WO2015197375A1 - Druckbehälter - Google Patents

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WO2015197375A1
WO2015197375A1 PCT/EP2015/063116 EP2015063116W WO2015197375A1 WO 2015197375 A1 WO2015197375 A1 WO 2015197375A1 EP 2015063116 W EP2015063116 W EP 2015063116W WO 2015197375 A1 WO2015197375 A1 WO 2015197375A1
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WO
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connection element
inner container
pressure vessel
connecting element
coating
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Application number
PCT/EP2015/063116
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raimund Helmig
Original Assignee
Kautex Textron Gmbh & Co. Kg
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • pressure vessels for natural gas are filled with pressure up to 250 bar.
  • Pressure vessels for hydrogen are filled up to 700 bar.
  • Inner container is connected to the support sleeve such that the inner container in the region of the connection with the connecting element between the
  • Valve device is screwed, which is connectable to a supply line. Due to the changing pressurization of the pressure vessel, these are in particular in the region of the connection of the connecting element with the
  • the object underlying the present invention is achieved by a pressure vessel having the features of claim 1. Furthermore, the object underlying the invention is achieved by a method having the features of claim 7.
  • the pressure vessel according to the invention comprises a
  • connection element an inner container and the inner container enclosing support shell.
  • the connecting element comprises a sleeve-shaped neck portion and a shoulder portion. Furthermore, the connection element is connected via its outer surface to an inner surface of the inner container. The inner container in turn is connected to the support shell such that the
  • the average roughness indicates the mean distance of a measurement point on a surface to a centerline.
  • the midline cuts within the
  • the outer surface of the connection element is at least partially provided with a coating of thermoplastic material.
  • the thermoplastic material may, for example, be polyethylene, in particular low-density polyethylene (LDPE).
  • the outer surface of the neck portion of the terminal member has at least one extending in the circumferential direction of the neck portion
  • the outer surface may also have a plurality of corresponding circumferential grooves.
  • connection element is axially stronger, without the connection to the inner container is destroyed. Furthermore, only an axial application of force to the connecting element is necessary for producing the connection of the connecting element with the inner container.
  • the connecting element is pulled or pressed with a pulling force oriented parallel to its longitudinal axis into the warm-plastic inner container.
  • the coating covers the entire outer surface of the
  • Neck portion of the connecting element continuously and fills the at least one circumferential groove. This ensures that the coating is particularly effectively interlocked with the circumferential groove, so that after a
  • connection process of the coating with the inner surface of the inner container particularly large forces can be transmitted to the connection element without the connection between the connection element and the inner container is destroyed.
  • the coating forms a closed surface of the connection element.
  • the outer surface of the shoulder portion of the connecting element has at least one radial groove which has a
  • the pressure vessel has a higher stability in a rotational load of the
  • Connection element can be exercised without the connection element separates from the inner container.
  • the coating covers the entire outer surface of the
  • Coating surface improves connectable with the inner surface of the inner container connectable.
  • the object on which the present invention is based is furthermore achieved by a method for producing a pressure vessel having a connection element, an inner container and a support shell enclosing the inner container, the method comprising the following method steps:
  • connection element Inserting a connection element into a multi-part blow molding tool located in an open receiving position and forming a mold cavity in a closed position;
  • connection element is roughened prior to the introduction of the connection element into the blow molding tool so that its outer surface at least partially has an average roughness of 50 ⁇ m.
  • the roughening of the outer surface of the connection element takes place by blasting an abrasive blasting agent on the outer surface of the
  • connection strength of the connecting element can be increased with the inner container. Furthermore, for roughening the outer surface of the connecting element
  • connection element no chemical etchant necessary, which is harmful to health and the environment.
  • the outer surface of the connection element and the inner surface of the inner container enter into an intimate positive connection.
  • Connection element in the blow mold the outer surface of the Connection element coated with a coating of thermoplastic material.
  • a coating of the outer surface of the terminal element ensures that the surface of the
  • the particle size of the thermoplastic material present in powder form, which forms the coating of the connection element, is preferably in
  • thermoplastic material in the plasma jet, the thermoplastic material is melted at least at the surface, so that when hitting the at least partially melted thermoplastic material this particularly well the surface of the connection element conforms, so that a particularly effective toothing of the coating with the outer surface of the
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a cut-open pressure vessel without a supporting shell in the area of the polar cap;
  • Figure 4 an illustration of a connection element together with radial grooves
  • the pressure vessel 1 comprises a connection element 10, which is connected to an inner container 30 of the pressure vessel 1.
  • the pressure vessel 1 further comprises a support shell 40, which encloses the inner container 30.
  • the pressure vessel 1 has at least one opening 2, which is bounded by a neck portion 1 1 of the connecting element 10.
  • the end portion of the pressure vessel 1 is provided with an impact protection 50 in the form of a cap 50.
  • the cap 50 distributes axially exerted on the pressure vessel 1 forces on a larger area. These forces with at least one axial direction can occur, for example, in the event of an accident or during a fall of the pressure vessel 1.
  • the connecting element 10 comprises a sleeve-shaped neck section 11 and a shoulder section 13 joined to it in a material-locking manner.
  • the connecting element 10 is connected via its outer surface 16 to an inner surface 31 of the inner container 30.
