DE102008059591B4

DE102008059591B4 - Behälter

Info

Publication number: DE102008059591B4
Application number: DE102008059591A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Müller
Original assignee: Xperion GmbH
Current assignee: Hexagon Technology AS
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: DE102008059591A1

Abstract

Behälter für ein druckbelastetes flüssiges oder gasförmiges Medium, bei dem:
– ein Kessel (1) aus einem nicht tragenden Kernbehälter und mit einem zylindrischen Abschnitt (2) gebildet ist, und
– Druckfestigkeit und eine Funktionstrennung hergestellt sind, indem auf den Kessel (1) eine Längsbandage, die aus einer ersten Bandage (3) aus in Kunstharz eingebetteten Verstärkungsfasern besteht, und eine Querbandage aufgebracht sind, die aus einer zweiten Bandage (4) aus in Kunstharz eingebetteten Verstärkungsfasern besteht,
wobei
– die erste Bandage (3) nur im Bereich des zylindrischen Abschnitts (2) auf den Kessel (1) gewickelt ist und dieser von den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verstärkungsfasern der ersten Bandage (3) radial umschlossen ist,
– die zweite Bandage (4)
– die erste Bandage (3) im Bereich des zylindrischen Abschnittes (2) radial außenseitig umschließt und
– die erste Bandage (3) vor einer mechanischen Beschädigung und Schlagbelastungen schützend ausgeführt ist,
– die...

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter für ein druckbelastetes flüssiges oder gasförmiges Medium. Derartige Behälter gelangen bei der Speicherung der druckbelasteten gasförmigen oder flüssigen Medien zur Anwendung.
Stand der Technik
Ein solcher Behälter ist aus der US 4 589 562 A bekannt. Er umfasst einen zylindrischen Zentralbereich und ist an den Stirnseiten durch kalottenförmige Böden verschlossen, die mit dem Zentralbereich verbunden sind. Um dabei eine verbesserte Druckfestigkeit zu erzielen, ist nur der Zentralbereich von einer Bandage aus Glasfilmenten radial umschlossen, die in Kunstharz eingebettet sind. Das hohe Gewicht wird für viele Anwendungen als wenig befriedigend angesehen.
Aus der DE 197 51 411 C1 ist ein Behälter bekannt, der in seinem Inneren einen blasgeformten Kessel ohne nennenswerte Festigkeit enthält, der von einer einzelnen Armierung aus in Kunstharz eingebetteten Fasern außenseitig umschlossen ist. Als Fasern werden Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- und Borfasern sowie Al2O3-Fasern und Gemische daraus erwähnt. Die einzelnen Faserarten haben voneinander abweichende Eigenschaften und auch eine unterschiedliche Bruchdehnung. Sie sind nach Art von Wicklungen auf den Kessel aufgebracht, der auch als Kunststoffliner bezeichnet wird, und in eine Kunststoffmatrix eingebettet, die aus Epoxid- oder Phenolharz bzw. aus Thermoplasten wie z. B. Polyamid, Polyäthylen oder Polypropylen besteht. Allen Ausbildungen ist gemein, dass die so erhaltene Armierung eine Festigkeit hat, die ausreicht, um den Kräften standzuhalten, die aus einer Druckbelastung des enthaltenen Gases oder der Flüssigkeit resultieren. Die Bruchdehnung ergibt sich vor allem aus den Eigenschaften und der Anordnung der jeweils enthaltenen Fasern. Eine Überlastung kann zum Bersten des Druckbehälters führen, was mit erheblichen Risiken verbunden sein kann. Die Risiken bestehen darin, dass der Behälter bei einer Überlastung plötzlich und unkontrollierbar bersten kann. Aufgrund dieses Versagensverhaltens ist es üblich, diese Behälter mit Faserverbundarmierung mit verhältnismäßig hohen Sicherheitsfaktoren zu belegen. Die Armierungen sind daher erheblich überdimensioniert, was ein hohes Gewicht zur Folge hat. Es werden neben Armierungen aus teuren, hochfesten Kohlenstofffasern auch kostengünstige Glasfasern eingesetzt. Das Problem der Überdimensionierung und des hohen Gewichtes wird dadurch nicht behoben.
