WO2018153779A1 - Polkappe mit druckanschlusselement für druckbehälter - Google Patents

Polkappe mit druckanschlusselement für druckbehälter Download PDF

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WO2018153779A1
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Enrichment Technology Co Ltd
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a pole cap made of a Kunststoffmatehal for
  • CFRP pressure vessels have a cylindrical central portion on which are on both sides pole caps for closing the middle part and are made for example by a fiber winding process.
  • a liner inner container for the pressure vessel
  • This liner is then overcoated with Faserverbundmateriai for the production of the pressure vessel for reinforcement, so that the resulting pressure vessel maintains its stability.
  • the pressure vessels Type 3 use a metallic liner made of aluminum or steel, while Type 4 pressure vessels use a plastic liner. The latter pressure vessels are up to the technical requirements and can be produced cost-effectively. Plastic!
  • Liner connection is available, which is easy to assemble and remains leaktightly connected to the liner throughout its service life.
  • Inner container is available, which is easy to assemble and remains leaktightly connected to the inner container (liner) throughout its life.
  • Closure of the pressure vessel, an outer side for overwinding with a fiber composite material after closure of the pressure vessel and a neck-shaped outwardly projecting outwardly open passage having an inner contour, each made of plastic material, and a connected to the implementation of the closure of the implementation pressure connection element comprises, said Pressure connection element comprises a sealing cone made of metal with a first section projecting outwardly through the passage and with a second section tapering conically in the direction of the first section at least in the region of the passage, which in a second section is arranged on the first section by means of a fixing element pressure-tight press fit is held in the inner contour.
  • Pressure vessels in the context of the invention are all suitable containers for
  • these pressure vessel are cylindrical with outwardly curved statements on both sides of the cylindrical central portion. These connections are referred to as pole caps and are used for pressure-tight closure of the middle part.
  • the inside of the polar cap is part of the inner wall of the pressure vessel facing the filling (fluid or gas) of the pressure vessel in the later pressure vessel. Accordingly, the outside is the opposite side of the pole cap. To reinforce the pressure vessel, this outer side is wrapped with a fiber composite material, which at the same time the outside of the
  • Pressure vessel can form. After the welding of the pole caps with the central part of an inner container is made, the pressure tightness depends only on the pressure tightness of the pole cap with the pressure connection element, in particular the sealing cone. With the inventive polar cap this pole cap is designed pressure-tight and thus designed the entire inner container pressure-tight.
  • Pressure vessel comprise a reversibly closable opening. Such an opening is arranged in pressure containers in one of the pole cap via a neck-shaped outwardly projecting outwardly open passage into which a pressure connection element for closing the passage is arranged with an inner contour.
  • the conical contour of the sealing body makes it possible for a sealing cone inserted into the bushing from the inside of the pole cap to press-fit in the inner contour of the neck-shaped bushing.
  • the sealing cone for example, in inner contours of the neck-shaped passage, which are not adapted to the cone shape of the second portion of the sealing cone, the material of the polar cap in the region of Displacing the inner contour so that the inner contour conforms to the cone-shaped contour of the second section.
  • the sealing cone then forms with other components, the pressure connection element, via which the filling in the
  • Pressure vessel can be inserted or omitted from this.
  • fixative for example, a tensile nut or a in
  • Sealing cone snapping spring ring causes the sealing cone is pulled into the implementation (pressed) or in the
  • pulled in (pressed) position remains and thus rests with its outer side in the inner contour of the implementation that can escape through the implementation no standing under pressure filling of the pressure vessel.
  • the Polkappe itself consists (as well as the remaining inner container) for weight and cost reasons while plastic material. Plastic material may deform due to the pressure prevailing in the pressure vessel over the operating time, so that leakage could occur between the connector and the polar cap.
  • the pole cap according to the invention prevents by its construction with specially designed implementation and accordingly
  • Inner contour of the implementation results in a narrowing gap in the outward direction, which causes the sealing of the pressure port.
  • the plastic material would have to flow, wanted it under the Flow away surface pressure of the sealing cone. But this would only be possible by further increasing the surface pressure, which does not come about because the
  • the sealing effect of the sealing cone is further increased at high pressure in the pressure vessel.
  • the sealing cone is pressed from the direction of the pressure vessel interior in the neck opening of the implementation, which increases the sealing effect.
  • the fixing means on the other side of the throat opening of the implementation of the sealing cone is pulled until it has reached the end position torque-controlled or until it engages in the fixing means and is thus held in its intended sealing position.
  • the difference of the areas multiplied by the gas pressure generates a force proportional to the pressure in the direction of the sealing effect, thus the gas pressure produces a higher sealing effect at a higher pressure.
  • the pole cap according to the invention with pressure connection element is thus redundant against leaks.
  • the inner contour tapers at least in one
  • the cone-shaped inner contour is adapted to the cone-shaped second portion.
  • the adhesion between the sealing cone and inner contour is improved, which improves the sealing effect and the seat of the sealing cone in the neck-shaped implementation.
  • the cone-shaped inner contour is matched to fit the cone shape of the second portion of the sealing cone. This customized cone-shaped
  • Inner contour makes it possible that a correspondingly adapted to the shape of this inner contour sealing cone can be inserted from the inside of the pole cap in the implementation, resulting in a further improvement.
  • the cone-shaped inner contour of the extends
  • a correspondingly adapted to the extent of the inner contour formed sealing cone thus has a larger contact surface with the inner contour, which distributes the pressure force of the sealing cone on the inner contour over a larger area and thus the surface pressure per unit area and thus the risk of flow of the plastic material of the neck-shaped implementation yet further reduced.
  • the sealing cone protrudes with its second
  • the tension nut can be screwed from the outside to the sealing cone, which facilitates the installation of the sealing cone in the neck-shaped implementation.
  • the pole cap further comprises
  • Attachment element for placement on the neck-shaped passage, wherein the attachment element comprises a first contact region, which extends in the radial direction from the necked passage along the outside and is adapted to the contour of the outside and provided for the over-winding with the fiber composite material, and a second contact region whose inner shape is adapted to an outer shape of the neck-shaped passage so that the second contact portion prevents deformation of the outer shape of the neck-shaped passage in the radial direction.
  • the polar cap with Attachment element is wrapped after assembly of the attachment element on the neck-shaped implementation in the same manner with fiber composite material as the pole cap according to the invention without such attachment element.
  • the radial direction here denotes the direction away from the center of the implementation direction.
  • the pole caps are also configured circular in shape from its periphery.
  • the connecting element is arranged in the center of the pole cap, whereby the radial direction coincides with the radial direction to the axis of symmetry (cylinder axis) of the pressure vessel.
  • the first contact region of the attachment element can be placed on the outside, which is particularly designed in the contact area for the attachment element, for example, the outside of a
  • the pole cap with attachment element has the same outer shape as a pole cap, which is not intended for additional assembly with a attachment element.
  • This also softer plastics such as polyethylene can be used as a material for the pole caps and the inner container of the pressure vessel, because in the
  • the outer shape of the passage at the neck end comprises a peripheral edge, preferably, the edge is a planar surface perpendicular to the longitudinal direction of the passage or the subsequent pressure vessel.
  • the second contact region covers the peripheral edge at least partially, so that a deformation of the outer shape of the implementation is additionally prevented also perpendicular to the radial direction.
  • the second contact region further extends along the first portion of the sealing cone, wherein the first portion of a suitably arranged and surrounding the first portion seal for pressure-tight sealing against the second contact region of
  • Attachment comprises.
  • the fixing means arranged externally on the first section is a tension nut screwed onto the first section, with which the second section for the pressure-tight closure in the
  • the pull nut can be attached via a thread directly or indirectly on the sealing cone on the one hand and on the other hand pulls directly or indirectly on the neck-shaped passage that the sealing cone to the
  • Inner contour of the implementation is pressed.
  • the attachment element further comprises a third region in the longitudinal direction above the second contact region, which comprises an inner side facing the first portion, wherein the inner side of the third region is arranged so that a circumferential gap between the inner side and the first portion of Sealing cone is formed in the radial direction, wherein the gap is provided and configured for receiving the tension nut.
  • the longitudinal direction here refers to the direction along the passage from the inside to the outside or the direction along the cylinder axis of the later pressure vessel.
  • the third area protects the tension nut from external mechanical stress.
  • the second contact region forms a
  • the attachment element is attached by means of the tension nut on the pressing on the neck-shaped implementation support area on the pole cap.
  • the attachment element can also be easily mounted on the pole cap and on its form-supporting effect on the neck-shaped implementation of.
  • the inner shape of the second contact region of the attachment element extends along the first portion of the
  • Sealing cone and has in a region opposite the first portion a recess in which the externally arranged on the first portion fixing means is arranged in the form of an elastic spring ring, and the first portion of the sealing cone adapted to the spring ring ring recess on a matched thereto Position along the longitudinal axis comprises, in which the spring ring engages after pressing in of the sealing cone in the implementation and thus fixes the sealing cone in the pressure-tight press fit in the inner contour.
  • the fixation of the sealing cone by means of spring ring in a position defined by spring ring and ring recess allows easy and quick production of a press fit, which represents a pressure-tight fit of the sealing cone in the implementation.
  • the spring ring can be made of conventional materials for spring rings with conventional methods, whereby the spring ring has its usual elasticity.
  • the attachment element is screwed with its second contact area on the outer shape of the neck-shaped passage, for example by means of a self-tapping thread. As a result, the attachment element can be attached to the neck-shaped pole cap independently of a later-screwed-on pull nut. The possibly additional
  • Attachment of the attachment element via screw connection and pressure by means of a pull nut increases the seating strength of the attachment element on the neck-shaped passage of the pole cap.
  • the attachment element and the neck-shaped passage are designed such that the attachment element is screwed onto the neck-shaped passageway from above, until the first contact region contacts directly on the outside.
  • the attachment is securely positioned on the outside and it is easy for the fitter to see if the positioning is correct.
  • the plastic material of at least the neck-shaped passage of the pole cap is a soft plastic material and the second contact region of the attachment element is threaded to the
  • the invention further relates to a fiber-reinforced pressure vessel comprising an inner container made of a plastic material comprising a cylindrical central part and two the middle part in each case on both sides closing pole caps and one wound on the inner container
  • one of the pole caps is a polar cap according to the invention. So that a filling can be stored under pressure in this pressure vessel, the cylindrical surfaces of the middle part are closed with the pole caps.
  • a stress ratio of 2: 1 between circumferential stress (stress on the inner wall of the cylindrical center) and axial stress (stress on the lid surfaces) would be present, which would stress the edge area between middle part and pole caps.
  • Geometriebetrachtungen apply to all pressure vessels, including those from an inner container and a wound over the inner container outer layer to reinforce the inner container, for example, with an inner container made of plastic.
