EP2326865B1 - Hochdruckbehälter - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a high-pressure vessel comprising a thin-walled, closed, dense metallic liner having a cylindrical portion and at least one neck and a liner surrounding outer reinforcing sheath composite material formed of at least one group of layers of high modulus fibers of a reinforcing material, the with respect to the liner in helical and annular directions with predetermined linear density, with a layer of spirally oriented fibers disposed over a layer of annularly oriented fibers.
- the high-pressure container can be used in particular in portable oxygen breathing apparatus for climbers and rescue workers, in mobile products of refrigeration and fire protection technology, in gas supply systems and in automotive technology.
- Such a container is from the DE-A-10022741 known
- Presently manufactured metal-plastic high-pressure containers have an inner dense metal sheath (liner) and an outer reinforcing plastic sheath formed by winding a strand of high modulus fibers on the surface of the liner (e.g., glass fibers, carbon fibers, organic fibers), which are impregnated with binder.
- liner inner dense metal sheath
- plastic sheath formed by winding a strand of high modulus fibers on the surface of the liner (e.g., glass fibers, carbon fibers, organic fibers), which are impregnated with binder.
- the practical advantage of a high pressure container with a composite housing is that it has a low enough weight, is easy to carry and can withstand considerable pressure (200-300 bar) during many load cycles.
- the efficiency of composite pressure vessels depends on the quality of the reinforcement, i. from the type of a continuous winding.
- layers are meant layers having a corresponding arrangement of the reinforcing fibers (ring or spiral arrangement direction) of the composite material during the winding.
- the linear density of the annular or spiral layers is to be understood as the total number of amplification fibers with a corresponding arrangement, based on a unit of length of the cross-section of the sheath.
- the order of arrangement of the layers with annular and spiral arrangement of the reinforcing fibers over the thickness of the sheathing wall may be different.
- the most important requirements for gas containers are the reduction of the specific material consumption of the container, which is determined by the ratio of the mass of the container to its volume, and the guarantee of a long service life in relation to the number of load cycles with safe use of the container.
- the presently developed tank design technology which not only ensures the stability of the structure under one-time static loads and the future service life of the container, additionally limits the possibility of destruction of the structure under static limit load conditions with a predetermined destructive form and prevention of damage possible splintering of resulting splinters (eg the Russian standard GOST NPB 190-2000, EN 12245, EN 14427, ISO 1119-3 and others).
- a high-pressure vessel comprising a thin-walled metallic cylindrical liner having a neck in the bottom and a composite outer reinforcing jacket forming a combination of groups of layers of high modulus fibers of a reinforcing material. aligned in spiral and circumferential directions at predetermined linear densities.
- a particular disadvantage of the known solution of the construction of the container with a shell made of composite material is that it does not meet the requirements of the said standardization documents with respect to the nature of the destruction at border loads. This disadvantage is contrary to a wide use in household and in means of transport.
- the invention has for its object to provide a high-pressure vessel, which has a high stability and durability, and does not represent a danger if destroyed by excessive pressure.
- a high-pressure container comprising a thin-walled, closed, dense metallic liner having a cylindrical portion and at least one neck and a liner surrounding outer reinforcing sheath of composite material, which is formed from at least one group of layers of high modulus fibers of a reinforcing material, aligned in a spiral and annular direction with predetermined linear density with respect to the liner, with a layer of spirally oriented fibers disposed over a layer of annularly oriented fibers.
- a local breakaway belt in the form of a portion of the reinforcing jacket bounded internally by the cylindrical surface of the liner and externally by a generally concave surface formed of spirally oriented fibers of the reinforcing material wherein the linear density of the fibers of a layer of the annularly oriented fiber reinforcing material at the portion of the local break-away belt is not more than 70% of the linear density of this layer at the remaining cylindrical portion.
- the advantage of the invention is the simplicity of its technical realization and the attractiveness for the user, because the destruction of the high-pressure vessel is harmless when reaching a limit load, since no splinters come out in this destruction.