Das Dokument DE 10 2006 038 713 A1 beschreibt einen druckfesten fluidbeaufschlagbaren Körper mit einem Grundkörper aus Stahl, einer den Grundkörper außenseitig umschließenden ersten Schicht und zumindest einer auf der ersten Schicht angeordneten zweiten Schicht. Die erste Schicht ist aus keramischen Faserverbundstoffen gebildet. Die zweite Schicht ist aus faserverstärktem Kunststoff und/oder faserverstärkter Keramik gebildet.
In dem Dokument DE 103 45 159 B4 wird ein Hochdrucktank mit einer zylindrischen Einlage aus einer Aluminiumlegierung und einer verstärkenden Faserschicht offenbart. Die Faseschicht umfasst eine innere Faserschicht, eine Zwischenfaserschicht und eine äußere Faserschicht.
Ein Hochdrucktank wird in dem Dokument DE 103 25 598 B4 beschrieben. Der Hochdrucktank ist mit einem zylindrischen Metallliner aus einer Aluminiumlegierung und einer Verstärkungsfaserschicht, welche die äußere Peripherie des Liners abdeckt, gebildet.
Das Dokument DE 695 30 126 T2 offenbart einen Druckbehälter und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der Druckbehälter umfasst eine Innenhülle und eine druckfeste Außenhülle aus faserverstärktem Kunststoff. Die Außenhülle ist mit mehreren Schichten gebildet.
Das Dokument US 3 112 234 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks mit einer Verstärkung. Ein faserartiges Material wird um den Tank gewickelt, um dessen Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen solchen Behälter derart weiter zu entwickeln, dass sich eine gut kontrollierbare Druckfestigkeit bei sparsamerem Materialeinsatz und einem geringeren Gewicht ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Behälter mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Weiterbildungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Die in radialer Richtung wirksamen Kräfte werden durch die hochfeste und dehnungsarme, erste Bandage aus in Kunstharz eingebetteten, hochfesten und hochsteifen Fasern aufgenommen, die so dimensioniert ist, dass die nötige Sicherheit gegen ein Bersten des Kessels parallel zur Längsachse gegeben ist. Die diesbezüglichen Erfordernisse sind sehr genau berechen- und kontrollierbar, was erlaubt, die nötige Sicherheit in radialer Richtung mit geringst möglichen Aufwand an Kosten, Werkstoff und Gewicht zu erzielen. Die hochfesten und hochsteifen Fasern können durch Kohlenstofffasern gebildet sein und sie sind gleichmäßig in Längsrichtung nur des zylindrischen Abschnittes verteilt angeordnet.
Die in Längsrichtung des Behälters wirksamen und auf den stirnseitigen Böden des Kessels lastenden Berstkräfte sind ebenfalls sehr genau berechenbar. Sie werden erfindungsgemäß von einer separat erzeugten, zweiten Bandage aufgefangen, die durch vergleichsweise weniger feste und weniger steife Fasern gebildet ist und die den gesamten Behälter und insbesondere auch die Böden bedeckt und umschließt. Die zweite Bandage kann aus kostengünstigen Glasfasern bestehen und ebenfalls so dimensioniert sein, dass die betriebsbedingt nur in Längsrichtung des Kessels auftretenden Kräfte mit der erforderlichen Sicherheit aufgenommen werden können. Die in dieser Richtung wirksamen Kräfte sind nach der Kesselformel nur halb so groß wie die in Umfangsrichtung des zylindrischen Abschnitts wirksamen Kräfte. Demgemäß resultieren aus des Funktionstrennung der Verstärkung des Kessels in Längs- und Umfangsrichtung deutlich verringerte Herstellkosten und ein deutlich vermindertes Gewicht des Behälters in Bezug auf die Gewährleistung der vorgeschriebenen Druckfestigkeit. Die in der zweiten Bandage enthaltenen Verstärkungsfasern sind gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet und verbinden primär nur die Böden miteinander und mit dem zylindrischen Abschnitt, an dem sie festgelegt sind.