  • the outer surface 16 of the connection element 10 is the surface which coincides with the
  • a tubular preform can be extruded into the blow molding tool located in the receiving position such that the connecting element 10 of the tubular preform
  • outer shell comprising fiber reinforced plastic

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Druckbehälter (1), umfassend ein Anschlusselement (10), einen Innenbehälter (30) und eine den Innenbehälter (30) umschließende Stützhülle (40), wobei der Druckbehälter (1) folgende Merkmale aufweist: - das Anschlusselement (10) umfasst einen hülsenförmigen Halsabschnitt (11) und einen Schulterabschnitt (13); - das Anschlusselement (10) ist über dessen Außenfläche (16) mit einer Innenfläche (31) des Innenbehälters (30) verbunden; - der Innenbehälter (30) ist mit der Stützhülle (40) derart verbunden, dass der Innenbehälter (30) zumindest abschnittsweise zwischen dem Anschlusselement (10) und der Stützhülle (40) sandwichartig angeordnet ist; und - der Druckbehälter (1) weist zumindest eine Öffnung (2) auf, die durch den Halsabschnitt (11) des Anschlusselements (10) begrenzt ist, wobei der Druckbehälter (1) dadurch gekennzeichnet ist, dass die dem Innenbehälter (30) zugewandte Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von mehr als 50µm aufweist.

Description

Druckbehälter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter, insbesondere für
Kraftfahrzeuge zur Aufnahme von unter Druck stehenden Gasen und/oder Flüssigkeiten, insbesondere von unter Druck stehendem Wasserstoff und/oder Erdgas. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Druckbehälters.
Druckbehälter werden zur Speicherung von unter Druck stehenden Gasen und/oder unter Druck stehenden Flüssigkeiten verwendet. So finden
Druckbehälter bereits in mit Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugen Anwendung. Ferner sind Druckbehälter für Kraftfahrzeuge bekannt, die mit unter Druck stehendem Wasserstoff gefüllt werden. Der Wasserstoff kann in einem
Verbrennungsmotor mit Sauerstoff verbrannt werden oder in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff zu Wasser reagieren, wobei die gewonnene elektrische Energie einem Akkumulator oder einem Elektromotor zugeführt wird.
Entsprechende Druckbehälter müssen großen Belastungen standhalten.
Druckbehälter für Erdgas werden beispielsweise mit einem Druck bis hin zu 250 bar befüllt. Druckbehälter für Wasserstoff werden mit bis zu 700 bar befüllt.
Aus der EP 0 810 081 A1 ist ein Druckbehälter bekannt, der ein
Anschlusselement, einen Innenbehälter und eine den Innenbehälter
umschließende Stützhülle umfasst. Das Anschlusselement umfasst einen hülsenförmigen Halsabschnitt und einen Schulterabschnitt und ist über dessen Außenfläche mit einer Innenfläche des Innenbehälters verbunden. Der
Innenbehälter ist mit der Stützhülle derartig verbunden, dass der Innenbehälter im Bereich der Verbindung mit dem Anschlusselement zwischen dem
Anschlusselement und der Stützhülle sandwichartig angeordnet ist. Der
Druckbehälter weist eine Öffnung auf, die durch den hülsenförmigen
Halsabschnitt des Anschlusselements begrenzt ist. Der Halsabschnitt des Anschlusselements weist ferner ein Innengewinde auf, in das eine
Ventileinrichtung eingeschraubt ist, die mit einer Versorgungsleitung verbindbar ist. Aufgrund der wechselnden Druckbeaufschlagung der Druckbehälter sind diese insbesondere im Bereich der Verbindung des Anschlusselements mit dem
Innenbehälter besonders stark belastet. Ferner müssen die Druckbehälter insbesondere im Falle eines Unfalls sehr hohen Belastungen standhalten. Bei einem Falltest, bei dem der Druckbehälter auf das Anschlusselement
fallengelassen wird, treten große Belastungen der Verbindungsfläche zwischen dem Ansatzelement und dem Innenbehälter auf.
Bei dem aus der EP 0 810 081 A1 bekannten Druckbehälter führt die wechselnde Druckbelastung dazu, dass die Verbindungsfläche zwischen dem
Anschlusselement und dem Innenbehälter großen Scherkräften ausgesetzt ist und sich das Anschlusselement relativ leicht von dem Innenbehälter lösen kann. Selbiges gilt für einen Falltest, bei dem der Druckbehälter auf das Ansatzelement fallengelassen wird. Bei einem entsprechenden Falltest löst sich das
Anschlusselement relativ leicht vom Innenbehälter, was zu einem Austreten des Wasserstoffs beziehungsweise des Erdgases aus dem Druckbehälter führt.
Ferner weist der aus der EPO 810 081 A1 bekannte Druckbehälter das Problem auf, dass bei Überschreiten eines bestimmten Drehmoments, das auf das
Anschlusselement ausgeübt wird, das Anschlusselement sich von dem
Innenbehälter löst, so dass auch in diesem Falle Wasserstoff beziehungsweise Erdgas aus dem Druckbehälter austritt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Bereitstellung eines stabileren Druckbehälters. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Druckbehälters bereitzustellen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Im Genaueren umfasst der erfindungsgemäße Druckbehälter ein
Anschlusselement, einen Innenbehälter und eine dem Innenbehälter umschließende Stützhülle. Das Anschlusselement umfasst einen hülsenförmigen Halsabschnitt und einen Schulterabschnitt. Ferner ist das Anschlusselement über dessen Außenfläche mit einer Innenfläche des Innenbehälters verbunden. Der Innenbehälter wiederum ist mit der Stützhülle derart verbunden, dass der
Innenbehälter zumindest abschnittsweise zwischen dem Anschlusselement und der Stützhülle sandwichartig angeordnet ist. Der Druckbehälter weist zumindest eine Öffnung auf, die durch den Halsabschnitt des Anschlusselements begrenzt ist. Der erfindungsgemäße Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenbehälter zugewandte Außenfläche des Anschlusselements zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von mehr als 50 μιτι aufweist. Dabei ist die
Außenfläche des Anschlusselements die Fläche, die dem Innenbehälter gegenüberliegend angeordnet ist.
