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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft die Technik der Herstellung von Druckbehältern und
insbesondere verbesserte Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus
Verbundwerkstoff und Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff, die gemäß den verbesserten
Verfahren hergestellt sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Druckbehälter, wie
etwa Heißwassererhitzer, Boiler,
Druckgastanks und dergleichen, sind herkömmlicherweise aus Metall, wie
etwa Stahl, hergestellt worden. In den letzten Jahren ist jedoch
die Verwendung von Druckbehältern
aus Verbundwerkstoff vorherrschender geworden. Diese Druckbehälter aus Verbundwerkstoff
sind typischerweise mit einem Filamentwickelverfahren hergestellt
worden, das hitzehärtbare
Kunstharze, wie etwa Epoxyharze, Polyester und Vinylester, einsetzt.
Kurz gesagt ist diese Technologie das Verfahren des Imprägnierens
von trockenen Fasern, wie etwa Glasfasersträngen, mit katalysiertem Harz
vor dem Aufbringen auf einen Dorn. Vorimprägnierte Fasern („Prepregs") können ebenfalls
verwendet werden. Der Dorn und der aufgebrachte Verbundwerkstoff
werden dann ausgehärtet,
bei Umgebungstemperatur oder mit Hitze, um das Laminat auszuhärten und
einen Laminatmantel aus hartem Harz und Faser zu erhalten. Dieser
Mantel wird entweder vom Dorn abgenommen oder der Dorn selbst wird
Teil des Endproduktes. Obgleich die spezifische Produktanwendung
die genaue Funktion des Harzes bestimmt, dient es in allen Fällen als
die Trägerstruktur,
um die kontinuierlichen Faserstränge in
ihrer Position zu halten.
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Die
hitzehärtbaren
Harze, die in diesen Verfahren verwendet werden, können in
die Kategorie der Niedertemperatur-Gebrauchsprodukte eingeordnet
werden, die gekennzeichnet sind durch eine relative Leichtigkeit
des Gebrauchs, geringe Kosten und Verfügbarkeit. Diese Harze haben
seit langem dazu gedient, die Leistungsanforderungen eines breiten Bereichs
von Druckbehälterprodukten
zu erfüllen. Diese
Harzsysteme haben jedoch gut bekannte Nachteile, die ihre begrenzten
Temperaturbeständigkeiten,
unbefriedigende Ästhetik
des Endproduktes, Mangel an längerer
Haltbarkeit, Mangel an Geeignetheit für Recycling und mit der Herstellung
zusammenhängende
Aspekte, wie etwa Abschaltzeiten aufgrund von Reinigung und Materialhandhabungskosten,
einschließen. Überdies
gibt es Umweltbedenken, die auf der Einwirkung von Dampf, Overspray, Emissionen,
etc. auf Arbeiter stammen, die während der
Herstellungsverfahren auftreten. Einige technisch veränderte hitzehärtbare Harze
verbessern die Leistung durch höhere
Temperaturbeständigkeit, aber
unannehmbare Materialkosten sind mit ihnen verbunden.
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Deutsches
Patent
DE 42 15 756 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, wie etwa Druckflaschen
und Rohren, wobei diese Körper
aus zwei Schichten FRP hergestellt sind. Das Verfahren umfaßt das Ausbilden
des inneren Körpers
durch Extrusion oder Spritzguß und
Wickeln eines Verstärkungsgarnes,
das aus thermoplastischen Fasern besteht, um diesen inneren Körper herum.
Die Wicklung wird auf 20°C
bis 50°C über dem
Schmelzpunkt der gegebenen thermoplastischen Fasern erhitzt und
anschließend
zusammengepreßt
und konsolidiert, um die äußere Schicht
zu bilden und überdies
diese äußere Schicht
an die innere Schicht zu binden.
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Europäisches Patent
EP 0810081 offenbart einen
Druckbehälter,
der einen Innenmantel umfaßt, der
in der Lage ist, als eine Gassperrschicht zu dienen, und einen druckbeständigen Außenmantel,
der bereitgestellt wird, um den Innenmantel zu überdecken. Der Außenmantel
ist vorzugsweise hergestellt aus einem FRP, das Verstärkungsfasern
und ein Harz umfaßt,
während
der Innenmantel entweder aus einer Metallegierung oder aus einem
Harz wie etwa Polyethylenharz hergestellt sein kann. Zusätzlich kann
der Behälter
ein Wulstteil umfassen, das am Innenmantel und/oder Außenmantel
angebracht ist.
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Zusätzlich haben
Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff, die gemäß den Verfahren
nach dem Stand der Technik hergestellt sind, wegen der eingesetzten
Materialien und Verfahren, inhärent
restliche und signifikante innere Spannungen, die, zusammen mit
bestimmten temperaturempfindlichen Inkompatibilitäten der
Materialien, die Druck- und Temperaturbereiche begrenzen, in denen
die Druckbehälter
Verwendung finden.
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Somit
haben zunehmende Leistungsanforderungen, Umweltaspekte, Herstellungsaspekte
und neue Marktgegebenheiten die Beschränkungen der Verwendung von
hitzehärtbaren
Harzen bei der Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff hervorgehoben.
Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff mit höheren
Temperatur- und Druckbeständigkeiten, verbessertem
Aussehen und größerer Haltbarkeit und
Stoßfestigkeitseigenschaften,
und die, im Hinblick auf die Herstellung, umweltfreundlich sind,
kosteneffektiver und weniger Herstellungsprobleme darstellen, sind
demgemäß hoch wünschenswert.