  • Such containers have on the one hand a very low weight, which is important for applications in means of transport, for example, and on the other hand fillings such as hydrogen can be stored under high pressure loss, since plastic has a very low hydrogen permeability and the required strength through the outer layer of
  • the pressure vessel according to the invention thus comprises an inner container with pole caps, preferably as a dome-like polar caps with a shape deviating from a hemisphere, in the lid edge region adjacent to the cylindrical central part of the
  • Inner container a greater curvature against a hemisphere surface are formed, while the central portion of the pole caps has a lower curvature against a hemisphere surface.
  • dome-shaped pole cap can the stiffness and load jump and the stress caused thereby between the circumferential direction (middle part) and the axial direction (pole cap areas) by axially on the pole cap in the
  • Isotensoid is called.
  • An isotensoid designates a shape that causes a constant tension in the fibers in all points of the fiber flow in a wound on an outer layer of a fiber composite material.
  • a fiber composite material generally consists of two main components, here fibers, embedded in a matrix material which establishes the firm bond between the fibers.
  • the fiber composite material can be wound from one or more fibers, wherein the fiber (s) are wound in close contact with each other in contact with each other. This creates a
  • the fiber layers of first and / or further fibers, for example second fibers each comprise a plurality of fiber layers.
  • Fiber composite material could provide superior properties, such as a higher strength than either of the two individual components involved.
  • the reinforcing effect of the fibers in the fiber direction occurs when the
  • Elongation modulus of the fiber in the longitudinal direction is greater than the modulus of elasticity of the matrix material, if the elongation at break of the matrix material is greater than the breaking elongation of the fibers and if the breaking strength of the fibers is greater than the breaking strength of the matrix material.
  • fibers fibers of all kinds for example, glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, steel fibers, natural fibers or synthetic fibers may be used.
  • duromers, elastomers or thermoplastics can be used as matrix materials.
  • the material properties of the fibers and matrix materials are known to those skilled in the art so that those skilled in the art can choose a suitable combination of fibers and matrix materials for making the fiber composite material for the particular application. In this case, individual fiber layers in the fiber composite region can be a single fiber or several or the same
  • the invention further relates to a method for producing a
  • Polar cap according to the invention of a plastic material for pressure-tight closure of a pressure vessel comprising the steps:
  • the pole cap with an inner side for later closure of the pressure vessel, an outer side for overwinding with a fiber composite material after closure of the pressure vessel and a neck-shaped outwardly projecting outwardly open passage having an inner contour for the subsequent introduction of a sealing cone as part of a pressure connection element; Inserting a metal sealing cone from the inside into the passage, the sealing cone comprising a first section and a second section tapering conically in the direction of the first section, at least in the region of the passage, until the first section protrudes outwardly from the neck-shaped passage;
  • Section arranged fixing means which holds the sealing cone in a pressure-tight press fit in the inner contour.
  • a connector for the inner container is easy to manufacture, which is capable of being kept leak-tight with the inner container (liner) over the entire service life.
  • the method comprises the further step of
  • attachment member a first contact portion which extends in a planar shape in the radial direction of the neck-shaped passage along the outside and adapted to the contour of the outside and the
  • the fiber composite material comprises a second contact area with an adapted to an outer shape of the neck-shaped passage inside shape.
  • the fixing means arranged externally on the first portion is a pull nut or a spring washer
  • the step of producing the pressure-tight seal comprises one of the step of Exerting a pull on the sealing cone by means of the externally screwed onto the first section of the pull nut, or
  • the sealing cone in the first section comprises a spring ring adapted to the ring recess at a position adapted thereto along the longitudinal axis, and subsequent engagement of the spring ring in the annular recess of the
  • Sealing cone wherein the spring ring is elastically held in a recess in the inner shape of the second contact region of the attachment element, which extends along the first portion of the sealing cone
  • the invention further relates to a method for producing a
  • fiber-reinforced pressure vessel comprising the steps:
  • FIG. 1 shows an embodiment of a pole cap 1 according to the invention with pressure connection element 2 suitable for pressure-tight closure of a
  • the pole cap 1 comprises an inner side 1 1, which faces the interior of the pressure vessel for later closure of the pressure vessel 100, an outer side 12 provided for overwinding with a fiber composite material 3 after closure of the pressure vessel 100 and a halsformige from the outside to the outside outstanding open passage 13 with a cone-shaped inner contour 13i in a wide range between the inside 1 1 and outside 12, which tapers outwardly along the passage 13 in this area, each made of plastic material.
  • the pole cap 1 further comprises a to the passage 13 for closing the
  • Pressure connection element 2 comprises a sealing cone 21 made of metal with a protruding outwardly through the passage 13 first portion 21 a and with a at least in the region of the bushing 13 corresponding to the conical inner contour 13i adapted second portion 21 b.
  • the section 21 b has an inner contour 13i corresponding outer cone shape in the longitudinal direction LR of the passage 13 with a circular first surface A1 on or above the inner side 1 1 and a circular second surface A2 facing the outer side 12 of the polar cap 1, wherein in this
  • the first and second surfaces A1 and A2 are aligned perpendicular to the longitudinal direction of the bushing 13.
  • the sealing cone 21 further has in its interior a cylindrical passage 21 D for filling the later pressure vessel 100 with fluids or gases
  • the sealing cone 21 is pressed according to the area ratio between the first and second surfaces A1, A2 already by the internal pressure in the pressure vessel 100 in the konusformige inner contour 13i of the bushing 13, so that a good sealing effect between sealing cone 21 and passage 13 is guaranteed ,
  • the sealing cone 21 is arranged by means of a screwed onto the first portion 21 a from the outside Switzerlandnut 22z than that from the outside on the first portion 21 a
  • Pressure vessel 100 is not yet subjected to internal pressure.
  • the sealing cone 21 protrudes with its second portion 21 b from the passage 13 on the inside 1 1 addition, which facilitates the assembly of the tension nut 22z.
  • Sections 21 b of the sealing cone 21 can be configured by a person skilled in the art.
  • the conical inner contour 13i of the bushing 13 can also extend from the inner side 11 to the neck end 13h on the outer side 12.
  • the pole cap 1 in addition to the pole cap of Fig. 1 further comprises a cap member 14 which is placed on the neck-shaped passage 13.
  • the attachment element 14 comprises a first contact region 14a, which extends in a planar manner in the radial direction from the neck-shaped passage 13 along the outer side 12 and is adapted to the contour of the outer side 12 and provided for over-winding with the fiber composite material 3.
  • the outer side 12 has for this purpose a recess from which the attachment element 14 is received so that the contour of the outer side 12 outside the first contact surface 14a in the area is continued with the first contact portion 14a on the outer side 12 in the direction of the passage 13 without change.
  • the attachment member 14 further includes a second contact portion 14b for covering the neck-shaped passage along the longitudinal direction of the passage 13.
  • the outer shape of the neck-shaped passage 13 here has a cylindrical shape around its the cone-shaped inner shape 13i.
  • the inner shape of the second contact portion 14 b also has a cylindrical shape adapted to the dimension of the outer shape of the lead-through 13, that the second contact portion 14 b prevents deformation of the outer shape of the neck-shaped passage 13 in the radial direction RR.
  • the outer shape of the bushing 13 at the neck end 13h includes a circumferential edge 13r, the second contact portion 14b being formed to cover the circumferential edge 13r upward (perpendicular to the longitudinal direction), so that deformation of the outer shape of the bushing 13 also is prevented perpendicular to the radial direction RR.
  • the second contact region 14b further extends along the first portion 21 a of the sealing cone, wherein here in the first section 21 a around the first portion 21 a circumferential seal 23, for example, an O-ring seal, for pressure-tight sealing against the second contact area 14b of the attachment element 14 is arranged.
  • the attachment element 14 here furthermore comprises a third region 14c arranged in the longitudinal direction LR above the second contact region 14b.
  • the third region 14c comprises an inner side 14i facing the first portion 21a, which defines a circumferential gap 15 between the inner side 14i and the first portion 21a of the sealing cone 21 in the radial direction RR, so that in this gap 15 the tension nut 22z becomes an outer one arranged on the first portion 21 a arranged fixing means 22 on the sealing cone 21 and can be screwed onto this.
  • the second contact region 14b below the third region 14c forms a support region 14z for the tension nut 22z, so that additionally the attachment element 14 is secured on the pole cap 1 by means of the tension nut 22z via the support region 14z pressing on the neck-shaped bushing 13.
  • the shape of the tension nut 22z and the corresponding thread 16 in the second section 21b of the sealing cone 21 can be designed by a person skilled in the art. Additionally or alternatively according to others Embodiments, the attachment element 14 in this embodiment with its second contact portion 14b on the outer shape of the necked
  • the attachment member 14 is screwed here to the direct contact of the first contact portion 14a with the outside 12 from above on the neck-shaped passage 13.
  • the second contact region 14b of the attachment element 14 may include a self-tapping thread 16 for this screw connection, provided that the plastic material at least the neck-shaped passage 13 of the polar cap 1 is a soft
  • Plastic material is. In this case, no thread would be arranged on the neck-shaped passage 13 on its outer shape. If the plastic material for self-tapping were too hard, corresponding threads would have to be disposed on both the outer shape of the necked passage 13 and the inner shape of the second contact portion 14b. For in / out of fluids or gases in / out of the pressure vessel in / out is on the
  • Sealing cone arranged 21 a valve cap, the corresponding inlet and / or outlet openings, an operating device for the inlet and / or
  • Outlet openings and optionally other components such as a pressure gauge may include.
  • 3 shows a further embodiment of a pole cap 1 according to the invention with pressure connection element 2, wherein the tension nut 22z shown in FIG. 2 has been replaced here as the fixing element 22 by a spring ring 22f.
  • the tension nut 22z shown in FIG. 2 has been replaced here as the fixing element 22 by a spring ring 22f.
  • this case also extends the inner shape of the second contact portion 14b of the attachment member 14 along the first portion 21 a of the sealing cone 21 and has in a first portion 21 a region opposite a recess 14 d, in which the externally on the first portion 21 a
  • the first section 21a of the sealing cone 21 comprises a ring recess 21e adapted to the spring ring 22f (here completely filled by the spring ring 22f) at a position adapted thereto along the longitudinal axis LR into which the spring ring 22f follows
  • a sealing ring 23 is arranged here as in Fig.2. For details of the sealing ring reference is made to FIG.
  • the fiber-reinforced pressure vessel 100 in this case comprises an inner container 1 10 made of a plastic material having a cylindrical central portion 120 and two each disposed on both sides of the central portion 120 polar caps 1, 1 ' , which close the central portion 120 on both sides. Since both the Mitteilteil 120 and the pole caps 1, 1 'are made of plastic material, the pole caps 1, 1 ' with conventional
  • FIG 5 shows an embodiment of a method 200 according to the invention for producing the pole cap 1 according to the invention.