- the high-pressure vessel is therefore particularly suitable for use in the household and in means of transport in which compressed gases are used, such as e.g. for gas tanks in motor vehicles.
- the concave surface may, for example, be formed by the surface of a single-shell hyperboloid of revolution directed with its tapered portion towards the axis of symmetry of the container, the outer surface of the single-shell hyperboloid of revolution being formed of spirally oriented fibers of a reinforcing material
- the width of the local predetermined breaking belt is 15 to 30 times, preferably 20 to 25 times, the total thickness of the annular bands of the reinforcing material outside the area of the local predetermined breaking belt.
- a dense metallic liner 1 and a reinforcing jacket 2 made of a composite material using high-strength fibers such as carbon fibers or glass fibers.
- the sheath 2 shown is achieved by winding rectilinear fibers in a spiral and annular manner on a metallic liner 1, wherein each layer of the carcass is impregnated simultaneously with a polymer binder, for example with epoxy resin, and then thermally cured.
- a polymer binder for example with epoxy resin
- the operation of the inventive composite reinforcing jacket of the container is that it is in a stretched-deformed state under the action of an internal pressure in which a concentration of stresses in the annular reinforcing material is limited to a local belt and in the spiral reinforcing material no changes take place.
- the annularly arranged reinforcing material over the width of the local belt is destroyed, the metallic liner is also destroyed, and the outer spiral reinforcing material, as it is present on the outer surface in the form of a single-walled hyperboloid, deformed and
- a "Chinese lantern" Fig. 7
- the high-pressure vessel of the invention Fig. 2 to 4 is made as follows.
- the fibers of the annular reinforcing layer 3 are wound around the liner 1, with the linear density of the annular reinforcing layer 3 being smaller over a certain length of the cylindrical part of the liner 1 corresponding to the width of the future local break-away belt
- the thickness of the annular reinforcing layer 3 which is achieved in the region of the local predetermined breaking belt, is smaller than the total thickness of the annular reinforcing layer 3 in the remaining part of the Liners 1.
- This reinforcing scheme results in forming a local concentration of the hoop stresses that arise in the composite material of the reinforcing sheath 2 when internal pressure is applied to the container.
- the Winding of the fibers of the spiral reinforcing layer 4 in the observed area is performed only after the winding of the fibers of the annular reinforcing layer 3.
- With appropriate selection of the width of the region of the local predetermined breaking belt due to the fact that the thickness of the material of the considered range is less than the total thickness of the material, in the winding of the spiral fibers a surface in the form of a single-walled hyperboloid is formed Pol is aligned with the axis of symmetry of the container. In its entirety, such reinforcement allows for the creation of a local breakaway belt in the reinforcement jacket.
- the width of the local frangible belt may be defined as the width of the fringe area of the fringe effect when connecting the sheaths of different thickness. It is expedient to choose this width to achieve a necessary thickness so that it is 15 to 30 times, or preferably 20 to 25 times the thickness of the reinforcing jacket of the container.
- L d 1 arccos d 2 / d 1 cos ⁇ 1 / ⁇ ⁇ 1 + cos 2 ⁇ ⁇ 1 ,
- the width of the local breakneck belt is calculated according to this dependency, it must also be compared in the calculation with the recommended width equal to 20 to 25 times the thickness of the reinforcing jacket of the container. In the end, the larger of these widths can be selected.
- the layers 3, 4 of the reinforcing material formed by fibers oriented in spiral and annular directions of the cylindrical portion are alternately alternately surfaced on both sides of the break-away belt arranged for the like layers are equidistant from the inner surface of the liner. That is, a layer 3 of the annular reinforcement and a layer 4 of fibers of the spiral reinforcement follow each other in the direction of increasing the thickness of the wall of the reinforcing jacket. In Fig. 4 two such sequences are shown. However, there may also be 1 or 3 or 4 or more such orders.
- This arrangement and order of the layers of the reinforcing fibers makes it possible to limit the destruction to the area of the predetermined breaking belt in the form of a "Chinese lantern" and to prevent the fragments resulting from the destruction of the liner from flying apart, as in FIG Fig. 5 and 7 shown.