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Es
wird daher von den Fachleuten anerkannt werden, daß ein Verfahren
zur Herstellung von Druckbehältern
aus Verbundwerkstoff, das eine Verbesserung in all diesen Bereichen
erreicht, eine fundamental unterschiedliche Philosophie erfordert.
Es ist die Bereitstellung eines solchen fundamental verbesserten
Verfahrens und von Druckbehältern,
die mit einem solchen Verfahren hergestellt sind, auf die die vorliegende
Erfindung gerichtet ist und durch die die folgenden Eigenschaften
erhalten werden: verbesserter Kontakt bei höheren Temperaturen zwischen
der Faser und dem Harz, bessere Kontrolle über das Verhältnis Verstärkung/Matrix,
Abfallmaterialien, die effektiv recycelt werden können, verminderte
Probleme mit Vorschriften, die durch Emissionen hervorgerufen werden,
höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeiten für
die Wickel- (oder ein anderer Modus zum Darüberlegen) und Aushärtungsschritte,
potentielle Arbeitseinsparung aufgrund von weniger Materialhandhabung,
Verringerung des Bodenraumes, Anpaßbarkeit an Automation, eine
sicherere Umgebung für
Angestellte, Vereinfachung von Verarbeitungslinien und von Materiallagerung
und -handhabung, schnellere Überwechselzeiten,
schnelleres Anfahren, geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten,
etc.. Daher sind Druckbehälter,
die gemäß dem Verfahren
hergestellt sind, im wesentlichen frei von Spannungen und zeigen verbesserte
Leistung gegenüber
den Druckbehältern
nach dem Stand der Technik, indem sie unter anderem höheren Drücken und
Temperaturen widerstehen können,
stoßfester
sind und auch ein signifikant besseres Finish haben.
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Aufgaben der
Erfindung
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Es
ist daher eine breite Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus Verbundwerkstoff
bereitzustellen.
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Es
ist insbesondere eine Aufgabe dieser Erfindung, solch ein verbessertes
Verfahren bereitzustellen, das von Vorteilen profitiert, einschließlich, im Gegensatz
zu Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Druckbehältern aus
Verbundwerkstoff: bessere Kontrolle über das Verhältnis Verstärkung/Matrix,
Abfallmaterialien, die effektiv recycelt werden können, verringerte
Probleme mit Vorschriften, die durch Emission hervorgerufen werden, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten
für die
Wickel- (oder Alternativen zum Wickeln) und Aushärtungsschritte, wesentliche
Arbeitseinsparungen aufgrund von weniger Materialhandhabung, Verringerung
des Bodenraums, Geeignetheit für
Automation, eine sicherere Umgebung für Angestellte, Vereinfachung
von Verarbeitungslinien und von Materiallagerung und -handhabung,
schnellere Überwechselzeiten,
schnelleres Anfahren, geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten,
etc..
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In
einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff
bereitzustellen, die im Gebrauch eine Langzeitleistung zeigen, die
wenigstens so gut ist wie diejenige von herkömmlichen Druckbehältern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Kurz
gesagt werden diese und andere Aufgaben der Erfindung durch Einsetzen
eines Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Behälters aus
Verbundwerkstoff erreicht, welches einschließt: A) Vorformen (z.B. durch
Wickeln einer Faser, wie etwa Glasfaser, und eines thermoplastischen
Materials, wie Filamente, ein Roring oder ein Garn auf einem thermoplastischen
Liner) eines faserverstärkten thermoplastischen
Mantels aus Verbundwerkstoff für den
Behälter,
wobei der thermoplastische Mantel aus Verbundwerkstoff wenigstens
eine Öffnung
für Zugang
zum Inneren desselben aufweist; B) Einbringen des thermoplastischen
Mantels aus Verbundwerkstoff (der fakultativ vorerhitzt sein kann)
in eine Form (die selbst fakultativ unabhängig vorerhitzt sein kann);
C) Einführen
eines aufblasbaren Beutels, der eine Heizeinrichtung enthält, in den
thermoplastischen Mantel aus Verbundwerkstoff durch die wenigstens
eine Öffnung
darin; D) Erhitzen des aufblasbaren Beutels auf eine Temperatur,
die ausreichend ist, um den thermoplastischen Mantel aus Verbundwerkstoff
fluid zu machen, während
das Innere desselben so unter Druck gesetzt wird, daß die Außenfläche des
aufblasbaren Beutels gegen die Innenfläche des thermoplastischen Mantels
aus Verbundwerkstoff drückt;
E) Fortsetzen von Schritt D), bis der thermoplastische Mantel aus
Verbundwerkstoff sich gegen die Innenwände der Form ausformt; F) Beenden
des Erhitzens des aufblasbaren Beutels und Abkühlenlassen des ausgeformten
Behälters
aus Verbundwerkstoff; G) Entfernen des aufblasbaren Beutels aus
dem Inneren des ausgeformten Behälters aus
Verbundwerkstoff; und H) Entfernen des ausgeformten Behälters aus
Verbundwerkstoff aus der Form. Vor Schritt C) kann ein Einsatz mit
einer Öffnung
in Flucht mit der Öffnung
im thermoplastischen Mantel aus Verbundmaterial angeordnet werden,
so daß,
während
Schritt C), der aufblasbare Beutel in das Innere des thermoplastischen
Mantels aus Verbundwerkstoff durch die Öffnung im Einsatz eingeführt wird.