  • Design of the pole cap is also referred to the figures 1 to 3.
  • Method 200 comprises the steps of providing 210 the polar cap 1 with an inner side 1 1 for later closure of the pressure vessel 100, an outer side 12 for overwinding with a fiber composite material 3 according to
  • Pressure connection element 2 the insertion 220 of a sealing cone 21 made of metal from the inner side 13i into the passage 13, wherein the sealing cone 21 has a first section 21 a and a tapered at least in the region of the passage 13 in the direction of the first section 21 a second
  • Section 21 b includes until the first portion 21 a outwardly of the
  • the method 200 may include the further step of placing 230 a cap member 14 on the neck-shaped passage 13 to prevent deformation of the outer shape of the passage 13 in the radial direction RR, wherein the
  • Over winding is provided with the fiber composite material 3, and a second contact portion 14 b with an outer shape of the neck-shaped passage
  • Section 21 a arranged fixing 22 is a pull nut 22z or a spring ring is 22f, while the step 240 of the pressure-tight completion of the step of exerting 240 a train on the sealing cone 21 by means of the externally screwed onto the first portion 21 a
  • Section 21 a of the sealing cone 21 extends, is held elastically include.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a method 300 according to the invention for producing a fiber-reinforced pressure vessel 100 according to the invention, comprising the steps of providing 310 a cylindrical center part 21 made of a plastic material, providing 320 of two pole caps 1, 1 ' made of plastic material for closing the middle part 120, of which one of the pole caps 1, 1 'is a polar cap 1 according to the invention, the welding 330 of the pole caps 1, 1 ' comprising the pole cap 1 with already connected pressure connection element 2 with the central part 120 for producing a Inner container 1 10 made of plastic material, and the overwinding 340 of the inner container 1 10 with fiber composite material 3 for the preparation of
  • the inner container 1 10 preferably all surfaces of the inner container 1 10 with the exception of the pressure connection element 2 are wound with fiber composite material 3.
  • the welding process for the production of the inner container 1 10 is characterized in that it is suitable for small, medium and large quantities, because the precursors extruded tube (Mitteilteil 120) and injection-molded polar caps 1 are very simple and inexpensive to produce.
  • This method 200 is particularly suitable in that only in this method pressure connection elements 2 (or valve elements) can be mounted from both sides 11, 12 of the polar cap 1, as is not possible with the other methods. This can be done before

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polkappe (1) aus einem Kunststoffmaterial zum druckdichten Verschluss eines Druckbehälters (100), einen Druckbehälter (100) mit einer solchen Polkappe (1) sowie Verfahren (200, 300) zur Herstellung einer solchen Polkappe (1) sowie eines solchen Druckbehälters (100). Die Polkappe (1) umfasst dabei eine Innenseite (11) zum späteren Verschluss des Druckbehälters (100), eine Außenseite (12) zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial (3) nach Verschluss des Druckbehälters (100) und eine halsförmige aus der Außenseite nach außen herausragende offene Durchführung (13) mit einer Innenkontur (13i), jeweils aus Kunststoffmaterial, und ein an die Durchführung (13) zum Verschluss der Durchführung (13) angeschlossenes Druckanschlusselement (2) umfasst, wobei das Druckanschlusselement (2) einen Dichtkonus (21) aus Metall mit einem durch die Durchführung (13) nach außen herausragenden ersten Abschnitt (21a) und mit einem sich zumindest im Bereich der Durchführung (13) konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts (21a) verjüngenden zweiten Abschnitt (21b) umfasst, der mittels eines von außen auf dem ersten Abschnitt (21a) angeordneten Fixierungsmittels (22) in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur (13i) gehalten wird.

Description

Polkappe mit Druckanschlusselement für Druckbehälter
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Polkappe aus einem Kunststoffmatehal zum
druckdichten Verschluss eines Druckbehälters; einen Druckbehälter mit einer solchen Polkappe sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Polkappe sowie eines solchen Druckbehälters.
Hintergrund der Erfindung
Der Markt für faserverstärkte Druckbehälter aus Faserverbundmaterial wächst kontinuierlich. Die zunehmende Förderung von Erdgas und Fracking-Gas macht speziell in Ländern ohne entsprechendes Pipelinenetz eine Speicherung in Druckbehältern erforderlich. Hinzu kommt der Automobilsektor, der stark an der Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen arbeitet, bei denen der Brennstoff in Form von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck in Druckbehältern im gasförmigen oder flüssigen Zustand gespeichert werden soll. Für den Transport der Druckbehälter sind leichte Druckbehälter gewünscht, weil ein Transport von Druckbehältern mit hohen Behältergewichten unnötig viel Energie verbraucht und daher zu hohe Transportkosten verursacht.
Gegenwärtig benutzte faserverstärkte (CFK) Druckbehälter besitzen einen zylindrischen Mittelteil, auf dem sich beidseitig Polkappen zum Verschluss des Mittelteils befinden und werden beispielsweise mit einem Faser-Wickelverfahren hergestellt. Dabei wird ein Liner (Innenbehälter für den Druckbehälter) verwendet, der einerseits als Wickelkern fungiert und andererseits auch die Dichtigkeit des Behälters garantiert. Dieser Liner wird dann zur Herstellung des Druckbehälters zur Verstärkung mit Faserverbundmateriai überwickelt, damit der daraus resultierende Druckbehälter seine Stabilität erhält. Bei den Druckbehältern Type 3 wird ein metallischer Liner aus Aluminium oder Stahl eingesetzt, bei Type 4 Druckbehälter ist es ein Liner aus Kunststoff. Letztere Druckbehälter sind den technischen Anforderungen gewachsen und lassen sich kostengünstig herstellen. Kunststoff! iner können beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens, mittels eines sogenannten Rotomoulding-Verfahrens oder mittels eines Schlauchblasverfahrens hergestellt werden. Bei einem Schweißverfahren wird ein extrudiertes Rohr mit entsprechendem Durchmesser, Wandstärke und Länge hergestellt und an beide Seiten eine passende Polkappe angeschweißt. Dabei sind beide Seiten der Polkappen erreichbar, was bei den anderen Verfahren nicht der Fall ist.
Problematisch bei diesen Druckbehältern ist unter anderem der notwendige metallische Anschluss für ein Druckbehälterventil an solche CFK-Druckbehälter mit Plastikliner. Dabei muss sich das metallische Anschlussstück (auch Boss oder Lineranschluss genannt) einfach montieren lassen und über die gesamte
Lebensdauer des Druckbehälters leckdicht mit dem Liner verbunden bleiben.
Es wäre daher wünschenswert, ein Anschlussstück für den Innenbehälter
(Lineranschluss) zur Verfügung zu haben, der leicht zu montieren ist und über die gesamte Lebensdauer leckdicht mit dem Liner verbunden bleibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Anschlussstück für den
Innenbehälter zur Verfügung zu stellen, das leicht zu montieren ist und über die gesamte Lebensdauer leckdicht mit dem Innenbehälter (Liner) verbunden bleibt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Polkappe zum druckdichten Verschluss eines Druckbehälters, wobei die Polkappe eine Innenseite zum späteren
Verschluss des Druckbehälters, eine Außenseite zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial nach Verschluss des Druckbehälters und eine halsförmige aus der Außenseite nach außen herausragende offene Durchführung mit einer Innenkontur, jeweils aus Kunststoffmaterial umfasst, und ein an die Durchführung zum Verschluss der Durchführung angeschlossenes Druckanschlusselement umfasst, wobei das Druckanschlusselement einen Dichtkonus aus Metall mit einem durch die Durchführung nach außen herausragenden ersten Abschnitt und mit einem sich zumindest im Bereich der Durchführung konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts verjüngenden zweiten Abschnitt umfasst, der mittels eines von außen auf dem ersten Abschnitt angeordneten Fixierungsmittels in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur gehalten wird.
Druckbehälter im Sinne der Erfindung sind alle geeigneten Behälter zur
Speicherung von Fluiden oder Gasen mit einem gegenüber der Umgebung des Druckbehälters erhöhten Druck, die einen Innenbehälter aus Kunststoffmaterial und eine Verstärkung aus Faserverbundmaterial umfassen. In der Regel sind diese Druckbehälter zylinderförmig mit nach außen gewölbten Abschlüssen auf beiden Seiten des zylinderförmigen Mittelteils. Diese Anschlüsse werden als Polkappen bezeichnet und dienen zum druckdichten Verschluss des Mittelteils. Die Innenseite der Polkappe ist dabei im späteren Druckbehälter Teil der zur Füllung (Fluid oder Gas) des Druckbehälters zugewandten Innenwand des Druckbehälters. Entsprechend ist die Außenseite die entgegengesetzte Seite der Polkappe. Zur Verstärkung des Druckbehälters wird diese Außenseite mit einem Faserverbundmaterial überwickelt, was gleichzeitig die Außenseite des
Druckbehälters bilden kann. Nach dem Verschweißen der Polkappen mit dem Mittelteil ist ein Innenbehälter hergestellt, dessen Druckdichtigkeit nur noch von der Druckdichtigkeit der Polkappe mit dem Druckanschlusselement, insbesondere dem Dichtkonus, abhängt. Mit der erfinderischen Polkappe ist diese Polkappe druckdicht ausgestaltet und damit der gesamte Innenbehälter druckdicht ausgestaltet.
Um den Druckbehälter mit einer Füllung zu versehen beziehungsweise diese Füllung aus dem Druckbehälter wieder entnehmen zu können, muss der
Druckbehälter eine reversibel verschließbare Öffnung umfassen. Eine solche Öffnung ist bei Druckbehältern in einer der Polkappe über eine halsförmige aus der Außenseite nach außen herausragende offene Durchführung angeordnet, in die ein Druckanschlusselement zum Verschluss der Durchführung mit einer Innenkontur angeordnet ist. Die konusformige Kontur des Dichtkörpers ermöglicht es, dass ein von der Innenseite der Polkappe in die Durchführung eingeführter Dichtkonus einen Presssitz in der Innenkontur der halsförmigen Durchführung einnimmt. Hierbei kann der Dichtkonus beispielsweise bei Innenkonturen der halsförmigen Durchführung, die nicht auf die Konusform des zweiten Abschnitts des Dichtkonus angepasst sind, das Material der Polkappe im Bereich der Innenkontur so verdrängen, dass sich die Innenkontur an die konusförmige Kontur des zweiten Abschnitts anschmiegt. Der Dichtkonus bildet dann mit weiteren Komponenten das Druckanschlusselement, über das die Füllung in den
Druckbehälter eingelassen beziehungsweise aus diesem ausgelassen werden kann. Eine von der Außenseite her auf dem Druckanschlusselement
angeordnetes Fixierungsmittel (beispielsweise eine Zugmutter oder ein im
Dichtkonus einschnappender Federring) bewirkt, dass der Dichtkonus in die Durchführung hineingezogen (gepresst) wird beziehungsweise in der
hineingezogenen (gepressten) Position verbleibt und somit mit seiner Außenseite so in der Innenkontur der Durchführung anliegt, dass durch die Durchführung keine unter Überdruck stehende Füllung des Druckbehälters entweichen kann.
