Gewicht zu vermindern, das sie zum Druckgefäß beiträgt, und ist in diesem Fall auf einen Bogen des Torus α von 34º beschränkt. Wie Fig. 2 veranschaulicht, ist der Übergang in der Übergangszone allmählich, um den Effekt von Diskontinuitäten der Steifigkeit zu vermindern, der aus der relativ geringen Steifigkeit von KevlarTM erwächst, wodurch zusätzliche Spannungen entstehen könnten. Als Alternative oder zusätzliches Merkmal könnte die Wicklung steifere Kohlenstoffasern zusammen mit KevlarTM enthalten, damit die Steifheit in Meridianrichtung in den gewickelten und nicht gewickelten Zonen besser übereinstimmt und Diskontinuitätsspannungen weiter reduziert werden.
Das Regleranschlußstück 8 besitzt einen M18-Standardaufbau, ist 25 mm lang und ist mit einem innenliegenden Schraubengewinde 14 versehen, um den Anschluß des Reglers und der zugehörigen Atemmundmaske oder der Gesichtsmaske sowie einer verwandten Vorrichtung zu ermöglichen, die hier abgetrennt und deshalb in der Figur nicht gezeigt ist. Wenn diese Vorrichtung abgetrennt ist, ist das Gasgefäß durch das gezeigte Rückschlagventil 15 verschlossen. Als Alternative könnte ein Trennventil verwendet werden, das in das M18-Gewinde 14 geschraubt wird. Die Anordnung der Regleranschlusses 8 im Innern des Torusrings ermöglicht einen kompakteren Aufbau und einen gewissen Grad des Schutzes des Reglers, wenn er angebracht und in Gebrauch ist.
Fig. 3 veranschaulicht in teilweiser Schnittdarstellung einen abnehmbaren Regler, der für das Einsetzen in den Gasbehälter der Fig. 1 und 2 geeignet ist, um den Druck des Gases von seinem Speicherdruck zum Umgebungsdruck zu reduzieren. Ein mit Schraubengewinde versehener Verbinder 21, der mit dem M18-Anschlußstück 8 kompatibel ist, ist vorgesehen, um den Regler am Gasbehälter anzuschließen. Das Einsetzen dieses Teils öffnet das Schließventil 15 im Behälter und die Versorgung der Reglerkammer 23 wird dann durch das drehbare Steuerventil 25 gesteuert. Der Regler ist vom federbelasteten Kolbentyp 27. Das Gas strömt dann über eine Versorgungsleitung 28 durch ein vom Benutzer betätigbares Bedarfsventil 29 zu einer Gesichtsmaske 30.
Während ein zweistufiger Regler bevorzugt wird, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung auf Gasbehälter mit Atemvorrichtungen, die nicht lösbar angeschlossen sind und einen Regler enthalten können, anwendbar ist.
Fig. 4 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes. Ein toroidförmiger Innenbehälter 31, der ähnliche äußere Abmessungen aufweist wie das vorherige Beispiel, ist aus einer Titanlegierung Ti-6A1-6V hergestellt. Der Tank ist für eine Kapazität von 6 Litern und einen Betriebsdruck von 300 bar (31,65 MPa) konstruiert. Der Tank 31 besitzt in Meridianrichtung und in Querrichtung kreisförmige Querschnitte mit einem Gesamtdurchmesser von 340 mm, einem Innendurchmesser von 112 mm und einer Basiswanddicke von 3,2 mm.