Da die zweite Bandage die erste Bandage im Bereich des zylindrischen Abschnittes radial außenseitig übergreift, ergibt sich der weitere Vorteil, dass die aus dehnungsärmeren Verstärkungsfasern bestehende, erste Bandage zusätzlich in besonders guter Weise vor einer mechanischen Beschädigung geschützt wird, die sich beispielsweise beim Herabfallen ergeben kann.
Die Fasern der ersten und/oder der zweiten Bandage können in Fasersträngen enthalten und parallel zu einander verlaufend in die jeweilige Bandage eingebettet sein. Die Anzahl der Fasern in einem Faserstrang kann beliebig sein, typischerweise aber je nach Größe des Behälters 1 bis 50 betragen, die gemeinsam in Kunstharz getränkt, unter eine Vorspannung gesetzt und auf den Kessel aufgewickelt und so fixiert werden. Die Herstellung wird dadurch verbilligt.
Die Faserstränge der ersten Bandage (Quer- bzw. Umfangsbandage) sollen mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts einen Winkel von mindestens 70°, typischerweise aber mindestens 85° einschließen. Ihre enorme Zugfestigkeit kommt dadurch in einer besonders effektiven Weise in Umfangsrichtung zum Tragen.
Die Faserstränge der zweiten Bandage (Längsbandage) sollen mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts einen Winkel von nicht mehr 30°, typischerweise aber nicht mehr als 20° einschließen, um die Böden des Kessels besonders effektiv auf einander abzustützen und unverrückbar aneinander und dem zylindrischen Abschnitt festzulegen. Die Faserstränge der zweiten Bandage schließen mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts zweckmäßig einen Winkel von nicht mehr 10° ein.
Die erste und die zweite Bandage sind jeweils in sich mehrschichtig ausgebildet. Sie können zwischen den einzelnen Schichten, die aus dem Patentanspruch entsprechend orientierten Verstärkungsfasern bestehen, wenige Zwischenschichten aus Strukturfasern enthalten, die die Verstärkungsfasern unter einem steileren Winkel in Querrichtung überschneiden. Hierdurch wird die Eigenfestigkeit und damit die Handhabbarkeit der ersten und der zweiten Bandage verbessert.
Die Verstärkungsfasern der ersten und der zweiten Bandage sind zweckmäßig in radial übereinanderliegenden Schichten angeordnet, um das zur Aufnahme der aufzunehmenden Kräfte erforderliche Faservolumen zur Verfügung zu haben. Die in den radial aufeinander folgenden Schichten enthaltenen Verstärkungsfasern können sich unter einem kleinen Winkel überkreuzen, um die Strukturfestigkeit innerhalb der Bandagen zu verbessern.
Die Faserstränge der zweiten Bandage übergreifen zweckmäßig die Faserstränge der ersten Bandage und die einander gegenüberliegenden Stirnseiten oder Böden des Kessels zweckmäßig als eine in sich geschlossene, von radial verlaufenden Poren völlig freie Schicht. Der Kessel wird dadurch besonders gut geschützt.
Die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage sind zweckmäßig in artverwandte Kunstharze eingebettet und gemeinsam ausgehärtet. Das in beiden Bandagen enthaltene Kunstharz bildet hierdurch nach seiner Aushärtung eine kontinuierlich durchgehend aus gebildete Kunstharzmatrix, was wesentlich zur Erzielung einer guten Brauchbarkeit beiträgt.
Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage in Polyester-Kunstharz, Phenolharz und/oder in thermoplastische Kunststoffe eingebettet sind.
Der nichttragende Kessel kann aus einem thermoplastischen Kunststoff oder Metall bestehen. Er kann bei Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs kostengünstig im Blasformverfahren oder Rotationsformverfahren erzeugt sein. Metallische Kessel haben eine besonders gute Diffusionssicherheit. Sie eignen sich dadurch zur Speicherung von Wasserstoff und ähnlich diffusionskritischen Gasen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Sie wird nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Kessel eines Druckbehälters vor dem Anbringen der Bandagen.
2 den Kessel eines Druckbehälters nach 1 nach dem Anbringen der ersten Bandage.
3 den Kessel eines Druckbehälters nach 2 nach dem Anbringen der zweiten Bandage.