- Fig. 6 is the sectional profile of the local predetermined breaking belt shown in a destroyed state.
- a critical pressure in the container was exceeded, all the layers of the reinforcing jacket were destroyed, except for the uppermost reinforcing layer 4 of spirally arranged fibers, which assumed a baggy shape under pressure, exposing the underlying damaged reinforcing layers 3 of annularly arranged fibers and underlying Reinforcement layer 4 of spirally arranged fibers retained.
- the execution of the proposed solution was carried out using the example of a pressure vessel with a volume of 7 liters with a working pressure of 300 bar and a destructive pressure of at least 900 bar.
- the reinforcing jacket was made of carbon reinforced plastic, and the topmost layer was wound from fiberglass.
- Fig. 7 A typical destruction of the container in the region of the local break-off belt is shown at a pressure of 930 bar.
- the invention can be applied in high-pressure vessels, which are used in particular in portable oxygen breathing apparatus for climbers and rescue workers, in mobile products of refrigeration and fire protection technology, in gas supply systems and in automotive technology.
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdruckbehälter, der einen dünnwandigen, geschlossenen, dichten metallischen Liner mit einem zylindrischen Abschnitt und wenigstens einem Hals und eine den Liner umgebende äußere Verstärkungsummantelung aus Verbundmaterial umfasst, die aus wenigstens einer Gruppe von Schichten aus Hochmodulfasern eines Verstärkungsmaterials gebildet ist, die bezüglich des Liners in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung mit vorher bestimmter linearer Dichte ausgerichtet sind, wobei eine Schicht aus spiralförmig ausgerichteten Fasern über einer Schicht aus ringförmig ausgerichteten Fasern angeordnet ist. Der Hochdruckbehälter kann insbesondere in tragbaren Sauerstoff-Atemgeräten für Bergsteiger und Rettungskräfte, in mobilen Erzeugnissen der Kälte- und Brandschutztechnik, in Gasversorgungssystemen und in der Automobiltechnik benutzt werden.
- Ein derartiger Behälter ist aus der
DE-A-10022741 bekannt - Gegenwärtig hergestellte Metall-Kunststoff-Hochdruckbehälter weisen eine innere dichte Metallummantelung (Liner) und eine äußere Verstärkungs-Kunststoffummantelung auf, die dadurch gebildet wird, dass ein Strang aus Hochmodulfasern auf die Oberfläche des Liners gewickelt wird (beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, organische Fasern), die mit Bindemittel imprägniert sind.
- Der praktische Vorteil eines Hochdruckbehälters mit einem Gehäuse aus Verbundmaterial liegt darin, dass er ein hinreichend geringes Gewicht hat, leicht zu transportieren ist und einen beträchtlichen Druck (200 bis 300 bar) bei vielen Lastzyklen standhalten kann.
- Die Effizienz von Verbund-Druckbehältern hängt von der Qualität der Verstärkung, d.h. von der Art einer durchgehenden Wicklung ab. Hierzu werden die Anzahl und Reihenfolge der Schichten, der Ausrichtungswinkel der Fasern und die Art der Verstärkungsmaterialien, ihr Anteil am Verbund und andere Parameter bestimmt. Unter "Schichten" sind Schichten mit entsprechender Anordnung der Verstärkungsfasern (ring- oder spiralförmige Anordnungsrichtung) des Verbundmaterials bei der Wicklung zu verstehen. Unter der linearen Dichte der ring- oder spiralförmigen Schichten ist die summarische Anzahl der Verstärkungsfasern mit entsprechender Anordnung zu verstehen, bezogen auf eine Längeneinheit des Querschnitts der Ummantelung. Dabei kann die Reihenfolge der Anordnung der Schichten mit ring- und spiralförmiger Anordnung der Verstärkungsfasern über die Dicke der Ummantelungswand unterschiedlich sein.