Auf den Behälter ist zunächst eine Epoxydharz-Vorimprägnierung aus streckbaren Kohlenstoffasern aufgebracht. Die Vorimprägnierung ist auf den Behälter 31 streifenförmig in einer solchen Ausrichtung aufgelegt, daß die Streifen im wesentlichen senkrecht zur Meridianrichtung liegen, wodurch sie nach der Verfestigung und Aushärtung eine ausgerichtete Verbundschicht 32 bilden, die einen Teil der Belastung in dieser Richtung trägt. Der Behälter ist mit einer Kevlar-49TM-Faser 34 in der gleichen Weise wie das vorherige Beispiel überwickelt. Da ein Teil der ringförmigen Belastung an Stelle vom Metall durch die Kohlenstoffaser-Verbundschicht. 32 getragen wird, sind weitere beträchtliche Gewichtseinsparungen möglich. Dort, wo die Schicht 32 in den verdickten Bereich übergeht, ist bei der Konstruktion Sorgfalt erforderlich, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden und um sicherzustellen, daß die Übergangszone ausreichend groß ist, damit eine effektive Belastungsübertragung in die Verbundschicht 32 gewährleistet ist. In Fig. 5 werden zwei alternative Lösungen veranschaulicht: (a) eine Vorimprägnierung mit keilförmigem Rand ist auf den Behälter aufgebracht, damit sich eine keilförmige Übergangszone ergibt; (b) mehrere Schichten der Vorimprägnierung sind aufgebracht, damit sich eine eine stufenförmige Übergangszone ergibt. Eine Schutzschicht 37 vor Umgebungseinflüssen ist über der trockenen Überwicklung 34 aufgebracht. Es ist jedoch selbstverständlich, daß das Konzept der streckbaren Vorimprägnierung kein wesentliches Merkmal der Konstruktion aus überwickelter Aluminiumlegierung oder der Konstruktion aus überwickelter Titanlegierung ist.
Die Fig. 6 bis 9 beziehen sich auf eine alternative Ausführungsform der Gasversorgungsöffnung.
Ein toroidförmiger Mantel 41 mit gleichförmiger Wanddicke wird hergestellt, indem möglicherweise zwei gebogene "Rinnen" zusammengeschweißt werden. Ein Ansatz 42 ist am Mantel angeschweißt und ist mit einem Luftdurchlaß 43 versehen, der eine Verbindung mit einer Öffnung 44 in der Wand des toroidförmigen Mantels schafft. Der Ansatz ist vorzugsweise zur Mittelebene des Torus versetzt angeordnet, um eine Überschneidung mit den ringförmigen Schweißnähten zu vermeiden, die potentielle Schwachstellen verursachen könnte. Aus Funktionsgründen (z. B. der Vorteil des Schutzes, der dadurch geboten wird, daß die Anschlüsse an einer Stelle im Innern des Rings angeordnet werden) ist es jedoch weiterhin erwünscht, den Druckabgriff nicht zu weit weg vom "Äquator" zu verschieben.
Der Behälter ist mit einer Kevlar-49TM-Faser 34 in der gleichen Weise wie die vorherigen Beispiele überwickelt, zuerst bis an beide Seiten des Ansatzes 42 heran und anschließend in einer separaten Wickeloperation über die Oberseite des Ansatzes hinweg. Der Behälter ist somit vollständig überwickelt, wodurch die Notwendigkeit für eine verdickte Sektion in der Nähe der Gasversorgungsöffnung beseitigt ist.
Bei Bedarf wird zum Schutz der Faser 46 eine Oberflächenbeschichtung 48 aufgebracht.
Um den Gasregler anzuschließen, wird eine (in Fig. 8 veranschaulichte) banjoförmige Anbringungseinrichtung 49 verwendet. Der Vorsprung 53 wird in den Durchlaß 43 im Ansatz 42 eingesetzt, so daß das Loch 50 auf die Öffnung 44 in der Wand des toroidförmigen Mantels ausgerichtet ist. Die Gummiringdichtungen 54 schaffen eine gasdichte Verbindung und das Gas kann über die Durchlässe 51 zum Loch 52 strömen, das einen Regleranschluß schafft und ein mit M18 oder einem anderen Standardgewinde versehenes Anschlußstück darstellt, um einen Anschluß des Reglers und der zugehörigen Atemmundmaske oder der Gesichtsmaske sowie von verwandten Vorrichtungen (die in Fig. 3 veranschaulicht sind) zu ermöglichen.
Diese Ausführungsform erleichtert die Herstellung des Gefäßes und vermeidet die strukturellen Probleme, die aus der Überschneidung mit Schweißnähten entstehen können, wo eine verdickte Zone in das Gefäß geschweißt ist. Die Lochgrößen werden im wesentlichen nicht durch die Größe eines benötigten Luftdurchlasses, sondern durch die Notwendigkeit bestimmt, für die Zwecke der Inneninspektion ein Einführen eines Endoskop zu ermöglichen.