Die mittlere Rauheit gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf einer Oberfläche zu einer Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der
Bezugsstrecke das wirkliche Profil des Anschlusselements so, dass die Summe der Profilabweichungen bezogen auf die Mittellinie minimal wird. Die mittlere Rauheit entspricht also dem arithmetischen Mittel der Abweichungen von der Mittellinie.
Die mittlere Rauheit der Außenfläche des Anschlusselements beträgt
vorzugsweise zwischen 50 μιτι und 1000 μιη, weiter vorzugsweise zwischen 50μιτι und 500 μιτι, weiter vorzugsweise zwischen 80 μιτι und 250 μιτι und höchst vorzugsweise mehr als 120 μιτι.
Das Anschlusselement kann aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium gefertigt sein. Im hülsenförmigen Halsabschnitt des Anschlusselements kann ein Innengewinde zum Einschrauben von beispielsweise einer Ventileinrichtung angeordnet sein.
Bei dem Innenbehälter handelt es sich vorzugsweise um einen blasgeformten Innenbehälter. Der Innenbehälter ist dabei vorzugsweise als ein mehrschichtiger Innenbehälter ausgebildet und kann beispielsweise eine Außenschicht aus HDPE (high density Polyethylene, Polyethylen hoher Dichte), einen Haftvermittler beispielsweise aus LDPE (low density Polyethylene, Polyethylen niedriger Dichte), eine Barriereschicht aus beispielsweise EVOH (Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer), einen weiteren Haftvermittler beispielsweise aus LDPE und eine Innenschicht aus HDPE umfassen. Auch andere Schichtsysteme für den Innenbehälter sind möglich, Beschränkungen hinsichtlich des Schichtaufbaus des Innenbehälters bestehen insoweit nicht.
Die Stützhülle kann insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet sein. Vorzugsweise besteht die Stützhülle aus einem
kohlenstofffaserverstärktem Thermoplast.
Der Innenbehälter kann auch als Auskleidung und/oder als Innenschale und/oder als Liner und/oder als Inliner bezeichnet werden. Die Stützhülle kann auch als Außenschale bezeichnet werden. Das Anschlusselement kann auch als
Anschlussflansch und/oder als Einsatz und/oder als Ansatzstück und/oder als Polstück bezeichnet werden.
Aufgrund der mittleren Rauheit der Außenfläche von mehr als 50 μιτι ist die Oberfläche des Anschlusselements, die mit dem Innenbehälter in Kontakt steht, vergrößert, so dass das Anschlusselement stabiler mit dem Innenbehälter verbunden ist. Sowohl eine axiale Belastbarkeit als auch eine radiale Belastung des Anschlusselements ist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Druckbehältern vergrößert, da die Haftkraft des Anschlusselements an dem Innenbehälter vergrößert ist.
Vorzugsweise ist die Außenfläche des Anschlusselements zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus thermoplastischem Kunststoff versehen. Bei dem thermoplastischen Kunststoff kann es sich beispielsweise um Polyethylen, insbesondere um Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) handeln. Durch
Beschichten der Außenfläche des Anschlusselements mit einem
thermoplastischen Kunststoff können die Vertiefungen der Außenfläche des Anschlusselements besonders effektiv mit dem thermoplastischen Material ausgefüllt werden, so dass die zur Verfügung stehende Verbindungsfläche des Anschlusselements beziehungsweise der Außenfläche des Anschlusselements besonders effektiv genutzt werden kann. Ferner kann die Beschichtung der Außenfläche des Anschlusselements bei dem Verbindungsprozess mit dem Innenbehälter des Druckbehälters eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Dies alles führt dazu, dass die Verbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Innenbehälter nochmals verstärkt ist.
Bei Auftrag einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Beschichtung auf die Außenfläche des Anschlusselements, die dünner ist als die mittlere Rauheit der Außenfläche des Anschlusselements, ragen Teile der Außenfläche aus der aufgetragenen Beschichtung hervor, so dass diese Außenflächenteile bei Verbinden des Anschlusselements mit dem Innenbehälter zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung mit dem
Innenbehälter bilden.
Vorzugsweise weist die Außenfläche des Halsabschnitts des Anschlusselements zumindest eine sich in Umfangsrichtung des Halsabschnitts verlaufende
Umfangsnut auf. Selbstverständlich kann die Außenfläche auch eine Vielzahl entsprechender Umfangsnuten aufweisen. Durch Bereitstellen der Umfangsnut/ der Umfangsnuten wird die Verbindung des Anschlusselements zu dem
Innenbehälter derart verstärkt, dass das Anschlusselement axial stärker belastbar ist, ohne dass die Verbindung zum Innenbehälter zerstört wird. Ferner ist zur Herstellung der Verbindung des Anschlusselements mit dem Innenbehälter lediglich eine axiale Kraftbeaufschlagung des Anschlusselements notwendig. Das Anschlusselement wird mit einer parallel zu dessen Längsachse orientierten Zugkraft in den warmplastischen Innenbehälter gezogen bzw. gedrückt.