- Die wichtigsten, an Gasbehälter gestellte Anforderungen sind die Verringerung des spezifischen Materialverbrauchs des Behälters, der durch das Verhältnis der Masse des Behälters zu seinem Volumen bestimmt wird, und die Gewährleistung einer hohen Lebensdauer gemessen an der Zahl der Lastzyklen bei sicherer Nutzung des Behälters.
- Dabei bestimmt die gegenwärtig entwickelte Technologie der Konstruktion von Behältern, bei der nicht nur die Stabilität der Konstruktion bei einmaligen statischen Belastungen und die zukünftige Nutzungsdauer des Behälters gewährleistet wird, zusätzlich die Begrenzung einer möglichen Zerstörung der Konstruktion unter statischen Grenzlastbedingungen mit vorher bestimmter Zerstörungsform und Verhinderung eines möglichen Auseinanderfliegens dabei entstehender Splitter (s. z.B. die russische Norm GOST NPB 190-2000, EN 12245, EN 14427, ISO 1119-3 und andere).
- Aus der
RU 2244868 C1 - Ein besonderer Nachteil der bekannten Lösung der Konstruktion des Behälters mit einer Ummantelung aus Verbundmaterial besteht darin, dass sie die Anforderungen der genannten Normierungsdokumente bezüglich der Art der Zerstörung bei Grenzlasten nicht erfüllt. Dieser Nachteil steht einer breiten Verwendung im Haushalt und in Transportmitteln entgegen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdruckbehälter bereit zu stellen, der eine hohe Stabilität und Lebensdauer aufweist, und bei einer Zerstörung durch zu hohen Druck keine Gefahr darstellt.
- Diese Aufgabe wird durch einen Hochdruckbehälter gelöst, der einen dünnwandigen, geschlossenen, dichten metallischen Liner mit einem zylindrischen Abschnitt und wenigstens einem Hals und eine den Liner umgebende äußere Verstärkungsummantelung aus Verbundmaterial umfasst, die aus wenigstens einer Gruppe von Schichten aus Hochmodulfasern eines Verstärkungsmaterials gebildet ist, die bezüglich des Liners in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung mit vorher bestimmter linearer Dichte ausgerichtet sind, wobei eine Schicht aus spiralförmig ausgerichteten Fasern über einer Schicht aus ringförmig ausgerichteten Fasern angeordnet ist. An dem zylindrischen Abschnitt des Liners ist in der Verstärkungsummantelung ein lokaler Sollbruch-Gürtel in Form eines Abschnitts der Verstärkungsummantelung ausgebildet, der innen von der zylindrischen Oberfläche des Liners und außen von einer insgesamt konkaven Oberfläche begrenzt wird, die aus spiralförmig ausgerichteten Fasern des Verstärkungsmaterials gebildet wird, wobei die lineare Dichte der Fasern einer Schicht des Verstärkungsmaterials aus ringförmig ausgerichteten Fasern an dem Abschnitt des lokalen Sollbruch-Gürtels nicht mehr als 70 % der linearen Dichte dieser Schicht an dem übrigen zylindrischen Abschnitt beträgt.
- Der Vorteil der Erfindung besteht in der Einfachheit ihrer technischen Verwirklichung und der Attraktivität für den Nutzer, weil die Zerstörung des Hochdruckbehälters beim Erreichen einer Grenzlast ungefährlich ist, da keine Splitter bei dieser Zerstörung nach außen treten. Der Hochdruckbehälter ist daher insbesondere für die Verwendung im Haushalt und in Transportmitteln geeignet, in denen Druckgase verwendet werden, wie z.B. für Gastanks in Kraftfahrzeugen.