Falls für
den beabsichtigten Zweck des Behälters
aus Verbundwerkstoff gewünscht,
kann ein Teil der Außenfläche des
Einsatzes mit Schraubgewinde versehen werden, so daß, während Schritt
E), ein Schraubgewinde in der Öffnung
des thermoplastischen Mantels aus Verbundwerkstoff ausgebildet wird
und, im Anschluß an
Schritt F), der Einsatz herausgeschraubt und vom ausgebildeten Behälter aus Verbundwerkstoff
getrennt werden kann, was eine mit Schraubgewinde versehene Öffnung in
den Behälter
hinein zurückläßt.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Der
Gegenstand der Erfindung wird besonders hervorgehoben und genau
beansprucht im abschließenden
Teil der Beschreibung. Die Erfindung kann jedoch, sowohl im Hinblick
auf die Organisation als auch auf das Betriebsverfahren, am besten
durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden,
die zusammenzunehmen ist mit den angeschlossenen Ansprüchen und
der begleitenden Zeichnung, in der:
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1 eine
darstellende Ansicht eines Liners/Dorns ist, der bei der praktischen
Umsetzung einer ersten erfinderischen Ausführungsform eingesetzt wird;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linien 2-2 von 1 ist;
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3 eine
darstellende Ansicht des Liners/Dorns ist, der in den 1 und 2 dargestellt ist, überlegt
mit einer Schicht aus vermischtem thermoplastischen Fasermaterial;
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4 eine
Ansicht des Liners ist, nachdem er mit der Schicht aus vermischtem
thermoplastischen Fasermaterial überlegt
worden ist, und eine vergrößerte fragmentarische
Querschnittansicht einschließt;
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5A, 5B und 5C Querschnittsansichten
entlang der Linien 5-5 von 3 sind,
die drei Varianten eines ersten Materialtyps veranschaulichen, der
auf den thermoplastischen Liner gewickelt werden kann, um die Deckschicht
zu erstellen;
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6 eine Querschnittsansicht entlang der Linien
6-6 von 3 ist, die einen zweiten Materialtyp
veranschaulicht, ein Roving einer der drei Varianten, die in den 5A, 5B und 5C dargestellt
sind, der auf den thermoplastischen Liner gewickelt werden kann,
um die Deckschicht zu erstellen;
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7 eine
Querschnittsansicht entlang der Linien 18-18 von 3 ist,
die einen dritten Materialtyp veranschaulicht, ein Garn aus dem
zweiten Materialtyp, das auf den thermoplastischen Liner gewickelt
werden kann, um die Deckschicht zu erstellen;
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8 eine
Phantomansicht einer Form ist, die den modifizierten Liner darstellt,
eingeschlossen in einer Form, in der er Wärme und wenigstens einer Kraft
unterworfen wird, die dazu neigt, den modifizierten Liner in die
Form zu drücken,
die von der Innenfläche
der Form definiert ist;
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9 eine
vergrößerte Teilquerschnittsansicht
des modifizierten Liners ist, die die Wirkungen der Wärme und
Kraft darauf veranschaulicht;
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10 eine ähnliche
Ansicht wie 8 ist, die den modifizierten
Liner zeigt, eingeschlossen in einem unterschiedlichen Typ von Form;
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11 eine
Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer
zweiten erfinderischen Ausführungsform;
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12 eine
zu 11 ähnliche
Ansicht ist, die einen Schritt in der zweiten erfinderischen Ausführungsform
veranschaulicht, in dem ein Vorformling aus fließfähigem thermoplastischen Material
in das Innere der vorgeformten Komponente als eine zweite Komponente
eines zu bildenden Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff eingebracht wird;
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13 eine
zu den 11 und 12 ähnlich Querschnittsansicht
ist, wobei aber die Form geschlossen ist und die Komponenten des
Druckbehälters
einer Kraft unterworfen werden, die den Druckbehälter gegen die Innenwand der
Form ausbildet;
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14 eine
Querschnnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer
dritten erfinderischen Ausführungsform,
und auch eine thermoplastische Linerkomponente, die im Inneren der
ersten Komponente angeordnet ist;
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15 eine
zu 14 ähnliche
Querschnittsansicht ist, wobei aber die Form geschlossen ist und die
Komponenten des Druckbehälters
einer Kraft unterworfen sind, die dann den Druckbehälter gegen die
Innenwand der Form ausbildet;
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16 eine
Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 14 und 15 dargestellten
Verfahren;
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17 eine
Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer
vierten erfinderischen Ausführungsform,
und auch eine äußere Linerkomponente, die
außen
um die erste Komponente herum angeordnet ist, und eine innere Linerkomponente,
die im Inneren der ersten Komponente angeordnet ist;
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18 eine
zu 17 ähnliche
Ansicht ist, wobei aber die Form geschlossen ist und krafterzeugende
Komponenten mit der Form gekoppelt sind;
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19 eine
zu 18 ähnliche
Ansicht ist, die den Druckbehälter
zeigt, der in der Form unter dem Einfluß von Hitze und einer oder
mehreren Kräften
ausgeformt wird, die die Druckbehälterkomponenten zwingen, an
den Umrissen der Innenwand der Form anzuliegen;
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20 eine
Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 17, 18 und 19 dargestellten
Verfahren;
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21 eine
Querschnittsansicht einer Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische
Komponente eines Druckbehälters
enthält,
die bereits mit einem thermoplastischen Liner versehen ist, wobei
der Druckbehälter
gemäß einer
fünften
erfinderischen Ausführungsform
hergestellt wird;
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22 eine
zu 21 ähnliche
Ansicht ist, die den Druckbehälter
zeigt, der in der Form unter dem Einfluß von Hitze und einer oder
mehreren Kräften
ausgeformt wird, die die Druckbehälterkomponenten zwingen, an
den Umrissen der Innenwand der Form anzuliegen; und
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23 eine
Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 21 und 22 hergestellten
Verfahren.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform(en)
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Zunächst Bezug
nehmend auf 1 und 2 ist dort
ein thermoplastischer Liner/Dorn 1 für einen Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff dargestellt, der gemäß einer ersten erfinderischen
Ausführungsform
hergestellt werden soll. In der beispielhaften Ausführungsform
ist der Liner/Dorn 1 eine im allgemeinen längliche
vorgeformte Struktur, die an jedem Ende in einer Kuppel 2, 3 mit
einer zentralen, axialen Öffnung 4, 5 endet.