Die Polkappe selber besteht (wie auch der restliche Innenbehälter) aus Gewichtsund Kostengründen dabei aus Kunststoffmaterial. Kunststoffmaterial kann sich aufgrund des im Druckbehälter herrschenden Drucks über die Betriebszeit verformen, sodass zwischen Anschlussstück und Polkappe Leckagen auftreten könnten. Die erfindungsgemäße Polkappe verhindert durch ihre Konstruktion mit dafür speziell ausgestalteter Durchführung und entsprechendem
Druckanschlusselement, dass sich das Kunststoffmaterial der halsförmigen Durchführung verformen kann und stellt damit eine Polkappe mit Anschlussstück für den Innenbehälter zur Verfügung, das leicht zu montieren ist und über die gesamte Lebensdauer leckdicht mit der Pol kappe und damit mit dem späteren Innenbehälter (Liner) verbunden bleibt. Die erfindungsgemäße Konstruktion der Pol kappe mit Druckanschlusselement wurde so geändert, dass das
Kunststoffmateria! auch bei sehr hohen Flächenpressungen aufgrund des
Innendrucks des Druckbehälters nicht mehr an der Verbindungsfläche zwischen Druckanschlusselement und halsförmiger Durchführung wegfließen kann, weil hier der Kunststoff durch die konusförmige Form der Innenkontur der Durchführung und des Dichtkonus gekammert ist. Durch die konische Konstruktion des
Dichtkonus und der sich entsprechend an den Dichtkonus anschmiegende
Innenkontur der Durchführung ergibt sich ein verengender Spalt in Richtung nach außen, der die Abdichtung des Druckanschlusses bewirkt. Durch diesen sich verengenden Spalt müsste das Kunststoffmaterial fließen, wollte es unter der Flächenpressung des Dichtkonus wegfließen. Dies wäre aber nur durch weitere Erhöhung der Flächenpressung möglich, die nicht zustande kommt, da die
Innenkontur der Durchführung auf der konusförmigen Kontur des Dichtkonus anliegt und über die so erreichten große Auflagefläche bei sehr guter Dichtwirkung nur eine relativ zum Stand der Technik geringe Flächenpressung pro
Flächeneinheit verursacht. Im Stand der Technik sind Dichtkonus und
Durchführung lediglich über ein Gewinde miteinander verbunden, in dem hohe lokale Drücke entstehen, durch die sich das Kunststoffmaterial unter dem
Dichtkonus verformt und bei zu hoher Flächenpressung unter dem Dichtkonus wegfließen kann. Im Stand der Technik ist daher ein Kompromiss aus
Anzugsdrehmoment und damit Dichtigkeit bei hohen Drücken und
Überschreiten der Flächenpressung und Wegfließen des Kunststoffes von Nöten, was bewirkt, dass die Druckbehälter des Stands der Technik als nicht geeignet für sehr hohe Drücke sind. Druckbehälter mit der erfindungsgemäßen Pol kappe sind dagegen bis zu den Drücken geeignet, bei denen die Faserverstärkung des
Druckbehälters versagen würde. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird bei hohem Druck in dem Druckbehälter die Dichtwirkung des Dichtkonus dagegen weiter erhöht. Dazu wird der Dichtkonus aus Richtung des Druckbehälterinneren in die Halsöffnung der Durchführung gedrückt, was die Dichtwirkung erhöht. Durch das Fixierungsmittel auf der anderen Seite der Halsöffnung der Durchführung wird der Dichtkonus gezogen, bis er drehmomentgesteuert die Endposition erreicht hat oder bis er in dem Fixierungsmittel einrastet und somit in seiner vorgesehenen abdichtenden Position gehalten wird. Durch das Design des Dichtkonus ist die Fläche des Dichtkonus zugewandt zur Innenseite des Druckbehälters (großer Druck) größer als die Fläche des Dichtkonus zugewandt zur Außenseite des Druckbehälters (geringer Druck, z.B. Normaldruck). Die Differenz der Flächen multipliziert mit dem Gasdruck erzeugt eine dem Druck proportionale Kraft in Richtung der Dichtwirkung, somit erzeugt der Gasdruck eine höhere Dichtwirkung bei höherem Druck. Die erfindungsgemäße Polkappe mit Druckanschlusselement ist somit redundant gegen Undichtigkeiten.
In einer Ausführungsform verjüngt sich die Innenkontur zumindest in einem
Bereich der Durchführung konusförmig nach außen entlang der Durchführung, wobei die konusförmige Innenkontur auf den konusförmigen zweiten Abschnitt angepasst ist. Somit wird der Kraftschluss zwischen Dichtkonus und Innenkontur bessert, was die Dichtwirkung und den Sitz des Dichtkonus in der halsformigen Durchführung verbessert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dazu die konusförmige Innenkontur dazu passgenau auf die Konusform des zweiten Abschnitts des Dichtkonus angepasst. Diese angepasste konusförmige
Innenkontur ermöglicht es, dass ein entsprechend an die Form dieser Innenkontur angepasster Dichtkonus von der Innenseite der Polkappe in die Durchführung eingeführt werden kann, was zu einer weiteren Verbesserung führt.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die konusförmige Innenkontur der
Durchführung von der Innenseite bis zum Halsende auf der Außenseite. Ein entsprechend auf die Ausdehnung der Innenkontur angepasst ausgeformter Dichtkonus besitzt somit eine größere Kontaktfläche mit der Innenkontur, was die Andruckkraft des Dichtkonus auf die Innenkontur auf eine größere Fläche verteilt und somit die Flächenpressung pro Flächeneinheit und damit die Gefahr eines Wegfließens des Kunststoffmaterials der halsformigen Durchführung noch weiter verringert. In einer weiteren Ausführungsform ragt der Dichtkonus mit seinem zweiten
Abschnitt aus der Durchführung über die Innenseite hinaus. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Zugmutter von Außen auf den Dichtkonus aufschrauben, was die Montage des Dichtkonus in der halsformigen Durchführung erleichtert. In einer weitere Ausführungsform umfasst die Polkappe des Weiteren ein
Aufsatzelement zum Aufsetzen auf die halsförmige Durchführung, wobei das Aufsatzelement einen ersten Kontaktbereich, der sich flächenförmig in radialer Richtung von der halsformigen Durchführung entlang der Außenseite erstreckt und an die Kontur der Außenseite angepasst und zur Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial vorgesehen ist, und einen zweiten Kontaktbereich umfasst, dessen Innenform an eine Außenform der halsformigen Durchführung so angepasst ist, dass der zweite Kontaktbereich eine Verformung der Außenform der halsformigen Durchführung in radialer Richtung verhindert. Die Polkappe mit Aufsatzelement wird nach Montage des Aufsatzelements auf der halsförmigen Durchführung auf dieselbe Art und Weise mit Faserverbundmaterial überwickelt, wie die erfindungsgemäße Polkappe ohne ein solches Aufsatzelement. Die radiale Richtung bezeichnet hierbei die vom Zentrum der Durchführung wegweisende Richtung. Bei zylindrischen Druckbehältern sind die Polkappen ebenfalls von ihrem Umfang her kreisförmig ausgestaltet. In der Regel ist das Anschlusselement im Zentrum der Polkappe angeordnet, wodurch die radiale Richtung mit der radialen Richtung zur Symmetrieachse (Zylinderachse) des Druckbehälters zusammenfällt. Der erste Kontaktbereich des Aufsatzelement kann dabei auf die Außenseite aufgesetzt werden, die im Kontaktbereich für das Aufsatzelement besonders ausgestaltet ist , beispielsweise kann die Außenseite eine den
Kontaktbereich aufnehmende Vertiefung aufweisen, sodass die Polkappe mit Aufsatzelement dieselbe Außenform besitzt wie eine Polkappe, die nicht für eine zusätzliche Bestückung mit einem Aufsatzelement vorgesehen ist. Hiermit lassen sich auch weichere Kunststoffe wie Polyethylen als Material für die Polkappen bzw. den Innenbehälter des Druckbehälters einsetzen, weil bei der
erfindungsgemäßen Polkappe durch ihre Ausgestaltung die Dichtwirkung erhalten bleibt und man nicht Gefahr läuft, dass der Druckbehälter bei hohem Druck oder nach einer Vielzahl an Lastwechseln vorzeitig undicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Außenform der Durchführung am Halsende einen umlaufenden Rand, vorzugsweise ist der Rand eine planare Fläche senkrecht zur Längsrichtung der Durchführung beziehungsweise des späteren Druckbehälters. Hierbei überdeckt der zweite Kontaktbereich den umlaufenden Rand zumindest teilweise, sodass eine Verformung der Außenform der Durchführung zusätzlich auch senkrecht zur radialen Richtung verhindert ist.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der zweite Kontaktbereich des Weiteren entlang des ersten Abschnitts des Dichtkonus, wobei der erste Abschnitt eine geeignet angeordnete und um den ersten Abschnitt umlaufende Dichtung zum druckdichten Abdichten gegenüber dem zweiten Kontaktbereich des
Aufsatzelements umfasst. In einer weiteren Ausführungsform ist das von außen auf dem ersten Abschnitt angeordneten Fixierungsmittels eine auf den ersten Abschnitt aufgeschraubte Zugmutter, mit der der zweite Abschnitt zum druckdichten Abschluss in die
Innenkontur gezogen ist. Die Zugmutter kann dabei einerseits über ein Gewinde direkt oder indirekt am Dichtkonus befestigt sein und zieht andererseits direkt oder indirekt an der halsförmigen Durchführung, dass der Dichtkonus an die
Innenkontur der Durchführung gepresst wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Aufsatzelement des Weiteren einen dritten Bereich in Längsrichtung oberhalb des zweiten Kontaktbereichs, der eine dem ersten Abschnitt zugewandte Innenseite umfasst, wobei die Innenseite des dritten Bereichs so angeordnet ist, dass eine umlaufende Lücke zwischen der Innenseite und dem ersten Abschnitt des Dichtkonus in radialer Richtung gebildet wird, wobei die Lücke zur Aufnahme der Zugmutter vorgesehen und ausgestaltet ist. Die Längsrichtung bezeichnet hier die Richtung entlang der Durchführung von innen nach außen beziehungsweise die Richtung entlang der Zylinderachse des späteren Druckbehälters. Durch den dritten Bereich wird die Zugmutter vor äußeren mechanischen Belastungen geschützt. In einer weiteren Ausführungsform bildet der zweite Kontaktbereich einen
Auflagebereich für die Zugmutter aus, sodass zusätzlich das Aufsatzelement mittels der Zugmutter über den auf die halsförmige Durchführung drückenden Auflagebereich auf der Polkappe befestigt ist. Somit lässt sich das Aufsatzelement ebenfalls leicht auf der Polkappe befestigen und über seine formunterstützende Wirkung auf die halsförmige Durchführung aus.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Innenform des zweiten Kontaktbereichs des Aufsatzelements entlang des ersten Abschnitts des
Dichtkonus und besitzt in einem dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden Bereich eine Aussparung, in der das von außen auf dem ersten Abschnitt angeordneten Fixierungsmittels in Form eines elastischen Federrings angeordnet ist, und der erste Abschnitt des Dichtkonus eine auf den Federring angepasste Ring-Aussparung an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse umfasst, in die der Federring nach einem Hineinpressen des Dichtkonus in die Durchführung einrastet und so den Dichtkonus in dem druckdichten Presssitz in der Innenkontur fixiert. Die Fixierung des Dichtkonus mittels Federring in einer durch Federring und Ring-Aussparung definierten Position ermöglicht die einfache und schnelle Herstellung eines Presssitzes, der einen druckdichten Sitz des Dichtkonus in der Durchführung darstellt. Der Federring kann dabei aus üblichen Materialien für Federringe mit üblichen Verfahren hergestellt sein, wodurch der Federring seine übliche Elastizität besitzt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Aufsatzelement mit seinem zweiten Kontaktbereich auf die Außenform der halsformigen Durchführung aufgeschraubt, beispielsweise mittels eines selbstschneidenden Gewindes. Dadurch kann das Aufsatzelement unabhängig von einer später aufgeschraubten Zugmutter an der halsformigen Polkappe befestigt werden. Die möglicherweise zusätzliche
Befestigung des Aufsatzelements über Schraubverbindung und Andruck mittels Zugmutter erhöht die Sitzfestigkeit des Aufsatzelements an der halsformigen Durchführung der Polkappe. Hierbei sind in einer weiteren Ausführungsform das Aufsatzelement und die halsförmige Durchführung so ausgestaltet, dass das Aufsatzelement bis zum direkten Kontakt des ersten Kontaktbereichs auf der Außenseite von oben auf die halsförmige Durchführung aufgeschraubt ist.