- Die konkave Oberfläche kann beispielsweise von der Oberfläche eines einschaligen Rotationshyperboloids gebildet sein, das mit seinem sich verjüngenden Abschnitt zu der Symmetrieachse des Behälters gerichtet ist, wobei die äußere Oberfläche des einschaligen Rotationshyperboloids aus spiralförmig ausgerichteten Fasern eines Verstärkungsmaterials gebildet wird
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die konkave Oberfläche von einem Rotationshyperboloid gebildet wird, wird die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels aus der Bedingung des Erhalts der Gleichung d1 *sinϕ1 = d2 *sinϕ2 für die spiralförmig ausgerichteten Fasern des Verstärkungsmaterials ausgewählt, wobei d1 der Durchmesser des Schnitts durch die zylindrische Oberfläche der Verstärkungsummantelung außerhalb des lokalen Sollbruch-Gürtels ist;
d2 der Durchmesser der kleinsten Schnittfläche des Rotationshyperboloids ist, die über die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels gebildet wird;
ϕ1, ϕ2 die jeweiligen Ausrichtungswinkel der spiralförmigen Fasern in den genannten Schnitten sind. - Bei bevorzugten Ausführungsformen werden über die Breite des Sollbruch-Gürtels gleichartige Schichten des Verstärkungsmaterials, die durch in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung ausgerichtete Fasern gebildet werden, an Oberflächen angeordnet, die im Vergleich zu ihrer Anordnung an dem übrigen zylindrischen Teil des Liners von der Oberfläche des Liners gleich weit entfernt sind, und/oder es wird in dem lokalen Sollbruch-Gürtel die lineare Dichte der Fasern der Umfangs-Verstärkung graduell zur Mitte des lokalen Sollbruch-Gürtels verkleinert, d.h. im Einzelfall bis zur Hälfte der Länge der Erzeugenden des Hyperboloids an der Seite seines kleinsten Querschnitts.
- Die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels beträgt das 15- bis 30-fache, bevorzugt das 20- bis 25-fache der Gesamtdicke der Ringbänder des Verstärkungsmaterials außerhalb des Bereichs des lokalen Sollbruch-Gürtels.
-
- Fig. 1
- zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Hochdruckgefäß im Längsschnitt.
- Fig. 2
- zeigt einen erfindungsgemäßen Hochdruckbehälter im teilweisen Längsschnitt.
- Fig. 3
- stellt schematisch die Anordnung der Fasern einer spiralförmigen Verstärkung an einem Abschnitt eines Sollbruch-Gürtels dar.
- Fig. 4
- zeigt das Detail A des Schnittprofils des lokalen Sollbruch-Gürtels, das in
Fig. 2 dargestellt ist. - Fig. 5
- zeigt die äußere Ansicht eines Zerstörungsbilds des lokalen Sollbruch-Gürtels.
- Fig. 6
- stellt das Detail B des Schnittprofils des lokalen Sollbruch-Gürtels dar, das in
Fig. 5 dargestellt ist. - Fig. 7
- ist eine Ansicht der Zerstörung im lokalen Gürtel eines experimentellen Behälters bei einem Druck von 930 bar.
- Wie in
Fig. 1 gezeigt, weist der aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckbehälter für ein fluides Medium (Flüssigkeit oder Gas) einen dichten metallischen Liner 1 und eine Verstärkungsummantelung 2 auf, die aus einem Verbundmaterial gefertigt ist, für welches hochfeste Fasern verwendet werden, beispielsweise Kohlenstofffasern oder Glasfasern. Die gezeigte Ummantelung 2 wird dadurch erzielt, dass gleichgerichtete Fasern spiral- und ringförmig auf einen metallischen Liner 1 gewickelt werden, wobei jede Lage der Karkasse gleichzeitig mit einem Polymerbinder getränkt wird, beispielsweise mit Epoxidharz, und anschließend thermisch gehärtet wird. Das Ergebnis ist der Aufbau eines Behälters, dessen Gewicht hinreichend klein ist und der vielfache Drucklastzyklen aushalten kann. - Die Funktionsweise der erfindungsgemäß ausgeführten Verbundstoff-Verstärkungsummantelung des Behälters besteht darin, dass sie sich in einem gespannt-verformten Zustand unter Wirkung eines inneren Drucks befindet, bei dem eine Konzentration der Spannungen in dem ringförmigen Verstärkungsmaterial auf einen lokalen Gürtel beschränkt ist und in dem spiralförmigen Verstärkungsmaterial keine Veränderungen stattfinden. Bei Erreichen eines Grenzdrucks in dem Behälter wird das ringförmig angeordnete Verstärkungsmaterial über die Breite des lokalen Gürtels zerstört, auch der metallische Liner wird zerstört, und das äußere spiralförmige Verstärkungsmaterial wird, da es an der äußeren Oberfläche in Form eines einschaligen Hyperboloids vorhanden ist, verformt und nimmt, indem es sich nur in dem Abschnitt des lokalen Sollbruch-Gürtels verbreitert, die Form eines "chinesischen Lampions" (