Der thermoplastische Liner 1 kann zum Beispiel aus Polypropylen,
Polyethylen, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat oder
Faser(z.B. Glasfaser)-imprägniertem
Polypropylen, Polyethylen, Polybutylenterephthalat oder Polyethylenterephthalat
oder einem anderen thermoplastischen Material mit geeigneten Eigenschaften hergestellt
sein und kann hergestellt sein mit jedem geeigneten herkömmlichen
Verfahren, wie etwa Ausformen einer Kombination von zerkleinerten
Fasern, gerichtetem, gewebtem und/oder geknüpftem Fasergewebe, zusammengenäht oder
-geschweißt
in der Form des Behälters
und vermischt mit thermoplastischem Material.
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Wie
dargestellt in 3 wird ein Filament, Roving,
Garn oder Band 6 aus Faser (z.B. Glasfaser, Kohlenstofffaser,
Borfaser, etc.) und einem thermoplastischen Material methodisch
auf die Außenfläche des
thermoplastischen Liners 1 gewickelt, um eine im wesentlichen
gleichförmige
Deckschicht 7 zu bilden, wie dargestellt in dem vergrößerten Teilquerschnitt
in 4. Dieser Schritt kann zum Beispiel durch Anbringen
des thermoplastischen Liners 1 auf einem Dorn 8 und
Drehen des Liners, wie angegeben durch den Pfeil 9, durchgeführt werden,
während
das (die) Filament(e), Roving, Garn oder Band 6 methodisch von
einer quer und hin- und
hergehenden Quelle zugeführt
wird, wie dargestellt durch den Doppelpfeil 10, und dieses
Verfahren fortgesetzt wird, bis die Deckschicht 7 die gewünschte Dicke
erreicht hat. Das Material 6 kann auf den thermoplastischen
Liner 1 „kalt" aufgewickelt werden
oder kann durch eine Heizeinrichtung 12 geführt werden,
die in einigen Anwendungen zu einer gleichförmigeren Deckschicht 7 führt (4),
mit besseren funktionellen und/oder ästhetischen Eigenschaften.
Die resultierende Struktur 11 wird dann weiter verarbeitet,
wie unten im Detail beschrieben werden wird.
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Es
ist festgestellt worden, daß es
wünschenswert
ist, die Zuführgeschwindigkeit
in den Bereichen der Kuppeln und Endstücke in geeigneter Weise zu
variieren, so daß eine
im wesentlichen gleichförmige
Dicke der Deckschicht über
die gesamte Länge
des Liners 1 erhalten wird. Alternative Wickeltechniken
zum Erreichen einer befriedigend gleichförmigen Deckschicht sind im
Stand der Technik gut bekannt und es wird Bezug genommen zum Beispiel
auf U.S.-Patent 3,282,757 mit dem Titel METHOD OF MAKING A FILAMENT
REINFORCED PRESSURE VESSEL von Richard C. Brussee, das verschiedene
Wicklungstechniken offenbart, die in der Praxis der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden können.
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Die
Form, und insbesondere die Art, der Faser und des thermoplastischen
Materials 6 ist jedoch von signifikanter Bedeutung für die Praxis
der Erfindung, so daß die
Aufmerksamkeit kurz auf die 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 7 gelenkt
wird, die geeignete Varianten des Materials 6 darstellen,
die in der Praxis der Erfindung eingesetzt werden können. In 5A sind
getrennte Stränge
aus thermoplastischem Material 13A und Faser 12A zusammen
oder getrennt, aber mehr oder weniger gleichzeitig, wie angegeben
bei 6A, auf den Liner/Dorn 1 aufgewickelt. Geeignete
Arten von thermoplastischem Material 13A, die in der Praxis
der Erfindung für
diesen Zweck verwendet werden können, schließen, aber
ohne Beschränkung
hierauf, Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat
ein.
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5B zeigt
einen Querschnitt einer zweiten Variante 6B für das Material 6,
in der die Faser 12B mit einem thermoplastischem Material 13B durch
zum Beispiel Doppelextrusion oder durch irgendein anderes geeignetes
Vorverfahren beschichtet ist. In ähnlicher Weise zeigt 5C einen
Querschnitt einer dritten Variante 6C für das Material 6,
in der die Faser 12C mit einem Pulver aus dem thermoplastischen
Material 13C beschichtet ist.
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Vorzugsweise
werden jedoch die Faser 12 und das thermoplastische Material 13 (in
jeder der in den 5A, 5B, 5C dargestellten
Formen), vor dem Aufwickeln auf den Liner/Dorn 1, zu einem Roving 6D miteinander
vermischt, wie dargestellt in 6A, oder
zu einem Garn 6E solcher Rovings, wie dargestellt in 6B.