Vorzugsweise bedeckt die Beschichtung die gesamte Außenfläche des
Halsabschnitts des Anschlusselements durchgehend und füllt die zumindest eine Umfangsnut aus. Dadurch ist gewährleistet, dass die Beschichtung mit der Umfangsnut besonders effektiv verzahnt ist, so dass nach einem
Verbindungsprozess der Beschichtung mit der Innenfläche des Innenbehälters besonders große Kräfte auf das Anschlusselement übertragbar sind, ohne dass die Verbindung zwischen Anschlusselement und Innenbehälter zerstört wird. Die Beschichtung bildet eine geschlossene Oberfläche des Anschlusselements aus. Vorzugsweise weist die Außenfläche des Schulterabschnitts des Anschlusselements zumindest eine Radialnut auf, die eine
Erstreckungskomponente in radialer Richtung des Anschlusselements aufweist. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Anschlusselements weist der Druckbehälter eine höhere Stabilität bei einer Drehbelastung des
Anschlusselements auf. Somit können höhere Drehmomente auf das
Anschlusselement ausgeübt werden, ohne dass sich das Anschlusselement von dem Innenbehälter löst. Vorzugsweise bedeckt die Beschichtung die gesamte Außenfläche des
Schulterabschnitts des Anschlusselements durchgehend und füllt die zumindest eine Radialnut aus. Dies führt dazu, dass die Radialnuten erhöhte Kräfte bei einer Radialbelastung des Anschlusselements aufnehmen können. Ferner ist ein entsprechend beschichtetes Anschlusselement mit einer geschlossenen
Beschichtungsoberfläche verbessert mit der Innenfläche des Innenbehälters verbindbar.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters mit einem Anschlusselement, einem Innenbehälter und eine den in Innenbehälter umschließende Stützhülle gelöst, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
Einbringen eines Anschlusselements in ein mehrteiliges und sich in einer geöffneten Aufnahmestellung befindlichen Blasformwerkzeug, das in einer geschlossenen Stellung ein Formnest bildet;
Extrudieren eines schlauchförmigen Vorformlings in das sich in der
Aufnahmestellung befindliche Blasformwerkzeug derart, dass das
Anschlusselement vom schlauchförmigen Vorformling umschlossen ist; Schließen des Blasformwerkzeugs, so dass der Vorformling mittels des Blasformwerkzeugs an einer Außenfläche des Anschlusselements angedrückt wird;
Ausformen des Vorformlings in dem Formnest des geschlossenen
Blasformwerkzeugs durch Aufwenden eines Differenzdrucks zu dem Innenbehälter; Öffnen des Blasformwerkzeugs und Herausfahren des Innenbehälters aus dem Blasformwerkzeug; und
Umschließen des Innenbehälters mit der Stützhülle. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Anschlusselements in das Blasformwerkzeug eine Außenfläche des Anschlusselements aufgeraut wird, so dass dessen Außenfläche zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von 50 μιτι aufweist. Vorzugsweise erfolgt das Aufrauen der Außenfläche des Anschlusselements durch Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels auf die Außenfläche des
Anschlusselements. Bei dem Strahlmittel kann es sich um ein beliebiges abrasives Strahlmittel handeln, beispielsweise um Sand (Sandstrahlen). Als abrasive Strahlmittel können aber auch Keramikpartikel, Stahl partikel, Stahlkies, Korund und Edelkorund verwendet werden. Ein entsprechendes Aufrauen der Außenfläche mittels Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels ist besonders einfach möglich und benötigt ferner beispielsweise im Vergleich zu einem Ätzen der Außenfläche kein potenziell gefährliches Ätzmittel. Ferner kann durch
Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels eine höhere Rauheit erreicht werden, wodurch die Verbindungsstärke des Anschlusselements mit dem Innenbehälter vergrößert werden kann. Ferner ist zur Aufrauhung der Außenfläche des
Anschlusselements kein chemisches Ätzmittel notwendig, das gesundheits- und umweltschädlich ist. Die Außenfläche des Anschlusselements und die Innenfläche des Innenbehälters gehen eine innige formschlüssige Verbindung ein.
Vorzugsweise erfolgt das Aufrauen der Außenfläche des Anschlusselements durch Aufbringen einer Materialschicht auf die Außenfläche des
Anschlusselements. Das Aufbringen kann beispielsweise durch selektives
Laserschmelzen erfolgen. Ein entsprechendes Aufrauverfahren bietet den Vorteil, dass gezielt Außenflächenbereiche des Anschlusselements mit unterschiedlichen Rauheiten versehen werden können.
Vorzugsweise wird nach dem Verfahrensschritt des Aufrauens des
Anschlusselements und vor dem Verfahrensschritt des Einbringens des
Anschlusselements in das Blasformwerkzeug die Außenfläche des Anschlusselements mit einer Beschichtung aus thermoplastischem Kunststoff beschichtet. Wie bereits oben diskutiert, gewährleistet eine Beschichtung der Außenfläche des Anschlusselements, dass die Oberfläche des
Anschlusselements besonders effektiv mit thermoplastischen Material bedeckt wird, so dass eine innige Verzahnung zwischen dem thermoplastischen Material, das die Beschichtung darstellt, und der Außenfläche des Anschlusselements erzielt wird.
Bei Auftrag einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Beschichtung auf die Außenfläche des Anschlusselements, die dünner ist als die mittlere Rauheit der Außenfläche des Anschlusselements, ragen Teile der Außenfläche aus der aufgetragenen Beschichtung hervor, so dass diese Außenflächenteile bei Verbinden des Anschlusselements mit dem Innenbehälter zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung mit dem
Innenbehälter bilden.