Fig. 9 veranschaulicht die bevorzugte Geometrie für den Ansatz vor der Aufbringung der Überwicklung. Damit die Überwicklung funktioniert, ist eine positive Krümmung an allen Punkten erforderlich, so daß sie einen nach innen gerichteten Druck auf den Mantel 41 ausüben kann. Deswegen muß der Ansatz eine langgestreckte halbmondförmige Form besitzen, wobei sein äußeres Profil möglicherweise den Teil einer Ellipse bildet. Der größte Teil des Ansatzes steht meist unter kompressiver Belastung und kann deshalb ein gegossenes Teil oder Kunststoff- Spritzgießteil sein. Eine komplexe Form bereitet deswegen keine Probleme. Der halbmondförmige Abschnitt kann einteilig oder ein separates Teil sein, das als eine aufgeschweißte Stütze angebracht wird.
Wenn das halbmondförmige Teil die ringförmige Schweißnaht auf dem Mantel überquert, ist es nicht erwünscht, daß es kontinuierlich angeschweißt ist. Tatsächlich würde ein starr angeschweißtes Teil, das auf einem größer werdenden Mantel angebracht ist, in den Schweißnähten große Spannungen entwickeln, was eine potentielle Stelle für einen Ermüdungsausfall darstellt. Wenn das halbmondförmige Teil jedoch nicht an allen Punkten fest angebracht ist, kann sich, um dessen Schaben am Mantel zu verhindern, eine "Schmierung" erforderlich machen, z. B. unter Verwendung einer Schicht aus PTFE oder Nylon 56 (wodurch eine weitere mögliche Quelle des Ermüdungsausfalls vermieden wird). Eine (nicht gezeigte) Alternative ist eine Reihe von Punktschweißungen mit vorgesehenen Spannungsentlastungskerben (die die Umfangssteifigkeit reduzieren), dies hat jedoch den potentiellen Nachteil, daß mehrere durch Wärme beeinflußte Zonen erzeugt werden.
Außerdem ist eine äußere Schmierung, z. B. durch PTFE-Band, erwünscht, um einen Reibverschleiß des Kevlars an den Spitzen des halbmondförmigen Teils zu vermeiden, und diese wird in diesem Beispiel durch eine Schicht eines PTFE-Bands 58 geschaffen.
Das verbleibende strukturelle Problem besteht darin, daß es beim Entwurf von Druckgefäßen eines beliebigen Typs erwünscht ist, vorzusehen, daß ein Erstausfall entfernt von Verbindungen, Ansätze usw., sondern statt dessen eher im typischen gleichförmigen Teil der Gefäßstruktur auftritt. Auf diese Weise können reproduzierbare und verhersagbare Berstdrücke erreicht werden. Bei diesem vorgeschlagenen Aufbau kann erwartet werden, daß durch ein, übergroße Menge an Kevlar einen Ausfall längs der ringförmigen Schweißnähte unterdrückt wird, wobei in diesem Fall die wahrscheinliche Ausfallart ein Riß in Meridianrichtung sein wird, der aus der ringförmigen Spannung entsteht.
Es sieht jedoch leider so aus, daß das (kleine) Loch im Torus, das von einer Schweißnaht umgeben und eine durch Wärme beeinflußte Zone ist, die am meisten wahrscheinliche Stelle für einen Erstausfall ist.
Ein möglicher Ausweg würde darin bestehen, einen Flecken aus Metall oder Verbundwerkstoff zu verwenden, der an der Innenoberfläche des Torus durch Kleben angebondet wird. Dies würde vorgesehen werden, um eine ausreichende Belastung zu übertragen (vielleicht 10 bis 15% der Gesamtbelastung), damit ein vorzeitiger Ausfall in der durch Wärme beeinflußten Zone unterdrückt wird.
Die für die Ausführungsform der Fig. 6 bis 9 beschriebene Herstellungsreihenfolge würde modifiziert werden, damit zunächst das Anschweißen eines Ansatzes an eine der "Rinnen" eingeschlossen ist. Anschließend wird ein Flicken an der Innenseite der Rinnenoberfläche dem. Ansatz gegenüberliegend aufgebracht. Die zwei Rinnen werden zusammengeschweißt, um den Torus zu bilden, und die Wicklungen werden in üblicher Weise aufgebracht.