Dadurch wird das Aufsatzelement sicher auf der Außenseite positioniert und es ist für den Monteur einfach zu erkennen, ob die Positionierung korrekt ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial zumindest der halsformigen Durchführung der Polkappe ein weiches Kunststoffmaterial und der zweite Kontaktbereich des Aufsatzelements ist mit einem Gewinde zum
selbstschneidenden Aufschrauben auf die Polkappe versehen. Dadurch wird eine Anordnung eines Gewindes auf der halsformigen Durchführung vermieden, was den Herstellungsaufwand verringert.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen faserverstärkter Druckbehälter umfassend einen Innenbehälter aus einem Kunststoffmaterial umfassend ein zylinderförmiges Mittelteil und zwei das Mittelteil jeweils auf beiden Seiten verschließende Polkappen und eine auf den Innenbehälter gewickelte
Außenschicht aus Faserverbundmaterial, wobei eine der Polkappen eine erfindungsgemäße Polkappe ist. Damit eine Füllung unter Druck in diesem Druckbehälter gespeichert werden kann, sind die Zylinderflächen des Mittelteils mit den Polkappen verschlossen. Bei einer halbkugelförmigen Geometrie der Polkappen würde ein Spannungsverhältnis von 2:1 zwischen Umfangsspannung (Spannung auf die Innenwand des zylindrischen Mittelteils) und axialer Spannung (Spannung auf die Deckelflächen) vorliegen, was den Randbereich zwischen Mittelteil und Polkappen stark beanspruchen würde. Diese
Geometriebetrachtungen gelten für alle Druckbehälter, auch für solche aus einem Innenbehälter und einer über den Innenbehälter gewickelten Außenschicht zur Verstärkung des Innenbehälters, beispielsweise mit einem Innenbehälter aus Kunststoff. Solche Behälter besitzen einerseits ein sehr geringes Gewicht, was beispielsweise für Anwendungen in Transportmitteln wichtig ist, und andererseits können Füllungen wie beispielsweise Wasserstoff unter hohem Druck verlustarm gespeichert werden, da Kunststoff eine sehr geringe Wasserstoffpermeabilität besitzt und die benötigte Festigkeit durch die Außenschicht aus
Faserverbundmaterial bereitgestellt wird. Der erfindungsgemäße Druckbehälter umfasst somit einen Innenbehälter mit Polkappen, die vorzugsweise als kuppelartige Polkappen mit einer von einer Halbkugel abweichenden Form, die im Deckel-Randbereich angrenzend an den zylindrischen Mittelteil des
Innenbehälters eine stärkere Krümmung gegenüber einer Halbkugeloberfläche ausgebildet sind, während der Zentralbereich der Polkappen eine geringere Krümmung gegenüber einer Halbkugeloberfläche aufweist. Mit dieser
kuppelartigen Polkappe kann der Steifigkeits- und Lastsprung und das dadurch verursachte Spannungsverhältnis zwischen Umfangsrichtung (Mittelteil) und axialer Richtung (Polkappenflächen) durch axial auf der Polkappe im
Zentralbereich angeordnete erste Fasern besonders gut aufgenommen werden. Eine solche besonders geeignete kuppeiförmige Polkappe wird auch als
Isotensoid bezeichnet. Ein Isotensoid bezeichnet dabei eine Form, die in einer darauf gewickelten Außenschicht aus einem Faserverbundmaterial eine konstante Spannung in den Fasern in allen Punkten des Faserverlaufs bewirkt. Ein Faserverbund material besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, hier aus Fasern, eingebettet in einem Matrixmaterial, das den festen Verbund zwischen den Fasern herstellt. Das Faserverbundmaterial kann dabei aus einer Faser oder aus mehreren Fasern gewickelt werden, wobei die Faser(n) in Kontakt zueinander eng nebeneinander gewickelt werden. Dadurch entsteht eine
Faserschicht, auf die die Fasern in weiteren Faserschichten gewickelt werden, bis das Faserverbundmaterial die gewünschte Dicke besitzt und eine entsprechende Faserlage mit dieser Dicke darstellt. In einer Ausführungsform umfassen die Faserlagen aus ersten und/oder weiteren Fasern, beispielsweise zweiten Fasern, jeweils mehrere Faserschichten. Durch den Verbund erhält das
Faserverbundmaterial höherwertige Eigenschaften, wie beispielsweise eine höher Festigkeit als jede der beiden einzelnen beteiligten Komponenten liefern könnte. Die Verstärkungswirkung der Fasern in Faserrichtung tritt ein, wenn das
Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung größer ist als das Elastizitätsmodul des Matrixmaterials, wenn die Bruchdehnung des Matrixmaterials größer ist als die Bruchdehnung der Fasern und wenn die Bruchfestigkeit der Fasern größer ist als die Bruchfestigkeit des Matrixmaterials. Als Fasern können Fasern aller Art, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Stahlfasern, Naturfasern oder synthetische Fasern, verwendet werden. Als Matrixmaterialien können beispielsweise Duromere, Elastomere oder Thermoplaste verwendet werden. Die Materialeigenschaften der Fasern und Matrixmaterialien sind dem Fachmann bekannt, so dass der Fachmann eine geeignete Kombination aus Fasern und Matrixmaterialien zur Herstellung des Faserverbundmaterials für die jeweilige Anwendung auswählen kann. Hierbei können einzelne Faserlagen im Faserverbundbereich eine einzelne Faser oder mehrere gleiche oder
unterschiedliche Fasern umfassen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Polkappe aus einem Kunststoffmaterial zum druckdichten Verschluss eines Druckbehälters umfassend die Schritte:
Bereitstellen der Polkappe mit einer Innenseite zum späteren Verschluss des Druckbehälters, einer Außenseite zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial nach Verschluss des Druckbehälters und einer halsförmigen aus der Außenseite nach außen herausragenden offene Durchführung mit einer Innenkontur zur nachfolgenden Einführung eines Dichtkonus als Teil eines Druckanschlusselements; Einführen eines Dichtkonus aus Metall von der Innenseite in die Durchführung, wobei der Dichtkonus einen ersten Abschnitt und einen sich zumindest im Bereich der Durchführung konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts verjüngenden zweiten Abschnitt umfasst, bis der erste Abschnitt nach außen aus der halsförmigen Durchführung herausragt;
Herstellen eines druckdichten Abschlusses zwischen Dichtkonus und Innenseite der Durchführung mittels von außen auf dem ersten
Abschnitt angeordneten Fixierungsmittels, das den Dichtkonus in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur hält.
Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine Polkappe mit einem
Anschlussstück für den Innenbehälter leicht herzustellen ist, die geeignet ist, übei die gesamte Lebensdauer leckdicht mit dem Innenbehälter (Liner) verbunden zu bleiben In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des
Aufsetzens eines Aufsatzelements auf die halsförmige Durchführung zur
Verhinderung einer Verformung der Außenform der Durchführung in radialer Richtung, wobei das Aufsatzelement einen ersten Kontaktbereich, der sich flächenförmig in radialer Richtung von der halsförmigen Durchführung entlang der Außenseite erstreckt und an die Kontur der Außenseite angepasst und zur
Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial vorgesehen ist, und einen zweiten Kontaktbereich mit einer an eine Außenform der halsförmigen Durchführung angepassten Innenform umfasst. In einer Ausführungsform des Verfahrens, wobei als das von außen auf dem ersten Abschnitt angeordnete Fixierungsmittels eine Zugmutter oder ein Federring ist, umfasst der Schritt des Herstellens des druckdichten Abschlusses einen der Schritt des Ausübens eines Zugs auf den Dichtkonus mittels der von außen auf den ersten Abschnitt aufgeschraubten Zugmutter, oder
Hineinpressens des Dichtkonus in die Durchführung , wobei der Dichtkonus im ersten Abschnitt eine auf den Federring angepasste Ring-Aussparung an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse umfasst, und nachfolgendes Einrasten des Federrings in die Ring-Aussparung des
Dichtkonus, wobei der Federring in eine Aussparung in der Innenform des zweiten Kontaktbereichs des Aufsatzelements, die sich entlang des ersten Abschnitts des Dichtkonus erstreckt, elastisch gehalten wird
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen faserverstärkten Druckbehälters umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines zylinderförmigen Mittelteils aus einem Kunststoffmaterial;
Bereitstellen von zwei Polkappen aus Kunststoffmaterial zum Verschließen des Mittelteils, wovon zumindest eine der Polkappen eine erfindungsgemäße
Polkappe ist;
Verschweißen der Polkappen umfassend die Polkappe mit bereits
angeschlossenem Druckanschlusselement mit dem Mittelteil zur Herstellung eines Innenbehälter aus Kunststoffmaterial; und
- Überwickeln des Innenteils mit Faserverbundmaterial zur Herstellung des faserverstärkten Druckbehälters.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen folgt gezeigt. eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polkappe mit
Druckanschlusselement;
eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polkappe mit Druckanschlusselement;
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbehälters mit einer erfindungsgemäßen Polkappe;
eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbehälters mit einer erfindungsgemäßen Polkappe;
Fig.5: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Polkappe; und
Fig.6: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Druckbehälters.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pol kappe 1 mit Druckanschlusselement 2 geeignet zum druckdichten Verschluss eines
Druckbehälters 100. Die Polkappe 1 umfasst dabei eine Innenseite 1 1 , die zum späteren Verschluss des Druckbehälters 100 dem Inneren des Druckbehälters zugewandt ist, eine Außenseite 12 vorgesehen zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial 3 nach Verschluss des Druckbehälters 100 und eine halsformige aus der Außenseite nach außen herausragende offene Durchführung 13 mit einer konusförmigen Innenkontur 13i in einem weiten Bereich zwischen Innenseite 1 1 und Außenseite 12, die sich nach außen entlang der Durchführung 13 in diesem Bereich verjüngt, jeweils aus Kunststoffmaterial. Die Polkappe 1 umfasst des Weiteren ein an die Durchführung 13 zum Verschluss der
Durchführung 13 angeschlossenes Druckanschlusselement 2, wobei das
Druckanschlusselement 2 einen Dichtkonus 21 aus Metall mit einem durch die Durchführung 13 nach außen herausragenden ersten Abschnitt 21 a und mit einem zumindest im Bereich der Durchführung 13 entsprechend an deren konusförmige Innenkontur 13i angepassten zweiten Abschnitt 21 b umfasst. Der Abschnitt 21 b weist eine zur Innenkontur 13i entsprechende äußere Konusform in Längsrichtung LR der Durchführung 13 mit einer kreisförmigen ersten Fläche A1 auf oder oberhalb der Innenseite 1 1 und eine kreisförmige zweite Fläche A2 zugewandt zur Außenseite 12 der Polkappe 1 auf, wobei in dieser
Ausführungsform die ersten und zweiten Flächen A1 und A2 senkrecht zur Längsrichtung der Durchführung 13 ausgerichtet sind. Der Dichtkonus 21 hat des Weiteren in seinem Inneren einen zylinderförmigen Durchlasskanal 21 D zur Befüllung des späteren Druckbehälters 100 mit Fluiden oder Gasen
beziehungsweise zum Ablassen derselben. Dadurch, dass die erste Fläche A1 größer ist als die zweite Fläche A2 und auf der ersten Fläche A2 der hohe Innendruck des Druckbehälters 100 anliegt, wird der Dichtkonus 21 entsprechend des Flächenverhältnisses zwischen erster und zweiter Fläche A1 , A2 bereits durch den Innendruck im Druckbehälter 100 in die konusformige Innenkontur 13i der Durchführung 13 gepresst, sodass eine gute Dichtwirkung zwischen Dichtkonus 21 und Durchführung 13 gewährleistet ist. Zusätzlich wird der Dichtkonus 21 mittels einer von außen auf den ersten Abschnitt 21 a aufgeschraubten Zugmutter 22z als das von außen auf dem ersten Abschnitt 21 a angeordneten
Fixierungsmittels 22 zum druckdichten Abschluss in die konusformige Innenkontur 13i gepresst, indem die Zugmutter am Halsende 13h der halsförmigen
Durchführung 13 auf den umlaufender Rand 13r der Durchführung 13 am
Halsende 13h drückt und dadurch den Dichtkonus 21 in die Durchführung 13 zieht. Durch die Zugmutter 22z wird ein fester Sitz des Dichtkonus 21 in der Durchführung 13 auch in den Stadium gewährleistet, wo die Polkappe noch nicht auf den Mittelteil des Innenbehälters geschweißt ist oder der spätere
Druckbehälter 100 noch nicht mit Innendruck beaufschlagt ist. Dazu ragt der Dichtkonus 21 mit seinem zweiten Abschnitt 21 b aus der Durchführung 13 über die Innenseite 1 1 hinaus, was die Montage der Zugmutter 22z erleichtert. Die Form der Zugmutter 22z und das entsprechende Gewinde 16 in zweiten
Abschnitte 21 b des Dichtkonus 21 kann von Fachmann geeignet ausgestaltet werden. Vorzugsweise kann sich dabei die konusformige Innenkontur 13i der Durchführung 13 auch von der Innenseite 1 1 bis zum Halsende 13h auf der Außenseite 12 erstrecken.
Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polkappe 1 mit Druckanschlusselement 2. In dieser Ausführungsform umfasst die Polkappe 1 zusätzlich zu der Polkappe aus Fig .1 des Weiteren ein Aufsatzelement 14, das auf die halsförmige Durchführung 13 aufgesetzt ist. Das Aufsatzelement 14 umfasst dabei einen ersten Kontaktbereich 14a, der sich flächenförmig in radialer Richtung von der halsförmigen Durchführung 13 entlang der Außenseite 12 erstreckt und an die Kontur der Außenseite 12 angepasst und zur Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial 3 vorgesehen ist. Die Außenseite 12 besitzt dazu eine Vertiefung, von der das Aufsatzelement 14 so aufgenommen wird, dass die Kontur der Außenseite 12 außerhalb der ersten Kontaktfläche 14a in dem Bereich mit dem ersten Kontaktbereich 14a auf der Außenseite 12 in Richtung der Durchführung 13 ohne Veränderung so fortgesetzt wird. Das Aufsatzelement 14 umfasst des Weiteren einen zweiten Kontaktbereich 14b zum überdecken der halsförmigen Durchführung entlang der Längsrichtung der Durchführung 13. Die Außenform der halsförmigen Durchführung 13 hat hier eine zylindrische Form um ihre die konusförmige Innenform 13i herum. Entsprechend besitzt auch die Innenform des zweiten Kontaktbereichs 14b ebenfalls eine zylindrische Form, die auf die Dimension der Außenform der Durchführung 13 angepasst ist, dass der zweite Kontaktbereich 14b eine Verformung der Außenform der halsförmigen Durchführung 13 in radialer Richtung RR verhindert. Zusätzlich umfasst in dieser Ausführungsform die Außenform der Durchführung 13 am Halsende 13h einen umlaufenden Rand 13r wobei der zweite Kontaktbereich 14b so ausgeformt ist, dass er den umlaufenden Rand 13r nach oben (senkrecht zur Längsrichtung) überdeckt, sodass eine Verformung der Außenform der Durchführung 13 auch senkrecht zur radialen Richtung RR verhindert ist. Der zweite Kontaktbereich 14b erstreckt sich des Weiteren entlang des ersten Abschnitts 21 a des Dichtkonus, wobei hier im ersten Abschnitt 21 a eine um den ersten Abschnitt 21 a umlaufende Dichtung 23, beispielsweise eine O-Ring-Dichtung, zum druckdichten Abdichten gegenüber dem zweiten Kontaktbereich 14b des Aufsatzelements 14 angeordnet ist. Das Aufsatzelement 14 umfasst hier des Weiteren einen dritten Bereich 14c angeordnet in Längsrichtung LR oberhalb des zweiten Kontaktbereichs 14b. Der dritte Bereich 14c umfasst eine dem ersten Abschnitt 21 a zugewandte Innenseite 14i, die eine umlaufende Lücke 15 zwischen der Innenseite 14i und dem ersten Abschnitt 21 a des Dichtkonus 21 in radialer Richtung RR definiert, damit in dieser Lücke 15 die Zugmutter 22z eines von außen auf dem ersten Abschnitt 21 a angeordneten Fixierungsmittels 22 auf dem Dichtkonus 21 angeordnet und auf diesen aufgeschraubt werden kann. Dabei bildet der zweite Kontaktbereich 14b unterhalb des dritten Bereichs 14c einen Auflagebereich 14z für die Zugmutter 22z, sodass zusätzlich das Aufsatzelement 14 mittels der Zugmutter 22z über den auf die halsförmige Durchführung 13 drückenden Auflagebereich 14z auf der Pol kappe 1 befestigt ist. Die Form der Zugmutter 22z und das entsprechende Gewinde 16 im zweiten Abschnitt 21 b des Dichtkonus 21 kann von Fachmann geeignet ausgestaltet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu gemäß anderer Ausführungsformen ist das Aufsatzelement 14 in dieser Ausführungsform mit seinem zweiten Kontaktbereich 14b auf die Außenform der halsformigen
Durchführung 13 aufgeschraubt, wobei das Aufsatzelement 14 hier bis zum direkten Kontakt des ersten Kontaktbereichs 14a mit der Außenseite 12 von oben auf die halsförmige Durchführung 13 aufgeschraubt ist. Hierbei kann für diese Aufschraubung der zweite Kontaktbereich 14b des Aufsatzelements 14 ein selbstschneidendes Gewinde 16 umfassen, sofern das Kunststoffmaterial zumindest der halsformigen Durchführung 13 der Polkappe 1 ein weiches
Kunststoffmaterial ist. In diesem Fall wäre an der halsformigen Durchführung 13 an ihrer Außenform kein Gewinde angeordnet. Falls das Kunststoffmaterial zum Selbstschneiden zu hart wäre, müssten sich entsprechende Gewinde sowohl an der Außenform der halsformigen Durchführung 13 als auch an der Innenform des zweiten Kontaktbereichs 14b angeordnet sein. Zum Ein- und Auslassen von Fluiden oder Gasen in/aus dem Druckbehälter hinein/hinaus ist auf dem
Dichtkonus 21 ein Ventilaufsatz angeordnet, der entsprechende Einlass- und/oder Auslassöffnungen, eine Bedienvorrichtung für die Einlass- und/oder
Auslassöffnungen und gegebenenfalls weitere Komponenten wie beispielsweise eine Druckanzeige umfassen kann. Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polkappe 1 mit Druckanschlusselement 2, wobei die in Fig.2 gezeigte Zugmutter 22z als das Fixierungselement 22 hier durch einen Federring 22f ersetzt wurde. Hierbei erstreckt sich ebenfalls die Innenform des zweiten Kontaktbereichs 14b des Aufsatzelements 14 entlang des ersten Abschnitts 21 a des Dichtkonus 21 und besitzt in einem dem ersten Abschnitt 21 a gegenüberliegenden Bereich eine Aussparung 14d, in der das von außen auf dem ersten Abschnitt 21 a
angeordneten Fixierungsmittels 22 in Form eines elastischen Federrings 22f (schwarzer Kreis) angeordnet ist. Der erste Abschnitt 21 a des Dichtkonus 21 umfasst eine auf den Federring 22f angepasste Ring-Aussparung 21 e (hier vollständig durch den Federring 22f ausgefüllt) an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse LR, in die der Federring 22f nach einem
Hineinpressen des Dichtkonus 21 entlang der Längsachse LR in die Durchführung 13 einrastet und so den Dichtkonus 21 in dem hier gezeigten druckdichten Presssitz in der Innenkontur 13i fixiert. Zusätzlich ist hier wie in Fig.2 ein Dichtring 23 angeordnet. Für Details zum Dichtring wird auf Fig.2 verwiesen.