Vorzugsweise wird die Beschichtung auf der Außenfläche des Anschlusselements dadurch aufgebracht, dass ein auf die Außenfläche des Anschlusselements gerichteter Plasmastrahl erzeugt wird, in den der die Beschichtung bildende thermoplastische Kunststoff in Pulverform in den Plasmastrahl zugeführt wird, wobei der Plasmastrahl und/oder das Anschlusselement relativ zueinander derart verfahren werden, dass der Plasmastrahl die gesamte Außenfläche des
Anschlusselements abfährt. Durch dieses Beschichtungsverfahren ist es möglich, variable
Beschichtungsdicken zu realisieren. Auch ist es möglich, verschiedene
Außenflächenbereiche des Anschlusselements mit unterschiedlichen
Beschichtungsdicken zu versehen. Die Partikelgröße des im Pulverform vorliegenden thermoplastischen Kunststoffs, der die Beschichtung des Anschlusselements bildet, ist vorzugsweise in
Größenbereich zwischen 1 μιη und 500μιτι, weiter vorzugsweise zwischen 2μιη und 400μιτι, weiter vorzugsweise zwischen 5μιτι und 200 μιη, weiter vorzugsweise zwischen 10 μιτι und 100 μιτι und höchst vorzugsweise zwischen 20 μιτι und 50. Durch das Zuführen des in Pulverform vorliegenden thermoplastischen
Kunststoffs in den Plasmastrahl wird der thermoplastische Kunststoff zumindest an der Oberfläche aufgeschmolzen, so dass beim Auftreffen des zumindest teilweise aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoffs sich dieser besonders gut der Oberfläche des Anschlusselements anschmiegt, so dass eine besonders effektive Verzahnung der Beschichtung mit der Außenfläche des
Anschlusselements erzielt wird. Für den Plasmastrahl wird vorzugsweise ein Gas aus beispielsweise 98,5% Stickstoff und 1 ,5% Wasserstoff verwendet.
In dem Fall, dass die Oberfläche des Anschlusselements mittels in einen
Plasmastrahl zugeführten thermoplastischen Kunststoffs beschichtet wird, ist es auch möglich vor dem Zuführen des thermoplastischen Kunststoffs ein
Metall pul ver, vorzugsweise aus dem gleichen Material, aus dem die Oberfläche des Anschlusselements besteht, in den Plasmastrahl zu injizieren, so dass das Metallpulver in zumindest teilweise aufgeschmolzenem Zustand auf die
Oberfläche des Anschlusselements trifft, wodurch die mittlere Rauigkeit auf das gewünschte Maß erhöht wird. Vorzugsweise wird die Oberfläche des Anschlusselements vor Auftragen der Beschichtung durch den Plasmastrahl gesäubert, indem der Plasmastrahl ohne Zuführung des thermoplastischen Kunststoffpulvers über die Oberfläche des Anschlusselements bewegt wird, so dass Verunreinigungen zuverlässig entfernt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im
Einzelnen:
Figur 1 : eine räumliche Darstellung eines aufgeschnittenen
erfindungsgemäßen Druckbehälters; Figur 2: eine räumliche Darstellung eines aufgeschnittenen Druckbehälters ohne Stützhülle im Bereich der Polkappe;
Figur 3: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters ohne Stützhülle, aus der die Verbindung des Anschlusselements mit dem Innenbehälter ersichtlich ist, im Bereich der Polkappe;
Figur 4: eine Darstellung eines Anschlusselements samt Radialnuten und
Umfangsnuten, die auf der Außenfläche des Anschlusselements eingebracht sind;
Figur 5: das in Figur 4 gezeigte Anschlusselement versehen mit einer
Beschichtung; Figur 6: das in Figur 5 dargestellte Anschlusselement samt Beschichtung in
Querschnittsdarstellung; und
Figur 7: eine Beschichtungsvorrichtung zum Säubern und Beschichten eines
Anschlusselements.
In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile beziehungsweise gleiche Merkmale, so dass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, so dass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der erfindungsgemäße Druckbehälter 1 ein Anschlusselement 10, das mit einem Innenbehälter 30 des Druckbehälters 1 verbunden ist. Der Druckbehälter 1 umfasst ferner eine Stützhülle 40, die den Innenbehälter 30 umschließt. Der Druckbehälter 1 weist zumindest eine Öffnung 2 auf, die durch einen Halsabschnitt 1 1 des Anschlusselements 10 begrenzt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der erfindungsgemäße
Druckbehälter 1 nicht lediglich nur eine Öffnung 2 aufweist, sondern an
gegenüberliegenden Endbereichen des Druckbehälters zwei Öffnungen vorgesehen sind, wobei an den zwei sich gegenüberliegenden Endbereichen auch zwei Anschlusselemente 10 mit dem Innenbehälter 30 verbunden sind.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass der Endbereich des Druckbehälters 1 mit einem Aufprallschutz 50 in Form einer Kappe 50 versehen ist. Die Kappe 50 verteilt axial auf den Druckbehälter 1 ausgeübte Kräfte auf eine größere Fläche. Diese Kräfte mit zumindest einer Axialrichtung können beispielsweise bei einem Unfall oder bei einem Sturz des Druckbehälters 1 auftreten. Wie aus den Figuren 1 bis 6 ersichtlich ist, umfasst das Anschlusselement 10 einen hülsenförmigen Halsabschnitt 1 1 und einen mit diesem stoffschlüssig verbundenen Schulterabschnitt 13. Das Anschlusselement 10 ist über dessen Außenfläche 16 mit einer Innenfläche 31 des Innenbehälters 30 verbunden. Die Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 ist die Fläche, die mit dem
Innenbehälter 30, im Genaueren mit der Innenfläche 31 des Innenbehälters 30 verbunden ist.