Eine weitere bevorzugte Konfiguration für das Material 6 ist
in 7 dargestellt, als ein Band 6F von miteinander
vermischter Faser und thermoplastischem Material. Geeignete Rovings, Garne
und Bänder
aus miteinander vermischter Faser, z.B. Glasfaser, und thermoplastischem
Material sind kommerziell erhältlich,
und eine Produktfamilie, die sich als gut geeignet zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung erwiesen hat, wird unter der Marke
Twintex® von
Vetrotex vertrieben. Twintex wird hergestellt mit einem geschützten Verfahren,
das das Vermischen von Filamenten aus Glasfaser (z.B. 17 Mikrometer
im Durchmesser) mit Filamenten (z.B. 20 Mikrometer im Durchmesser)
aus Thermoplast (z.B. Polyethylen oder Polypropylen) während der
kontinuierlichen Herstellung von Rovings, Garnen und Bändern umfaßt, die
als solche und auch in der Form von Geweben verfügbar sind.
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Somit
kann, nur beispielhaft, der thermoplastische Liner/Dorn 1 selbst
aus Twintex®-Gewebe
hergestellt werden, das zusammengenäht oder -geschweißt und in
geeigneter Weise wärmebehandelt ist,
zum Beispiel in einer Form, um die Vorform zu erhalten, die anschließend mit
der Faser und dem thermoplastischen Material 6 umwickelt
wird, um die Zwischenstruktur 11 zu erhalten.
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Nunmehr
Bezug nehmend auf 8, wird, nachdem die Zwischenstruktur 11 hergestellt
worden ist, wie beschrieben oder in irgendeiner geeigneten Art und
Weise, diese in eine Form 13 eingebracht (im Beispiel zweiteilig).
Die Form wird dann erhitzt, zum Beispiel durch eingebettete Widerstandsheizeinrichtungen,
dargestellt durch die Heizeinrichtung 15B, die steuerbar
betrieben wird von einer Quelle E 15A und/oder durch Umwälzen von
heißem Öl, erhitzt durch
eine Quelle H 14A, durch Wicklungen 14B und/oder
jedes andere geeignete herkömmliche
Formerhitzungshilfsmittel. Zusätzlich
wird wenigstens eine Kraft auf die Form 13 und/oder das
Innere der Zwischenstruktur 11 ausgeübt, die dazu neigt zu bewirken,
daß die
Außenfläche der
Zwischenstruktur an der Innenfläche 13A (9)
der Form anliegt, wenn die angewendete Hitze Q bewirkt, daß der thermoplastische
Liner 1 und die aufgewickelte Deckschicht 7 miteinander
verschmelzen und gegen die Form fließen. Die Kraft oder Kräfte können erzeugt
werden durch Beaufschlagen der Formhälften mit äußerem Druck, um sie zusammenzudrücken, wie
angegeben durch die mit „F" bezeichneten Pfeile,
und/oder durch Unterdrucksetzen des Inneren des thermoplastischen
Liners 1 durch zum Beispiel Verwendung von Gasdruck aus
einer geeigneten Quelle 16, die in den Liner 1 durch
eine Leitung 18 gefördert
wird. Wenn das Unterdrucksetzen eingesetzt wird, dienen Kappen (aufgeschraubt
oder dauerhaft) 19 dazu, die Enden der Zwischenstruktur 11 abzudichten.
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Die
Hitze wird dann von der Form 13 entfernt, was ermöglicht,
daß der
nunmehr gebildete Druckbehälter
aus Verbundmaterial aushärtet
und durch Öffnen
der Form in der herkömmlichen
Art und Weise entnommen werden kann.
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In
der Praxis können
zwei wichtige fakultative Überlegungen
berücksichtigt
werden. Erstens ist festgestellt worden, daß die Form entlüftet werden sollte,
wie dargestellt durch die über
den Umfang verteilten Entlüftungsöffnungen 17,
die in 8 dargestellt sind, um zu ermöglichen, daß eingeschlossene Luft entweichen
kann, wenn der Druckbehälter
sich gegen die Innenwand der Form ausbildet, und somit ein besonders
feines Finish für
die äußere Oberfläche des
Druckbehälters
zu erreichen, die wenig, wenn überhaupt,
weitere Oberflächenbehandlung
erfordert. Zweitens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, um vollständiges Verschmelzen
zwischen dem thermoplastischen Liner 1 und der aufgewickelten
Deckschicht 7 sicherzustellen, entsprechende Materialien mit
etwas unterschiedlichen Schmelztemperaturen für den Liner und die Deckschicht
auszuwählen.
Insbesondere werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn die Aufheizgeschwindigkeit
kontrolliert wird und der Schmelzpunkt des Liners so ausgewählt ist, daß er oberhalb
desjenigen der Deckschicht liegt, damit das thermoplastische Material
effektiv um die Faser herum schmelzen kann, während der Liner erweicht wird,
aber während
des Ausformprozesses nicht vollständig schmilzt. Wie im Stand
der Technik gut bekannt, ist zum Beispiel der Schmelzpunktbereich
von Polypropylen 148°C
bis 165°C
(300°F bis 330°F), während derjenige
von Polyethylen 48°C
bis 60°C
(120°F bis
140°F) ist.