Fig. 7 ) an, wodurch ein Austreten von Metallsplittern, die bei der Zerstörung des Liners entstehen, verhindert werden kann. - Der erfindungsgemäße Hochdruckbehälter von
Fig. 2 bis 4 wird wie folgt hergestellt. Zur Herstellung der Verstärkungsummantelung 2 werden die Fasern der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 um den Liner 1 gewickelt, wobei auf einer bestimmten Länge des zylindrischen Teils des Liners 1, die der Breite des zukünftigen lokalen Sollbruch-Gürtels entspricht, die lineare Dichte der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 kleiner ist als die Dichte der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 an der übrigen Länge des zylindrischen Teils des Liners 1. Hierdurch ist die Dicke der ringförmigen Verstärkungsschicht 3, die im Bereich des lokalen Sollbruch-Gürtels erzielt wird, kleiner als die Gesamtdicke der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 im übrigen Teil des Liners 1. Dieses Verstärkungsschema führt dazu, dass eine lokale Konzentration der Umfangsspannungen gebildet wird, die in dem Verbundmaterial der Verstärkungsummantelung 2 entstehen, wenn der Behälter mit Innendruck beaufschlagt wird. Die Wicklung der Fasern der spiralförmigen Verstärkungsschicht 4 in dem betrachteten Bereich wird erst nach der Wicklung der Fasern der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 durchgeführt. Bei entsprechender Auswahl der Breite des Bereichs des lokalen Sollbruch-Gürtels wird aufgrund dessen, dass die Dicke des Materials des betrachteten Bereichs geringer ist als die Gesamtdicke des Materials, bei der Wicklung der spiralförmigen Fasern eine Oberfläche in Form eines einschaligen Rotationshyperboloids gebildet, das mit seinem Pol zur Symmetrieachse des Behälters ausgerichtet ist. In ihrer Gesamtheit ermöglicht eine solche Verstärkung die Schaffung eines lokalen Sollbruch-Gürtels in der Verstärkungsummantelung. - Die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels kann definiert werden als die Breite des Störungsbereichs des Randeffekts bei Verbindung der Ummantelungen mit verschiedener Dicke. Es ist zweckmäßig, diese Breite zur Erreichung einer notwendigen Stärke so zu wählen, dass sie das 15- bis 30-fache, oder bevorzugt das 20- bis 25-fache der Dicke der Verstärkungsummantelung des Behälters beträgt.
- Andererseits muss für eine Erfüllung der Anforderung an die Bildung eines einteiligen Aufbaus des Verbundstoffes durch dichtes Anlegen der Fasern der spiral- und ringförmigen Verstärkung im Prozess der technischen Verwirklichung des Verfahrens der Wicklung der Fasern der spiralförmigen Verstärkung über die Länge des lokalen Sollbruch-Gürtels die Bedingung erfüllt sein:
wobei
d1 der Durchmesser eines Querschnitts im Bereich der zylindrischen Oberfläche der Verstärkungsummantelung ist,
d2 der Durchmesser des kleinsten Querschnitts im Bereich der Oberfläche des einschaligen Rotationshyperboloids ist,
ϕ1, ϕ2 die jeweiligen Ausrichtungswinkel der spiralförmigen Fasern in den genannten Schnitten sind.
was im Endergebnis zu der Auswahl der Breite L des lokalen Sollbruch-Gürtels führt, die durch das Verhältnis definiert ist: - Wird die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels gemäß dieser Abhängigkeit berechnet, muss diese bei der Berechnung auch mit der empfohlenen Breite verglichen werden, die gleich dem 20- bis 25-fachen der Dicke der Verstärkungsummantelung des Behälters ist. Im Endeffekt kann die größere dieser Breiten ausgewählt werden.