Figur 1 zeigt, dass der Innenbehälter 30 im Bereich der Öffnung 2 des
Druckbehälters 1 mit der Stützhülle 40 derart verbunden ist, dass der
Innenbehälter 30 zwischen dem Anschlusselement 10 und der Stützhülle 40 sandwichartig angeordnet ist. Ferner ist insbesondere aus den Figuren 1 und 2 zu ersehen, dass die Öffnung 2 des Druckbehälters 1 durch den Halsabschnitt 1 1 des Anschlusselements 10 begrenzt ist. Das Anschlusselement 10 kann aus einem Metall gefertigt sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Anschlusselement 10 aus Aluminium gefertigt. Der Innenbehälter 30 kann aus einem thermoplastischen Material gebildet sein. Das thermoplastische Material kann einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, wobei beispielsweise eine mittig angeordnete EVOH-Schicht mittels zwei Haftvermittlern beispielsweise in Form von LDPE-Schichten mit zwei Außenschichten verbunden ist, die aus HDPE bestehen. Die Stützhülle 40, die auch als Außenschale 40 bezeichnet werden kann, ist aus einem faserverstärktem Kunststoff gebildet.
Insbesondere kann die Stützhülle 40 aus CFK (carbonverstärkter Kunststoff) gebildet sein, wobei es sich bei dem Kunststoff vorzugsweise um einen
thermoplastischen Kunststoff handelt.
Aufgrund der wechselnden Druckbeaufschlagung des Druckbehälters 1 muss die Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30, der auch als Innenschale 30 oder Auskleidung 30 oder Liner 30 bezeichnet werden kann, besonders stabil ausgeführt sein. Zum einen werden auf das
Anschlusselement Axialkräfte, die durch die Druckdifferenz zwischen dem
Außendruck und dem Innendruck des Druckbehälters 1 hervorgerufen werden, und zum anderen Radialkräfte übertragen, die ein Losdrehen des
Anschlusselements 10 aus dem Druckbehälter 1 verursachen können.
Zur Erhöhung der Verbindungsstärke zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30 weist die dem Innenbehälter 30 zugewandte Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von mehr als 50 μιτι auf. Die mittlere Rauheit beträgt vorzugsweise zwischen 50 μιτι und 1000 μιτι. Umso rauer die Außenfläche 16 ausgebildet ist, desto größer ist die effektive Verbindungsfläche des Anschlusselements 10. Somit kann das
Anschlusselement 10 mit einer aufgerauten Außenfläche 16 eine innigere und formschlüssige Verbindung mit der Innenfläche 31 des Innenbehälters 30 eingehen. Bei einem Andrücken des noch warmplastischen Innenbehälters 30 beziehungsweise eines noch warmplastischen Vorformlings an die Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 schmiegt sich das warmplastische Material an die raue Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 an, so dass sich eine stabile formschlüssige Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem
Innenbehälter 30 einstellt.
Die Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 kann beispielsweise durch ein Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels auf die Außenfläche 16 erfolgen.
Beispielsweise kann die Außenfläche 16 sandgestrahlt werden. Ferner ist es möglich, dass die Außenfläche 16 auch mit Keramikpartikeln oder mit
Stahl partikeln sowie beispielsweise mit Stahlkies bestrahlt wird. Bei einem entsprechenden Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels kann eine sehr raue Außenfläche 16 erzeugt werden, die eine große mittlere Rauheit von mehr als 50 μιη aufweist. Entsprechend große mittlere Rauheiten sind beispielsweise mit Ätzverfahren nicht oder nur schwer möglich. Ferner müssen bei einem Aufrauen der Außenfläche mit einem Ätzverfahren entsprechend gefährliche chemische Substanzen verwendet werden.
Ferner ist es möglich, ein Aufrauen der Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 durch Aufbringen einer Materialschicht auf die Außenfläche 16 des
Anschlusselements 10 zu realisieren. Das Aufbringen des Materials kann beispielsweise durch selektives Laserschmelzen erfolgen. So kann beispielsweise ein Aluminiumpulver auf die Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 gestrahlt werden, wobei in dem Kontaktbereich des Aluminiumpulvers mit der Außenfläche 16 ein Laserstrahl hoher Leistung aufgestrahlt wird, so dass die Aluminiumpartikel zumindest an deren Oberfläche aufschmelzen, so dass diese mit der Außenfläche 16 eine stoffschlüssige Verbindung eingehen können.
Wie insbesondere aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, können auf der
Außenfläche 16 des Halsabschnitts 1 1 des Anschlusselements 10 mehrere sich in Umfangsrichtung des Halsabschnitts 1 1 erstreckende Umfangsnuten 12 ausgebildet sein. Ferner können auf der Außenseite 16 des Schulterabschnitts 13 des Anschlusselements 10 mehrere Radialnuten 14 ausgebildet sein, wobei die Radialnuten 14 eine Erstreckungskomponente in radialer Richtung des
Anschlusselements 10 aufweisen. Durch Anpressen des noch warmplastischen Vorformlings 30 an die Au ßenfläche 16 des Anschlusselements 10 füllt das warmplastische Material die Umfangsnuten 12 und die Radialnuten 14 aus, so dass eine stabilere Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30 realisiert wird. Durch Bereitstellen der Umfangsnuten 12 können größere axial ausgerichtete Kräfte auf das Anschlusselement 10 ausgeübt werden, ohne dass die Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30 aufbricht. Die Radialnuten 14 bewirken, dass auf das
Anschlusselement 10 größere Drehmomentkräfte übertragen werden können, ohne dass die Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem
Innenbehälter 30 zerstört wird. Selbstverständlich kann auch die in Figur 4 dargestellte Außenfläche 16, die die Umfangsnuten 12 und die Radialnuten 14 aufweist, auch durch ein
Strahlverfahren oder durch ein Auftragsverfahren aufgeraut werden, so dass dann nochmals stärkere Verbindungen zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30 realisiert werden können.