Die Größe des Flickens wird teilweise durch die Nähe der ringförmigen Schweißnaht und durch die Temperatur, die der Klebstoff aushalten kann, bestimmt. Es besteht die Auswahl zwischen einem Epoxydharz-Klebstoff, der bis etwa 170ºC verwendet werden kann, und einem Bismaleide-Filmklebstoff (der bis etwa 300ºC verwendet werden kann, jedoch kein besonders wirksamer Klebstoff ist).
Das Konzept aus Stütze, Halbmond und Banjoform der Fig. 6 bis 9 ist als ein Mittel entwickelt worden, um zu ermöglichen, daß ein Druckanschluß hergestellt und gleichzeitig sichergestellt wird, daß die gesamte Oberfläche des Torus durch eine Überwicklung unterstützt wird. Eine alternative Lösung, die in Fig. 10 veranschaulicht ist, besteht darin, zu akzeptieren, daß es einige nicht unterstützte Bereiche gibt, und zu versuchen, ihre schwächende Wirkung zu minimieren.
Die freiliegende Zone stellt insbesondere für dünne Mäntel aus hochfestem Metall ein Problem dar. Eine örtliche Verdickung des Mantels ist unerwünscht, da dadurch die Herstellung komplizierter wird und zu einer Spannungskonzentration und einer möglichen Quelle des Ermüdungsausfalls führt (wie dies bei einem steifen Element zu erwarten wäre, das an einem größer werdenden Mantel starr angebracht wird). Die Ausführungsform von Fig. 10 verwendet eine Belastungsverteilerplatte, um die freiliegende Zone zu überbrücken, wobei Fig. 10a einen Schnitt durch die Verteilerplatte am Einlaßrohr 61 und Fig. 10b einen Schnitt an einer vom Einlaßrohr entfernten Stelle veranschaulicht.
Es ist eine Platte 62 vorgesehen, die so gekrümmt ist, daß sie mit der Krümmung des toroidförmigen Mantels 64 übereinstimmt, und die ein Loch, das über das Einlaßrohr 61 paßt, sowie abgeschrägte Kanten aufweist. Die Platte schafft in der freiliegenden Zone, in der die Überwicklung 66 fehlt, eine Extraunterstützung. Die Platte sollte lose angebracht sein und am Torus, wenn dieser sich ausdehnt, frei gleiten. Um dies zu unterstützen, kann ein Schmierfilm verwendet werden.
Die Platte wird stärkeren Scher- und Biegebelastungen unterzogen und muß, um dem zu entsprechen, ausreichend dick und aus einem geeigneten Werkstoff sein. Faserverbundwerkstoffe sind im allgemeinen nicht geeignet, um Scherbelastungen aufzunehmen, die außerhalb der Ebene liegen. Isotrope Metalle würden vorzuziehen sein.
Wenn das überwickelte toroidförmige Druckgefäß entweder mit der Konstruktion aus Stütze-Halbmond-Banjoform der Fig. 6 bis 9 oder mit der Belastungsverteilerplatte von Fig. 10 betrachtet wird, wäre zu erwarten, daß ein Erstausfall prinzipiell unter der Einwirkung von ringförmigen Belastungen auftritt (die Konstruktion sieht vor, zusätzliche Überwicklungen zu verwenden, um einen Ausfall infolge der Belastung in Meridianrichtung zu unterdrücken). Der erwartete Ausfall würde in Form eines Risses in Meridianrichtung erfolgen, der um den kleineren Umfang des Torus verläuft. In der ringförmigen Richtung kann der schwächste Bereich im Gebiet der Schweißnaht und/oder der durch Wärme beeinflußten Zone um den Druckeinlaß, d. h. entweder die Stütze oder das Einlaßrohr, erwartet werden.
Diesen Ausfall durch eine örtliche Verdickung zu vermeiden, ist aus den obenerläuterten Gründen nicht erwünscht. Die Belastungsverteilerplatte nimmt keine Membranbelastungen auf, die zum Ausfall führen.
Eine mögliche Lösung besteht darin, einen dünnen Flicken Werkstoff zu verwenden, der an die Torusoberfläche rund um die Schweißnaht gebondet wird. CFRP ist dafür ideal geeignet und die Technologie zum Aufbringen solcher Flicken ist aus der Arbeit von SMC zu Reparaturen an Verbundwerkstoffen gut eingeführt. Da der Festigkeitsverlust rund um die Schweißnähte erwartungsgemäß nicht groß ist, kann die Dicke des benötigten Werkstoffs relativ klein sein, möglicherweise nicht stärker als 0,5 mm. Die zusätzliche Masse würde minimal sein.