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbehälters 100 mit einer erfindungsgemäßen Polkappe 1 . Der faserverstärkte Druckbehälter 100 umfasst dabei einen Innenbehälter 1 10 aus einem Kunststoffmaterial mit einem zylinderförmigen Mittelteil 120 und zwei jeweils auf beiden Seiten des Mittelteils 120 angeordnete Polkappen 1 , 1 ', die das Mittelteil 120 auf beiden Seiten verschließen. Da sowohl das Mitteilteil 120 als auch die Polkappen 1 , 1 ' aus Kunststoffmaterial hergestellt sind, können die Polkappen 1 , 1 ' mit üblichen
Schweißverfahren druckdicht mit dem Mittelteil 120 verbunden werden, damit der Innenbehälter 1 10 vollständig hergestellt ist. Auf den Innenbehälter 1 10 ist nach dessen Herstellung eine Außenschicht aus Faserverbundmaterial 3 gewickelt, um den Innenbehälter 1 10 für die gewünschte Anwendung so zu verstärken, dass der resultierende Druckbehälter 100 die notwendige Festigkeit gegen
Druckbelastungen besitzt.
Fig.5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polkappe 1 . Für die detailspezifische
Ausführung der Polkappe ist auch auf die Figuren 1 bis 3 verwiesen. Das
Verfahren 200 umfasst die Schritte des Bereitstellens 210 der Polkappe 1 mit einer Innenseite 1 1 zum späteren Verschluss des Druckbehälters 100, einer Außenseite 12 zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial 3 nach
Verschluss des Druckbehälters 100 und einer halsförmigen aus der Außenseite 12 nach außen herausragenden offene Durchführung 13 mit einer Innenkontur 13i zur nachfolgenden Einführung eines Dichtkonus 21 als Teil eines
Druckanschlusselements 2; des Einführens 220 eines Dichtkonus 21 aus Metall von der Innenseite 13i in die Durchführung 13, wobei der Dichtkonus 21 einen ersten Abschnitt 21 a und einen sich zumindest im Bereich der Durchführung 13 konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts 21 a verjüngenden zweiten
Abschnitt 21 b umfasst, bis der erste Abschnitt 21 a nach außen aus der
halsförmigen Durchführung 13 herausragt; und des Herstellens 260 eines druckdichten Abschlusses zwischen Dichtkonus 21 und Innenseite 13i der Durchführung 13 mittels von außen auf dem ersten Abschnitt 21 a angeordneten Fixierungsmittels 22, das den Dichtkonus in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur 13i hält. Hierbei kann das Verfahren 200 in einer Ausführungsform den weiteren Schritt des Aufsetzens 230 eines Aufsatzelements 14 auf die halsförmige Durchführung 13 zur Verhinderung einer Verformung der Außenform der Durchführung 13 in radialer Richtung RR umfassen, wobei das
Aufsatzelement 14 einen ersten Kontaktbereich 14a, der sich flächenförmig in radialer Richtung von der halsförmigen Durchführung 13 entlang der Außenseite
12 erstreckt und an die Kontur der Außenseite 12 angepasst und zur
Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial 3 vorgesehen ist, und einen zweiten Kontaktbereich 14b mit einer an eine Außenform der halsförmigen Durchführung
13 angepassten Innenform umfasst. Wenn das von außen auf dem ersten
Abschnitt 21 a angeordnete Fixierungsmittels 22 eine Zugmutter 22z oder ein Federring ist 22f, kann dabei der Schritt des Herstellens 240 des druckdichten Abschlusses einen der Schritt des Ausübens 240 eines Zugs auf den Dichtkonus 21 mittels der von außen auf den ersten Abschnitt 21 a aufgeschraubten
Zugmutter 22z, oder des Hineinpressens 250 des Dichtkonus 21 in die
Durchführung 13, wobei der Dichtkonus 21 im ersten Abschnitt 21 a eine auf den Federring 22f angepasste Ring-Aussparung 21 e an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse LR umfasst, und ein nachfolgendes Einrasten 255 des Federrings 22f in die Ring-Aussparung 21 e des Dichtkonus 21 , wobei der Federring 22f in eine Aussparung 14d in der Innenform des zweiten
Kontaktbereichs 14b des Aufsatzelements 14, die sich entlang des ersten
Abschnitts 21 a des Dichtkonus 21 erstreckt, elastisch gehalten wird, umfassen.
Fig.6 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Druckbehälters 100 umfassend die Schritte des Bereitstellens 310 eines zylinderförmigen Mittelteils 21 aus einem Kunststoffmaterial, des Bereitstellens 320 von zwei Polkappen 1 , 1 ' aus Kunststoffmaterial zum Verschließen des Mittelteils 120, wovon eine der Polkappen 1 , 1 ' eine erfindungsgemäße Polkappe 1 ist, des Verschweißens 330 der Polkappen 1 , 1 ' umfassend die Polkappe 1 mit bereits angeschlossenem Druckanschlusselement 2 mit dem Mittelteil 120 zur Herstellung eines Innenbehälters 1 10 aus Kunststoffmaterial, und des Überwickelns 340 des Innenbehälters 1 10 mit Faserverbundmaterial 3 zur Herstellung des
faserverstärkten Druckbehälters 100. Hierbei werden vorzugsweise alle Flächen des Innenbehälters 1 10 mit Ausnahme des Druckanschlusselements 2 mit Faserverbundmaterial 3 überwickelt. Das Schweißverfahren zur Herstellung des Innenbehälters 1 10 (Kunststoffliner) zeichnet sich dadurch aus, dass es sich sowohl für kleine, mittlere und große Stückzahlen eignet, weil die Vorprodukte extrudiertes Rohr (Mitteilteil 120) und spritzgegossene Polkappen 1 sehr einfach und kostengünstig herzustellen sind. Besonders geeignet ist dieses Verfahren 200 dadurch, dass sich nur bei diesem Verfahren Druckanschlusselemente 2 (oder Ventilelemente) von beiden Seiten 1 1 , 12 der Polkappe 1 montieren lassen, wie es bei den anderen Verfahren nicht möglich ist. Dies kann vor dem
Schweißprozess durchgeführt werden, solange noch beide Seiten 1 1 , 12 der Pol kappe 1 frei zugänglich sind, was bei den anderen Verfahren (Rotomoulding oder Schlauchblasverfahren) nicht oder nur durch die Durchführung 13
(Polkappenöffnung) möglich ist.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.
Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 , Γ Polkappe
1 1 Innenseite der Polkappe
12 Außenseite der Polkappe
13 halsförmig aus der Außenseite herausragende Durchführung
13i Innenkontur der Durchführung
13h Halsende der halsförmigen Durchführung
13r umlaufender Rand am Halsende
14 Aufsatzelement
14a erster Kontaktbereich des Aufsatzelements
14b zweiter Kontaktbereich des Aufsatzelements
14z Auflagebereich des zweiten Kontaktbereichs für die Zugmutter
14c dritter Bereich des Aufsatzelements
14d Aussparung in der Innenkontur des zweiten Kontaktbereichs
14i Innenseite des dritten Bereichs des Aufsatzelements
15 Lücke zwischen der Innenseite 14i und dem ersten Abschnitt 21 a
16 Gewinde (für Aufsatzelement oder Zugmutter)
2 Druckanschlusselement
21 Dichtkonus
21 a erster Abschnitt der Dichtkonus
21 b zweiter Abschnitt der Dichtkonus
21 D Durchlasskanal im Dichtkonus
21 e Ring- Aussparung im ersten Abschnitt des Dichtkonus
22 Fixierungsmittel
22f Federring als das Fixierungsmittel
22z Zugmutter als das Fixierungsmittel
23 Dichtung
24 Ventilaufsatz
3 Außenschicht aus Faserverbundmaterial
100 erfindungsgemäßer Druckbehälter
1 10 Innenbehälter
120 zylinderförmiges Mittelteil des Innenbehälters 200 Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polkappe
210 Bereitstellen der Polkappe
220 Einführen des Dichtkonus in die Durchführung
230 Aufsetzens eines Aufsatzelements auf die halsförmige Durchführung 240 Ausübens eines Zugs auf den Dichtkonus mittels der von außen auf den ersten Abschnitt aufgeschraubten Zugmutter
250 Hineinpressens des Dichtkonus in die Durchführung
255 nachfolgendes Einrasten des Federrings in die Ring-Aussparung des
Dichtkonus
260 Herstellen eines druckdichten Abschlusses zwischen Dichtkonus und
Innenseite der Durchführung
300 Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen faserverstärkten Druckbehälters
310 Bereitstellen eines zylinderförmigen Mittelteils aus einem
Kunststoffmaterial
320 Bereitstellen von zwei Polkappen aus Kunststoffmaterial
330 Verschweißen der Polkappen mit dem Mittelteil
340 Überwickeln des Innenteils mit Faserverbundmaterial A1 erste Fläche des Dichtkonus zur Innenseite 1 1 hin,
A2 zweite Fläche des Dichtkonus zur Außenseite 12 hin
FVM Faserverbundmaterial
LR Längsrichtung
RR radiale Richtung
Z Zylinderachse des zylindrischen Mittelteils

Claims

Patentansprüche
1 . Eine Polkappe (1 ) zum druckdichten Verschluss eines Druckbehälters (100), wobei die Polkappe (1 ) eine Innenseite (1 1 ) zum späteren Verschluss des Druckbehälters (100), eine Außenseite (12) zur Überwicklung mit einem
Faserverbundmaterial (3) nach Verschluss des Druckbehälters (100) und eine halsförmige aus der Außenseite nach außen herausragende offene Durchführung (13) mit einer Innenkontur (13i), jeweils aus Kunststoffmaterial umfasst, und ein an die Durchführung (13) zum Verschluss der
Durchführung (13) angeschlossenes Druckanschlusselement (2) umfasst, wobei das Druckanschlusselement (2) einen Dichtkonus (21 ) aus Metall mit einem durch die Durchführung (13) nach außen herausragenden ersten Abschnitt (21 a) und mit einem sich zumindest im Bereich der Durchführung (13) konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts (21 a) verjüngenden zweiten Abschnitt (21 b) umfasst, der mittels eines von außen auf dem ersten
Abschnitt (21 a) angeordneten Fixierungsmittels (22) in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur (13i) gehalten wird.