Aus den Figuren 5 und 6 ist ersichtlich, dass die Außenfläche 16 des
Anschlusselements 10 mit einer Beschichtung 20 aus thermoplastischem
Kunststoff versehen ist. Der thermoplastische Kunststoff der Beschichtung 20 kann beispielsweise Polyethylen, insbesondere Polyethylen niederer Dichte (LDPE) sein.
Aus den Figuren 5 und 6 ist ersichtlich, dass die Dicke der Beschichtung 20 derart groß ist, dass sämtliche Umfangsnuten 12 und sämtliche Radialnuten 14 mit der Beschichtung 20 ausgefüllt sind. Folglich bildet die Beschichtung 20 eine geschlossene Oberfläche, die mit der Innenfläche 31 des Innenbehälters 30 stoffschlüssig verbunden werden kann. Durch Aufbringung der Beschichtung 20 auf der Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 können die Unebenheiten der Außenfläche 16, die durch das Aufrauen der Außenfläche bedingt sind, durch das thermoplastische Material der Beschichtung 20 besonders gut ausgefüllt werden, so dass eine besonders innige und stabile Verbindung zwischen der
Beschichtung 20 und dem Anschlusselement 10 bewirkt wird. Die Beschichtung 20 geht mit der Innenfläche 31 des Innenbehälters 30 eine stoffschlüssige
Verbindung ein, so dass auf diese Art und Weise eine nochmals stabilere
Verbindung zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Innenbehälter 30 realisiert werden kann.
Figur 7 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung 100 zum Beschichten der
Außenfläche 16 des Anschlusselements 10. Die Beschichtungsvorrichtung umfasst einen Beschichtungskopf 1 10 zum Erzeugen eines Plasmastrahls 120. Ferner umfasst die Beschichtungsvorrichtung 100 einen Drehteller 130, auf den das zu beschichtende Anschlusselement 10 befestigt ist. Der Beschichtungskopf 1 10 kann ferner auf einem Verschiebetisch angeordnet sein, so dass der
Beschichtungskopf der Kontur des Anschlusselements 10 folgen kann. Vorzugsweise wird vor dem Beschichten der Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 die Außenfläche 16 durch den Plasmastrahl 120 gereinigt, indem der Plasmastrahl die Oberfläche des Anschlusselements 10 abfährt. Durch dieses Abfahren der Außenfläche 16 wird diese von Verunreinigungen befreit. Nach diesem Reinigungsschritt wird dem Plasmastrahl mittels einer nicht dargestellten Zuführleitung thermoplastischer Kunststoff in Pulverform zugeführt, so dass der in Pulverform vorliegende thermoplastische Kunststoff in dem
Plasmastrahl ganz oder zumindest teilweise aufgeschmolzen wird. Die zumindest an der Oberfläche aufgeschmolzenen Kunststoffpartikel treffen auf der
Außenseite 16 des Anschlusselements auf und schmiegen sich der Außenfläche 16 an. Durch das relative Verfahren des Plasmastrahls und/oder des
Anschlusselements 10 zueinander fährt der Plasmastrahl die gesamte
Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 ab. Dadurch kann gewährleistet werden, dass eine geschlossene Beschichtung 20 auf der Außenfläche 16 aufgebracht wird.
Die Auftragung der Beschichtung 20 auf der Außenfläche 16 kann beispielsweise durch mäanderförmiges Verfahren des Plasmastrahls auf der Außenfläche 16 realisiert werden. Ferner ist es auch möglich, dass die Beschichtung durch ringförmige Beschichtungsbahnen ausgebildet ist. Beschränkungen hinsichtlich der Verfahrmimik des Plasmastrahls 120 relativ zur Außenfläche 16 bestehen insoweit nicht.
Das so beschichtete Anschlusselement 10 kann in ein mehrteiliges und sich in einer geöffneten Aufnahmestellung befindlichen Blasformwerkzeug eingebracht werden, wobei das Blasformwerkzeug in einer geschlossenen Stellung ein
Formnest bildet. Anschließend kann ein schlauchförmiger Vorformling in das sich in der Aufnahmestellung befindliche Blasformwerkzeug derart extrudiert werden, dass das Anschlusselement 10 von dem schlauchförmigen Vorformling
umschlossen ist. Anschließend kann das Blasformwerkzeug geschlossen werden, so dass der Vorformling mittels des Blasformwerkzeugs an der Außenfläche 16 des Anschlusselements 10 angedrückt wird. Dabei befindet sich der Vorformling noch im warmplastischen Zustand, so dass dieser sich der Kontur des
Anschlusselements anpassen kann. Durch Aufwenden eines Differenzdrucks wird der Vorformling in dem Formnest des geschlossenen Blasformwerkzeugs ausgeformt. Nach dem Öffnen des Blasformwerkzeugs kann der Innenbehälter 30 aus dem Blasformwerkzeug herausgefahren werden und anschließend mit der Stützhülle 40 versehen werden.