- Bei der Auswahl dieser Verhältnisse ist es empfehlenswert, die Menge des Verstärkungsmaterials über die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels im Vergleich zu der Menge des Verstärkungsmaterials an dem übrigen zylindrischen Teil der Verstärkungsummantelung wenigstens um 30 % zu reduzieren. Die Verringerung der Menge des Verstärkungsmaterials um 30 % bis 40 %, bevorzugt um 30 %, ist am vorteilhaftesten.
- Für eine splitterlose Zerstörung des Behälters über die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels ist es zweckmäßig, gleichartige Schichten des Verstärkungsmaterials, die jeweils von ausgerichteten Fasern in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung des zylindrischen Abschnitts gebildet werden, an Oberflächen anzuordnen, die bezüglich der Oberfläche des Liners 1 in verschiedenen Entfernungen angeordnet sind. Das heißt, über die gegebene Länge werden zunächst nur die Fasern der ringförmigen Verstärkungsschicht 3 auf den Liner aufgebracht, während die Fasern der spiralförmigen Verstärkungsschicht 4 von der Außenseite der Verstärkungsummantelung aus aufgebracht werden, wie dies in
Fig. 4 dargestolit ist. Über die gesamte übrige Länge des zylindrischen Teils des Behälters sind die Schichten 3, 4 des Verstärkungsmaterials, die von Fasern gebildet werden, die in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung des zylindrischen Abschnitts ausgerichtet sind, auf beiden Seiten des Sollbruch-Gürtels paarweise abwechselnd an den Oberflächen angeordnet, die für die gleichartigen Schichten gleich weit von der inneren Oberfläche des Liners entfernt angeordnet sind. Das heißt, eine Schicht 3 der ringförmiger Verstärkung und eine Schicht 4 der Fasern der spiralförmigen Verstärkung folgen in der Richtung der Vergrößerung der Dicke der Wand der Verstärkungsummantelung paarweise aufeinander. InFig. 4 sind zwei solche Reihenfolgen dargestellt. Jedoch kann es auch 1 oder 3 oder 4 oder mehr solcher Reihenfolgen geben. Diese Anordnung und Reihenfolge der Schichten der Verstärkungsfasern ermöglicht es, die Zerstörung auf den Bereich des Sollbruch-Gürtels in Form eines "chinesischen Lampions" zu begrenzen und ein Auseinanderfliegen der bei der Zerstörung des Liners entstehenden Splitter zu verhindern, wie inFig. 5 und7 dargestellt. - In
Fig. 6 ist das Schnittprofil des lokalen Sollbruch-Gürtels in zerstörtem Zustand dargestellt. Bei Überschreiten eines kritischen Drucks in dem Behälter wurden alle Schichten der Verstärkungsummantelung zerstört, mit Ausnahme der obersten Verstärkungsschicht 4 aus spiralförmig angeordneten Fasern , die unter Druckeinwirkung eine ausgebeulte Form annahm, wobei sie die darunter liegenden beschädigten Verstärkungsschichten 3 aus ringförmig angeordneten Fasern und die darunter liegende Verstärkungschicht 4 aus spiralförmig angeordneten Fasern zurückhielt. - Die Ausführung der vorgeschlagenen Lösung wurde am Beispiel eines Druckbehälters mit einem Volumen von 7 Litern mit einem Arbeitsdruck von 300 bar und einem Zerstörungsdruck von wenigstens 900 bar durchgeführt. Dabei war die Verstärkungsummantelung aus kohlenstoffverstärktem Kunststoff hergestellt, und die oberste Schicht wurde aus Glasfaser aufgewickelt. In
Fig. 7 ist eine typische Zerstörung des Behälters in dem Bereich des lokalen Sollbruch-Gürtels bei einem Druck von 930 bar dargestellt. - Die Erfindung kann in Hochdruckgefäßen angewendet werden, die insbesondere in tragbaren Sauerstoff-Atemgeräten für Bergsteiger und Rettungskräfte, in mobilen Erzeugnissen der Kälte- und Brandschutztechnik, in Gasversorgungssystemen und in der Automobiltechnik benutzt werden.