2. Die Polkappe (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Innenkontur (13i) zumindest in einem Bereich der
Durchführung (13) konusförmig nach außen entlang der Durchführung (13) verjüngt, wobei die konusförmige Innenkontur (13i), vorzugsweise
passgerecht, auf den konusförmigen zweiten Abschnitt (21 b) angepasst ist, vorzugsweise erstreckt sich die konusförmige Innenkontur (13i) der
Durchführung (13) von der Innenseite (1 1 ) bis zum Halsende (13h) auf der Außenseite (12).
3. Die Polkappe (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dichtkonus (21 ) mit seinem zweiten Abschnitt (21 b) aus der Durchführung (13) über die Innenseite (1 1 ) hinausragt.
4. Die Polkappe (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Pol kappe (1 ) des Weiteren ein Aufsatzelement (14) zum Aufsetzen auf die halsförmige Durchführung (13) umfasst, wobei das Aufsatzelement (14) einen ersten Kontaktbereich (14a), der sich flächenförmig in radialer
Richtung von der halsförmigen Durchführung (13) entlang der Außenseite (12) erstreckt und an die Kontur der Außenseite (12) angepasst und zur Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial (3) vorgesehen ist, und einen zweiten Kontaktbereich (14b) umfasst, dessen Innenform an eine Außenform der halsförmigen Durchführung (13) so angepasst ist, dass der zweite
Kontaktbereich (14b) eine Verformung der Außenform der halsförmigen Durchführung (13) in radialer Richtung (RR) verhindert.
5. Die Polkappe (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenform der Durchführung (13) am Halsende (13h) einen umlaufenden Rand (13r) umfasst und der zweite Kontaktbereich (14b) den umlaufenden Rand (13r) zumindest teilweise überdeckt, sodass eine Verformung der Außenform der Durchführung (13) auch senkrecht zur radialen Richtung (RR) verhindert ist.
6. Die Polkappe (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der zweite Kontaktbereich (14b) des Weiteren entlang des ersten Abschnitts (21 a) des Dichtkonus (21 ) erstreckt, wobei der erste Abschnitt
(21 a) eine geeignet angeordnete und um den ersten Abschnitt (21 a) umlaufende Dichtung (23) zum druckdichten Abdichten gegenüber dem zweiten Kontaktbereich (14b) des Aufsatzelements (14) umfasst.
7. Die Polkappe (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das von außen auf dem ersten Abschnitt (21 a) angeordneten
Fixierungsmittels (22) eine auf den ersten Abschnitt (21 a) aufgeschraubte Zugmutter (22z) ist, mit der der zweite Abschnitt (21 b) zum druckdichten Abschluss in die Innenkontur (13i) gepresst ist.
8. Die Polkappe (1 ) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufsatzelement (14) des Weiteren einen dritten Bereich (14c) in Längsrichtung (LR) oberhalb des zweiten Kontaktbereichs (14b) umfasst, der eine dem ersten Abschnitt (21 a) zugewandte Innenseite (14i) umfasst, wobei die Innenseite (14i) des dritten Bereichs (14c) so angeordnet ist, dass eine umlaufende Lücke (15) zwischen der Innenseite (14i) und dem ersten
Abschnitt (21 a) des Dichtkonus (21 ) in radialer Richtung (RR) gebildet wird, wobei die Lücke (15) zur Aufnahme der Zugmutter (22) vorgesehen und ausgestaltet ist.
9. Die Polkappe (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Innenform des zweiten Kontaktbereichs (14b) des
Aufsatzelements (14) entlang des ersten Abschnitts (21 a) des Dichtkonus (21 ) erstreckt und diese in einem dem ersten Abschnitt (21 a)
gegenüberliegenden Bereich eine Aussparung (14d) besitzt, in der das von außen auf dem ersten Abschnitt (21 a) angeordneten Fixierungsmittels (22) in Form eines elastischen Federrings (22f) angeordnet ist, und der erste Abschnitt (21 a) des Dichtkonus (21 ) eine auf den Federring (22f) angepasste Ring-Aussparung (21 e) an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse (LR) umfasst, in die der Federring (22f) nach einem
Hineinpressen des Dichtkonus (21 ) in die Durchführung (13) einrastet und so den Dichtkonus (21 ) in dem druckdichten Presssitz in der Innenkontur (13i) fixiert.
10. Die Polkappe (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufsatzelement (14) mit seinem zweiten Kontaktbereich (14b) auf die Außenform der halsförmigen Durchführung (13) aufgeschraubt ist, vorzugsweise sind dabei das Aufsatzelement (14) und die halsförmige Durchführung (13) so ausgestaltet sind, dass das Aufsatzelement (14) bis zum direkte Kontakt des ersten Kontaktbereichs (14a) auf der Außenseite (12) von oben auf die halsförmige Durchführung (13) aufgeschraubt ist.
1 1 . Die Polkappe (1 ) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffmaterial zumindest der halsförmigen Durchführung (13) der Polkappe (1 ) ein weiches Kunststoffmaterial ist und der zweite
Kontaktbereich (14b) des Aufsatzelements (14) mit einem Gewinde (16) zum selbstschneidenden Aufschrauben auf die Polkappe (1 ) versehen ist.
12. Ein faserverstärkter Druckbehälter (100) umfassend einen Innenbehälter (1 10) aus einem Kunststoffmaterial umfassend ein zylinderförmiges Mittelteil (120) und zwei das Mittelteil (120) jeweils auf beiden Seiten verschließende
Polkappen (1 , Γ) und eine auf den Innenbehälter (1 10) gewickelte
Außenschicht aus Faserverbundmaterial (3), wobei eine der Polkappen (1 ) nach Anspruch 1 ausgestaltet ist. 13. Ein Verfahren (200) zur Herstellung einer Polkappe (1 ) aus einem
Kunststoffmaterial zum druckdichten Verschluss eines Druckbehälters (100) nach Anspruch 1 umfassend die Schritte
Bereitstellen (210) der Polkappe (1 ) mit einer Innenseite (1 1 ) zum späteren Verschluss des Druckbehälters (100), einer Außenseite (12) zur Überwicklung mit einem Faserverbundmaterial (3) nach Verschluss des Druckbehälters (100) und einer halsförmigen aus der Außenseite
(12) nach außen herausragenden offene Durchführung (13) mit einer Innenkontur (13i) zur nachfolgenden Einführung eines Dichtkonus (21 ) als Teil eines Druckanschlusselements (2);
- Einführen (220) eines Dichtkonus (21 ) aus Metall von der Innenseite
(13i) in die Durchführung (13), wobei der Dichtkonus (21 ) einen ersten Abschnitt (21 a) und einen sich zumindest im Bereich der Durchführung
(13) konusförmig in Richtung des ersten Abschnitts (21 a) verjüngenden zweiten Abschnitt (21 b) umfasst, bis der erste Abschnitt (21 a) nach außen aus der halsförmigen Durchführung (13) herausragt; Herstellen (260) eines druckdichten Abschlusses zwischen Dichtkonus (21 ) und Innenseite (13i) der Durchführung (13) mittels von außen auf dem ersten Abschnitt (21 a) angeordneten Fixierungsmittels (22), das den Dichtkonus in einem druckdichten Presssitz in der Innenkontur (13i) hält.
Das Verfahren (200) nach Anspruch 13 umfassend den weiteren Schritt des Aufsetzens (230) eines Aufsatzelements (14) auf die halsförmige
Durchführung (13) zur Verhinderung einer Verformung der Außenform der Durchführung (13) in radialer Richtung (RR), wobei das Aufsatzelement
(14) einen ersten Kontaktbereich (14a), der sich flächenförmig in radialer Richtung von der halsförmigen Durchführung (13) entlang der Außenseite (12) erstreckt und an die Kontur der Außenseite (12) angepasst und zur Überwicklung mit dem Faserverbundmaterial (3) vorgesehen ist, und einen zweiten Kontaktbereich (14b) mit einer an eine Außenform der halsförmigen Durchführung (13) angepassten Innenform umfasst.
15. Das Verfahren (200) nach Anspruch 14, wobei als das von außen auf dem ersten Abschnitt (21 a) angeordnete Fixierungsmittels (22) eine Zugmutter (22z) oder ein Federring ist (22f), umfasst der Schritt des Herstellens (240) des druckdichten Abschlusses einen der Schritt des
Ausübens (240) eines Zugs auf den Dichtkonus (21 ) mittels der von außen auf den ersten Abschnitt (21 a) aufgeschraubten Zugmutter
(22z), oder
Hineinpressens (250) des Dichtkonus (21 ) in die Durchführung (13), wobei der Dichtkonus im ersten Abschnitt (21 a) eine auf den Federring (22f) angepasste Ring-Aussparung (21 e) an einer darauf angepassten Position entlang der Längsachse (LR) umfasst, und nachfolgendes
Einrasten (255) des Federrings (22f) in die Ring-Aussparung des Dichtkonus, wobei der Federring (22f) in eine Aussparung (14d) in der Innenform des zweiten Kontaktbereichs (14b) des Aufsatzelements (14), die sich entlang des ersten Abschnitts (21 a) des Dichtkonus (21 ) erstreckt, elastisch gehalten wird
16. Ein Verfahren (300) zur Herstellung eines faserverstärkten Druckbehälters (100) nach Anspruch 12 umfassend die Schritte:
Bereitstellen (310) eines zylinderförmigen Mittelteils (21 ) aus einem Kunststoffmaterial;
Bereitstellen (320) von zwei Polkappen (1 , 1 ') aus Kunststoffmaterial zum Verschließen des Mittelteils (120), wovon zumindest eine der Polkappen (1 , 1 ') eine Polkappe (1 ) nach Anspruch 1 ist;
Verschweißen (330) der Polkappen (1 , Γ) umfassend die Polkappe (1 ) mit bereits angeschlossenem Druckanschlusselement (2) mit dem Mittelteil (120) zur Herstellung eines Innenbehälter (2) aus
Kunststoffmaterial; und
Überwickeln (340) des Innenbehälters (1 10) mit Faserverbundmaterial (3) zur Herstellung des faserverstärkten Druckbehälters (100).
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