Bezugszeichenliste:
1 Druckbehälter
2 Öffnung (des Druckbehälters)
10 Anschlusselement, Anschlussflansch, Einsatz, Ansatzstück
1 1 Halsabschnitt
12 Umfangsnut
13 Schulterabschnitt
14 Radialnut
15 Innengewinde
16 Außenfläche (des Anschlusselements)
20 Beschichtung
30 Innenbehälter, Auskleidung, Innenschale, Liner, Inliner
31 Innenfläche (des Innenbehälters)
40 Stützhülle, Außenschale (umfassend faserverstärkten Kunststoff)
50 Aufprallschutz, Kappe
100 Beschichtungsvorrichtung
1 10 Beschichtungskopf
120 Plasmastrahl
30 Drehteller

Claims

Patentansprüche
1 . Druckbehälter (1 ), umfassend ein Anschlusselement (10), einen
Innenbehälter (30) und eine den Innenbehälter (30) umschließende Stützhülle (40), wobei der Druckbehälter (1 ) folgende Merkmale aufweist:
das Anschlusselement (10) umfasst einen hülsenförmigen Halsabschnitt
(1 1 ) und einen Schulterabschnitt (13);
das Anschlusselement (10) ist über dessen Außenfläche (16) mit einer Innenfläche (31 ) des Innenbehälters (30) verbunden;
- der Innenbehälter (30) ist mit der Stützhülle (40) derart verbunden, dass der Innenbehälter (30) zumindest abschnittsweise zwischen dem
Anschlusselement (10) und der Stützhülle (40) sandwichartig angeordnet ist; und
der Druckbehälter (1 ) weist zumindest eine Öffnung (2) auf, die durch den Halsabschnitt (1 1 ) des Anschlusselements (10) begrenzt ist,
wobei der Druckbehälter (1 ) dadurch gekennzeichnet ist, dass die dem
Innenbehälter (30) zugewandte Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von mehr als 50μιτι aufweist.
2. Druckbehälter (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) zumindest teilweise mit einer Beschichtung (20) aus thermoplastischem Kunststoff versehen ist.
3. Druckbehälter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (16) des Halsabschnitts (1 1 ) des
Anschlusselements (10) zumindest eine sich in Umfangsrichtung des
Halsabschnitts (1 1 ) verlaufende Umfangsnut (12) aufweist.
4. Druckbehälter (1 ) nach einer Kombination der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (20) die gesamte Außenfläche (16) des
Halsabschnitts (1 1 ) des Anschlusselements (10) durchgehend bedeckt und die zumindest eine Umfangsnut (12) ausfüllt.
5. Druckbehälter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (16) des Schulterabschnitts (13) des Anschlusselements (10) zumindest eine Radialnut (14) aufweist, die eine
Erstreckungskomponente in radialer Richtung des Anschlusselements (10) aufweist.
6. Druckbehälter (1 ) nach Anspruch 5, wenn dieser von Anspruch 2 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (20) die gesamte
Außenfläche (16) des Schulterabschnitts (13) des Anschlusselements (10) durchgehend bedeckt und die zumindest eine Radialnut (14) ausfüllt.
7. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters (1 ) mit einem
Anschlusselement (10), einem Innenbehälter (30) und eine den Innenbehälter (30) umschließende Stützhülle (40), wobei das Verfahren folgende
Verfahrensschritte umfasst:
Einbringen eines Anschlusselements (10) in ein mehrteiliges und sich in einer geöffneten Aufnahmestellung befindlichen Blasformwerkzeug, das in einer geschlossenen Stellung ein Formnest bildet;
Extrudieren eines schlauchförmigen Vorformlings in das sich in der
Aufnahmestellung befindliche Blasformwerkzeug derart, dass das
Anschlusselement vom schlauchförmigen Vorformling umschlossen ist;
Schließen des Blasformwerkzeugs, so dass der Vorformling mittels des
Blasformwerkzeugs an einer Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) angedrückt wird;
- Ausformen des Vorformlings in dem Formnest des geschlossenen
Blasformwerkzeugs durch Aufwenden eines Differenzdrucks zu dem
Innenbehälter (30);
Öffnen des Blasformwerkzeugs und Herausfahren des Innenbehälters (30) aus dem Blasformwerkzeug; und
- Umschließen des Innenbehälters (30) mit der Stützhülle (40),
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass vor dem Einbringen des Anschlusselements in das Blasformwerkzeug eine Außenfläche (16) des
Anschlusselements (10) aufgeraut wird, so dass dessen Außenfläche (16) zumindest teilweise eine mittlere Rauheit von 50μιτι aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen der Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) durch Aufstrahlen eines abrasiven Strahlmittels auf dessen Außenfläche (16) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen der Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) durch Aufbringen einer Materialschicht auf die Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufrauen des Anschlusselements (10) und vor dem Einbringen in das Blasformwerkzeug die Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) mit einer Beschichtung (20) aus thermoplastischem Kunststoff beschichtet wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (20) mittels folgender Verfahrensschritte auf der Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) aufgebracht wird:
Erzeugen eines auf die Außenfläche (16) des Anschlusselements (10) gerichteten Plasmastrahls;
Zuführen des die Beschichtung (20) bildenden thermoplastischen
Kunststoffs und in Pulverform vorliegenden Kunststoffes in den
Plasmastrahl;
relatives Verfahren des Plasmastrahls und/oder des Anschlusselements (10) zueinander derart, dass der Plasmastrahl die gesamte Außenfläche
(16) des Anschlusselements (10) abfährt.
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