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Wie
dargestellt in 10 kann der Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff gemäß einem ähnlichen Prozeß hergestellt
werden, bei dem eine zweiteilige Form 20, versehen mit
zusammenpassenden Flanschen 21, 22, die mit Bolzen
miteinander verbunden sind, verwendet wird, wodurch eine vorbestimmte dreidimensionale
Form für
die Innenfläche
der zusammengebauten Form vollständig
definiert ist. In dieser Konfiguration wird die Zwischenstruktur 11 in die
Form eingebracht, die zusammengebaut wird. Anschließend wird
Hitze Q angewendet, wie oben beschrieben, während das Innere der Zwischenstruktur
unter Druck gesetzt wird, um den Druckbehälter aus Verbundwerkstoff zu
bilden. In dieser Variante besteht keine Notwendigkeit, äußere Druckkräfte auf die
Form auszuüben.
Vorzugsweise sind Entlüftungsöffnungen 17 aus
den oben angegebenen Gründen vorgesehen.
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Die 11, 12 und 13 veranschaulichen
ein unterschiedliches, aber verwandtes Verfahren zur Herstellung
eines Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff. Aus Klarheitsgründen sind diese FIGen. im Querschnitt
dargestellt. Bezugnehmend auf 11 ist
eine Vorform 31 in eine zweiteilige Form 30A, 30B eingebracht.
Die Vorform 31, die als ein äußerer Mantel für den herzustellenden
Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff dienen wird, kann in der zuvor für den thermoplastischen
Liner 1 beschriebenen Art und Weise hergestellt werden,
kann aber alternativ in der zuvor für die Zwischenstruktur 11 beschriebenen Art
und Weise hergestellt werden; d.h. der thermoplastische Liner 1,
umwickelt mit der Deckschicht 7 aus Faser und einem thermoplastischen
Material.
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Wie
dargestellt in 12, wird ein Vorformling 32 aus
geschmolzenem thermoplastischen Material, wie etwa Polyethylen,
Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat,
als eine längliche
Röhre durch
eine axiale Öffnung 37 im
oberen Ende der Vorform 31 extrudiert. Das Material des Vorformlings 32 ist
ausgewählt,
um eine gute Bindung mit einer gegebenen Vorform 31 auszubilden. Ein
Einsatz 33, der mit Schraubgewinde versehen oder dauerhaft
sein kann, ist in Bezug auf die axiale Öffnung 37 und innerhalb
des Vorformlings 32 angeordnet. In ähnlicher Weise ist, wenn die
Vorform 31 eine zweite axiale Öffnung 38 einschließt, ein
weiterer Einsatz 34 in der zweiten Öffnung angeordnet.
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Die
Fachleute werden verstehen, daß der geschmolzene
Vorformling 32 eine große Menge an latenter Wärme speichert.
Nunmehr bezugnehmend auf 13 werden
so die Formhälften 30A, 30B geschlossen
und das Innere des Vorformlings wird aus einer Druckgasquelle 35 über Leitung 36 unter
Druck gesetzt, so daß das
thermoplastische Material 32A im Vorformling nicht nur
gegen die Innenfläche
der Vorform 31A fließt,
sondern auf die Vorform 31A auch ausreichend Wärme überträgt, um sie
fluid zu machen. Folglich fließt
die Außenfläche der
Vorform 31A, um an die Innenfläche der Form anzuliegen, wobei
die Einsätze 33A, 34A mit
dem Rest der Struktur schmelzen oder entfernbare Einsätze definieren, wie
dies gewünscht
sein kann.
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Wenn
es in einer gegebenen Konfiguration ungenügend latente Wärme im Vorformling
gibt, um ein vollständiges
Zusammenfließen
der Vorform und des thermoplastischen Materials und die beabsichtigte Übereinstimmung
der Außenfläche der
Vorform mit der Innenfläche
der Form zu bewirken, kann die Form mit zusätzlicher Wärme Q beaufschlagt werden,
um die Bildung des Druckbehälters 37 zu
vervollständigen.
Die Form kann abkühlen
gelassen (oder herkömmlicherweise
zwangsgekühlt)
und geöffnet
werden, so daß der
fertiggestellte Druckbehälter
entnommen werden kann.
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Die 14, 15 und 16 (dargestellt im
Querschnitt) veranschaulichen ein weiteres Ausformverfahren zum
Ausformen einer Vorform 41 zu einem Druckbehälter 41A.
Zunächst
bezugnehmend auf 14 kann die Vorform 41 gemäß einem
der entsprechenden Verfahren, die zuvor beschrieben sind, hergestellt
werden, einschließlich
des im Zusammenhang mit den 1 bis 10 beschriebenen
Verfahrens, das das Wickeln von miteinander vermischter Faser und
einem thermoplastischen Material auf einen thermoplastischen Liner
umfaßt,
der selbst hergestellt sein kann durch Zusammenschweißen oder
-nähen
von Komponenten aus miteinander vermischter Faser und einem thermoplastischen
Material. Oder die Vorform 41 kann relativ grob aus einem
geeigneten thermoplastischen Material, wie etwa Polyethylen, Polypropylen,
Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat, ausgeformt
werden.
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Die
Vorform 41, die im Beispiel axiale Öffnungen 44, 46 hat,
wird in eine zweiteilige Form 40A oder 40B eingebracht.
Dann werden mit Schraubgewinde versehene Einsätze 43, 45 in
den Öffnungen 44, 46 angeordnet.
(Natürlich
könnten
solche Einsätze
wie 33, 34, die im Verfahren eingesetzt werden, das
in den 11 bis 13 veranschaulicht
ist, oder irgendein anderer Einsatztyp alternativ eingesetzt werden,
abhängig
von der genauen Konfiguration des gewünschten Druckbehälters.)