Das Konzept des verstärkenden Flickens ist entweder auf das Konzept halbmondförmigen Stütze der Fig. 6 bis 9 oder auf die Belastungsverteilerplatte von Fig. 10 anwendbar. Im ersteren Fall wäre die zusätzliche Dicke ein unwesentliches Problem auf einem Gebiet, in dem der Raum die Hauptsache darstellt. Im letzteren Fall würde der Flicken unter der Verteilerplatte wirken und somit eine ausreichende durchgängige Dicke mit einer kompressiven Festigkeit benötigen, damit die kompressiven Belastungen ausgehalten werden.

Claims

1. Gaseinschluß- und -versorgungsvorrichtung (1), mit einem Gasspeichergefäß, das mit Druck beaufschlagtes Gas einschließen kann und mit einer Gasversorgungsöffnung (8) versehen ist, einer Versorgungseinrichtung, die an einem ersten Ende (21) an die Gasversorgungsöffnung (8) anschließbar ist, um eine Versorgung mit dem Gas durch ein zweites Ende (30) zu schaffen, und einer Steuereinrichtung (25), die die Gasversorgungsdurchflußmenge steuert, wobei der Gasspeicher ein toroidförmiges Druckgefäß ist, das einen metallischen toroidförmigen Mantel (2) umfaßt, auf dessen Oberfläche eine Zuglastunterstützungsschicht aus einer hochgradig zugfesten Polymerfaser (4) gewickelt ist, wobei die Faser im wesentlichen auf die Meridianrichtung auf dem toroidförmigen Mantel ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser wenigstens in einem wesentlichen Abschnitt ihrer Tiefe keinerlei Grundwerkstoff besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die Versorgungsöffnung (8) an der Innenfläche des Torus befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Gasversorgungsöffnung eine Einrichtung, die einen lösbaren Anschluß (14) der Versorgungseinrichtung schafft, sowie ein Schließventil (15), das ein Entweichen von Gas bei abgetrennter Versorgungseinrichtung verhindert, umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Mantel einen Torus mit einem im wesentlichen kreisförmigen Meridianquerschnitt und einer im wesentlichen gleichmäßigen Wanddicke (41) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Faser ein Aramid umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Zuglastunterstützungsschicht aus miteinander vermischten Mischfasern besteht, die eine Aramidfaser in Kombination mit Kohlenstoff- und/oder Glas- und/oder Keramikfasern umfassen.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Faserwicklung überspannt ist, um auf den Metallmantel eine kompressive Vorbelastung auszuüben.

8. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Mantel aus einem Werkstoff hergestellt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium und Legierungen hiervon sowie Titan und Legierungen hiervon umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Gasspeichergefäß (1) mit einer Zone mit verdicktem Innengehäuse (10) ohne Überwicklung im Bereich der Gasversorgungsöffnung (12) versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der über der Öffnung (44) in dem toroidförmigen Mantel (41) unterhalb der Überwicklung ein ringförmiger oder teilweise ringförmiger Ansatz (42) angebracht ist, der eine äußere Oberfläche, die eine in Meridianrichtung gewickelte Faserschicht aufnimmt, eine seitliche Öffnung sowie einen Luftdurchlaß (43), der einen Verbindungskanal zwischen der Öffnung im toroidförmigen Mantel und der seitlichen Öffnung schafft, aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Ansatz teilweise ringförmig ist und einen halbmondförmigen Querschnitt besitzt.

12. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Steuereinrichtung einen Druckregler umfaßt.

13. Tragbare Vorrichtung zum Befestigen am Rücken eines Menschen, die einen Rucksack und eine Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch umfaßt.

14. Atemgerät, das eine von einem Menschen tragbare Gaseinschluß- und -versorgungsvorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch enthält und in dem der Speicher für das mit Druck beaufschlagte Gas als Atemgasspeicher dient und das ferner eine Gesichtsmaske und ein vom Benutzer betätigbares Bedarfsventil, das mit dem zweiten Ende der Gasversorgungsöffnung verbunden ist, umfaßt.