Claims (7)
- Hochdruckbehälter, der einen dünnwandigen, geschlossenen, dichten metallischen Liner (1) mit einem zylindrischen Abschnitt und wenigstens einem Hals und eine den Liner (1) umgebende äußere Verstärkungsummantelung (2) aus Verbundmaterial umfasst, die aus wenigstens einer Gruppe von Schichten aus Hochmodulfasern eines Verstärkungsmaterials gebildet ist, die bezüglich des Liners (1) in spiralförmiger und in ringförmiger Richtung mit vorher bestimmter linearer Dichte ausgerichtet sind, wobei eine Schicht (4) aus spiralförmig ausgerichteten Fasern über einer Schicht (3) aus ringförmig ausgerichteten Fasern angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zylindrischen Abschnitt des Liners (1) in der Verstärkungsummantelung (2) ein lokaler Sollbruch-Gürtel in Form eines Abschnitts der Verstärkungsummantelung ausgebildet ist, der innen von der zylindrischen Oberfläche des Liners (1) und außen von einer insgesamt konkaven Oberfläche begrenzt wird, die aus spiralförmig ausgerichteten Fasern des Verstärkungsmaterials gebildet wird, wobei die lineare Dichte der Fasern einer Schicht (3) des Verstärkungsmaterials aus ringförmig ausgerichteten Fasern an dem Abschnitt des lokalen Sollbruch-Gürtels nicht mehr als 70 % der linearen Dichte dieser Schicht (3) an dem übrigen zylindrischen Abschnitt beträgt.
- Behälter nach Anspruch 1, bei dem die konkave äußere Oberfläche durch ein einschaliges Rotationshyperboloid gebildet wird.
- Behälter nach Anspruch 2, bei dem die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels so gewählt ist, dass die Gleichung d1sinϕ1 = d2 sinϕ2 für die spiralförmig ausgerichteten Fasern des Verstärkungsmaterials (4) erfüllt ist, wobei
d1 der Durchmesser eines Querschnitts im Bereich der zylindrischen Oberfläche der Verstärkungsummantelung ist,
d2 der Durchmesser des kleinsten Querschnitts im Bereich der Oberfläche des einschaligen Rotationshyperboloids ist,
ϕ1, ϕ2 die jeweiligen Ausrichtungswinkel der spiralförmigen Fasern in den genannten Schnitten sind. - Behälter nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem über die Breite des Sollbruch-Gürtels gleichartige Schichten des Verstärkungsmaterials, die aus in spiralförmiger und ringförmiger Richtung ausgerichteten Fasern des zylindrischen Abschnitts gebildet werden, an Oberflächen angeordnet sind, die im Vergleich zu der Anordnung der entsprechenden Schichten (3, 4) an dem übrigen zylindrischen Teil des Liners (1) ungleich weit von der Oberfläche des Liners (1) entfernt sind.
- Behälter nach Anspruch 4, bei dem an dem zylindrischen Abschnitt der Verstärkungsummantelung an beiden Seiten des Sollbruch-Gürtels gleichartige Schichten des Verstärkungsmaterials, die von in spiralförmiger und ringförmiger Richtung ausgerichteten Fasern des zylindrischen Abschnitts gebildet werden, paarweise an Oberflächen angeordnet sind, die von der inneren Oberfläche des Liners (1) gleich weit entfernt sind.
- Behälter nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die lineare Dichte der Fasern der ringförmigen Verstärkung (3) des lokalen Sollbruch-Gürtels sich zur Mitte des lokalen Sollbruch-Gürtels hin graduell verringert.
- Behälter nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Breite des lokalen Sollbruch-Gürtels die Gesamtdicke der äußeren Verstärkungsummantelung (2) außerhalb des Bereichs des lokalen Sollbruch-Gürtels um das 20- bis 25-fache übersteigt.
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