Wenn mit Schraubgewinde versehene Einsätze eingesetzt werden, wird
deren Material so ausgewählt,
daß es einen
Schmelzpunkt hat, der deutlich über
dem Schmelzpunkt der Vorform 41 liegt. Wenigstens einer der
Einsätze
schließt
eine Öffnung
zum Einbringen eines aufblasbaren Silikonkautschukbeutels 42 in das
Innere der Vorform 48 ein. Zusätzlich wird eine Heizeinrichtung 48 innerhalb
des aufblasbaren Beutels 42 angeordnet, die so ausgewählt wird,
daß sie höhere Wärmehandhabungsfähigkeiten
als der Schmelzpunkt der Vorform 41 hat. Ein geeigneter
Silikonkautschuk für
den aufblasbaren Beutel 42 ist Mosites 1453D,
geliefert vonn Mosites Rubber in den Vereinigten Staaten und Aerovac
Systems (Keighley) Ltd. im Vereinigten Königreich.
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Die
Heizeinrichtung 48 kann von jedem geeigneten Typ sein,
wie etwa eine elektrische Widerstandsheizung, wobei Strom auch durch
Leiter (nicht dargestellt) zugeführt
werden kann, die sich durch die Öffnung
im mit Schraubgewinde versehenen Einsatz 43 hindurch erstrecken
und mit einer geeigneten steuerbaren Stromquelle (nicht dargestellt)
verbunden sind. Zusätzlich
können
Vorkehrungen getroffen werden, falls erforderlich und wünschenswert,
zum getrennten Vorheizen der Vorform 41, wie etwa durch Bereitstellen
einer Anordnung von Heizeinrichtungen, dargestellt durch die elektrischen
Widerstandsheizungen 47A, 47B in der Nähe der Wände der
Vorform. Strom kann den Heizeinrichtungen 47A, 47B über Leiter
(nicht dargestellt) zugeführt
werden, die sich durch eine oder die andere oder beide der axialen Öffnungen 44, 46 in
der Vorform 41 erstrecken und mit einer geeigneten steuerbaren
Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Form 40A, 40B kann
selbst ebenfalls in herkömmlicher
Weise vorerhitzt und/oder während
des Ausformverfahrens erhitzt werden.
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Wenn
die Vorform 41 vorerhitzt werden soll (typischerweise um
den Durchsatz des Verfahrens zu erhöhen), wird dieser Schritt durchgeführt, um
die Vorform nahezu fluid zu machen, und die Heizeinrichtungen 47A, 47B werden
aus der Form 40A, 40B herausgezogen, die dann
geschlossen wird. Nunmehr bezugnehmend auf 15, wird
der aufblasbare Silikonkautschukbeutel 42 von einer Druckgasquelle 49 über eine
Leitung 50 aufgeblasen, während die Heizeinrichtung 48 die
Vorform 41 zu einem fluiden Zustand durch den Beutel erhitzt,
so daß der
Beutel nach außen
gerichtete Kräfte
auf die Vorform ausübt, die
daher fließt,
um an die Innenfläche 40A, 40B anzuliegen,
um den Druckbehälter 41A zu
bilden. Man wird bemerken, daß in
dem Beispiel die Bereiche der axialen Öffnungen der Vorform fließen, um
an die Schraubgewinde der Einsätze 43, 45 anzuliegen.
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Die
Beaufschlagung mit Wärme
wird dann beendet, und wenn die Form 40A, 40B und
der ausgeformte Druckbehälter 41A entsprechend
abgekühlt sind,
wird die Form geöffnet,
die mit Schraubgewinde versehene Einsätze 43, 45 werden
herausgeschraubt und der Silikonkautschukbeutel 42 und
die Heizeinrichtung 48 werden herausgezogen, was den ausgeformten
Druckbehälter
zurückläßt. Man
wird bemerken, daß sich,
wie dargestellt bei 51, Innenschraubgewinde, wie im Beispiel beabsichtigt,
in den axialen Öffnungen
des ausgebildeten Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff ausgebildet haben.
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Bei
der Herstellung einiger Druckbehälter aus
Verbundmaterial, wie etwa Haushaltswassererhitzer, kann die Farbe
des Endproduktes von Bedeutung sein. Es ist natürlich möglich, eine Vorform gemäß irgendeiner
der zuvor beschriebenen Verfahren unter Verwendung von Materialien)
herzustellen, das/die bereits gefärbt ist/sind. Es gibt jedoch
zwei potentielle Einwände
gegen diesen offensichtlichen Ansatz; nämlich: die vorgefärbten Rohmaterialien sind
teurer und eine begrenzte Anzahl von Farben ist bei den vorgefärbten Rohmaterialien
verfügbar.
Bei Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann jedoch
einem fertiggestellten Druckbehälter
Farbe auf eine unterschiedliche und hoch befriedigende Art und Weise
verliehen werden.
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In ähnlicher
Weise gibt es Anwendungen für Druckbehälter, wie
etwa ultrareine Wasserspeicher, Gasspeicher (z.B. Propan, Butan,
Erdgas, etc.) und Lebensmittelvorratsbehälter, bei denen es wünschenswert
ist, eine integrale undurchlässige
innere Auskleidung in einem Druckbehälter aus Verbundwerkstoff bereitzustellen.
Wieder kann ein Verfahren zur Bereitstellung solch einer integralen
undurchlässigen
inneren Auskleidung gemäß der vorliegenden Erfindung
entwickelt werden. Der Einfachheit halber behandelt ein Beispiel,
dargestellt in den 17 bis 20, sowohl
die Bereitstellung einer gewünschten äußeren Farbe
bei einem Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff als auch die Bereitstellung einer integralen
undurchlässigen
inneren Auskleidung. Man wird verstehen, daß jedes Merkmal einzeln bereitgestellt
werden kann.
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Bezugnehmend
auf 17, wird so eine Baugruppe, die eine Vorform 63 (hergestellt
gemäß einem
der zuvor beschriebenen Verfahren), umgeben von einem Film 67 aus
thermoplastischem Material der gewünschten Produktfarbe, einschließt, in eine
zweiteilige Form 60A, 60B eingebracht. Wenn eine
integrale undurchlässige
innere Auskleidung implementiert werden soll, wird ein thermoplastischer Film 66 mit
den gewünschten
Eigenschaften in das Innere der Vorform 63 eingebracht,
bevor Einsätze 64, 65 in
geeigneter Weise angeordnet werden. Die Form 60A, 60B schließt entsprechend
gegenüberliegende
vertiefte Abschnitte 61A, 61B und 62A, 62B ein,
die, wenn die Form geschlossen ist, Durchlässe in das Forminnere bereitstellen.
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Nunmehr
bezugnehmend auf 18, wird die Form 60A, 60B geschlossen
und das Innere der Form wird mit einer Vakuumquelle 68 über eine
Leitung 69 verbunden. Alternativ, oder zusätzlich,
wird das Innere der inneren Auskleidung 66 (oder das Innere
der Vorform 63, wenn keine innere Auskleidung eingearbeitet
werden soll) mit einer Druckgasquelle 70 über eine
Leitung 71 verbunden. Wie dargestellt in 19,
wird die Form mit Wärme
Q beaufschlagt, um alle Bestandteile des auszuformenden Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff in einen fluiden Zustand zu bringen, während das
Innere der Form evakuiert wird, wie dargestellt durch die Pfeile 72,
und das Innere der inneren Auskleidung 66 (oder der Vorform 63,
wenn es keine innere Auskleidung gibt) unter Druck gesetzt wird,
wie dargestellt durch die Pfeile 73. Folglich fließen die
drei (oder zwei) Komponenten zusammen und die Außenfläche des gefärbten Films 67 liegt
an die Gestalt des Inneren der Form 60A, 60B an.
Nachdem man die Form abkühlen
gelassen (oder zwangsabgekühlt)
hat und sie geöffnet
worden ist, ist der resultierende Druckbehälter aus Verbundwerkstoff,
dargestellt in 20 (als eine Querschnittsscheibe),
fertig für
jede folgende Bearbeitung. Wie zuvor angegeben, können die
Einsätze 64, 65 natürlich für anschließende Entfernung
mit Schraubgewinde versehen sein, was ein oder zwei axiale Öffnungen
zurückläßt, wie
es geeignet sein kann für
den beabsichtigten Zweck des Druckbehälters aus Verbundwerkstoff.
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Ein ähnliches
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters ist in den 21 bis 23 veranschaulicht. 21 zeigt
eine zweiteilige Form 80A, 80B, die zum Beispiel
eine einschichtige Metallform sein kann, so daß eine Reihe von Druckbehältern gleichzeitig
ausgeformt werden können.
Die Form, die in einem geeigneten Ofen 81 angeordnet dargestellt
ist, ist mit einer Vorform 82 beladen, die gemäß einem
der Verfahren und aus einem der Materialien und/oder Kombinationen
von Materialien, die zuvor beschrieben sind, hergestellt ist und
wenigstens eine Öffnung
für Zugang
zum Inneren derselben aufweist. Ein Beutel 83 aus thermoplastischem
Film, der dazu gedacht ist, als eine integrale Auskleidung im fertiggestellten
Druckbehälter
zu dienen, wird in das Innere der Vorform 82 eingebracht, bevor
die Form 80A, 80B geschlossen wird.
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Nunmehr
bezugnehmend auf 22, wird, wenn Wärme Q aus
dem Ofen 81 zur Form 80A, 80B überführt wird,
Gasdruck P (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht dargestellt)
auf das Innere des Beutels 83 aus thermoplastischen Film
ausgeübt,
wodurch er zur Innenfläche
der Vorform 82 gedrückt wird.
Zusätzlich
wird Vakuum V (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht dargestellt)
auf das Innere der Form 80A, 80B gezogen und somit
außen
an die Vorform 82. Dieser Zustand wird fortgesetzt, bis
die Kunststoffmaterialien der Vorform 82 und des Beutels aus
Kunststofffilm zusammenfließen
und die äußere Oberfläche der
Verbundwerkstoffstruktur die Gestalt des Inneren der Form annimmt.
Dann wird die Form aus dem Ofen 81 entnommen, abkühlen gelassen und
geöffnet,
um den fertiggestellten Druckbehälter 85 aus
Verbundwerkstoff zu entnehmen, der in 23 als
hergestellt aus der integralen Struktur dargestellt ist, die die
ausgeformte Vorform 82A und die Auskleidung 83A aus
Kunststofffilm einschließt,
die an das Innere des Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff angeschmolzen ist.
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Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff, hergestellt gemäß allen oben offenbarten Verfahren,
haben Leistungseigenschaften und ästhetische Eigenschaften, die
signifikant verbessert sind gegenüber denjenigen, die mit Verfahren
nach dem Stand der Technik hergestellt sind. Insbesondere können sie
höheren Drücken und
Temperaturen widerstehen, sind stoßfester und zeigen ein signifikant
besseres Finish. Sie haben auch gute Attribute der maschinellen
Verarbeitbarkeit und können
leicht verschweißt,
geschnitten, gebohrt, mit Schraubgewinde