Ausführung der Erfindung:
1 zeigt den Kessel 1 eines Druckbehälters vor dem Anbringen der Bandagen. Ein solcher Behälter ist für ein druckbelastetes, flüssiges oder gasförmiges Medium bestimmt und kann z. B. in einem Land- oder Luftfahrzeug zur Anwendung gelangen.
Der darin enthaltene Liner Kessel 1 besteht aus einem Blasformteil aus thermoplastischem Kunststoff, beispielsweise aus Polyäthylen, und hat in allen Teilbereichen eine im wesentlichen übereinstimmende Wandstärke. Er lässt sich insbesondere in einer Massenproduktion sehr kostengünstig erzeugen. Der Kessel hat keine nennenswerte Druckfestigkeit. Er ist von einer Quer- und einer Längsbandage aus Verstärkungsfasern in den Druckbehälter integriert und druckfest gemacht.
Durch die Vorspannung der Verstärkungsfasern innerhalb der Längs- und Querbandage ist der Kessel 1 als solcher in Längs- und Umfangsrichtung von Zugspannungen völlig entlastet.
2 zeigt den Kessel 1 nach 1, bei dem nur der zentral angeordnete, zylindrische Abschnitt 2 von einer darauf aufgewickelten, ersten Bandage 3 aus sich in Umfangsrichtung des zylindrischen Abschnitts 2 erstreckenden Verstärkungsfasern radial umschlossen ist. Die Verstärkungsfasern sind in Kunstharz eingebettet.
3 zeigt den nächsten Arbeitsschritt bei der Herstellung des Druckbehälters. Zusätzlich zu der ersten Bandage 3 wird dabei eine zweite Bandage 4 aus in Kunstharz eingebetteten Verstärkungsfasern aufgebracht, so dass die Verstärkungsfasern der ersten Bandage 3 durch Kohlenstofffasern und die Verstärkungsfasern der zweiten Bandage 4 durch Glasfasern gebildet sind, wobei die Verstärkungsfasern der zweiten Bandage 4 die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 5 des Kessels 1 parallel zur Längsachse des zylindrischen Abschnittes 2 gemeinsam übergreifen und wobei die Verstärkungsfasern der ersten und der zweiten Bandage 3, 4 in Richtung ihres jeweiligen Verlaufs vorgespannt sind.
Die die Stirnseiten 5 des Kessels 1 begrenzenden Böden sind hierdurch unmittelbar und unverrückbar aneinander und an dem zylindrischen Zentralbereich festgelegt. Auch diese Faserstränge sind als Wicklung auf den Kessel angebracht. Sie schließen aber mit der Längsachse des Kessels 1 einen so flachen Winkel ein, dass keine nennenswerten Kräfte in Umfangsrichtung wirksam werden und dass durch die Schrägstellung der Verstärkungsfasern der zweiten Bandage keine nennenswerten Dehnungen in Längsrichtung verursacht sind.
Die zweite Bandage 4 übergreift die erste Bandage 3 im Bereich des zylindrischen Abschnittes 2 radial außenseitig. Sie besteht aus kostengünstigen Glasfasern mit vergleichsweise geringer Steifigkeit und hoher Dehnung, die zugleich die erste Bandage in einer besonders guten Weise vor einer mechanischen Beschädigung und vor eventuellen Schlagbelastungen schützt. Der Transport, die Montage und die Verwendung des Druckbehälters sind dadurch besonders unproblematisch.
Die Verstärkungsfasern der ersten und/oder der zweiten Bandage 3, 4 sind in Fasersträngen enthalten und parallel zu einander verlaufend in die jeweilige Bandage 3, 4 eingebettet.
Die Faserstränge der ersten Bandage 3 schließen mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts 2 einen Winkel von mindestens 70° ein.
Die Faserstränge der zweiten Bandage 4 schließen mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts 2 einen Winkel von nicht mehr 20°, vorteilhaft von nicht mehr als 10° ein. Sie werden dadurch maßgeblich unmittelbar in Längsrichtung des Druckbehälters wirksam.
Die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage 3, 4 sind in radial übereinanderliegenden Schichten angeordnet und überkreuzen einander in den radial aufeinanderfolgenden Schichten. Die Bandagen sind dadurch auch quer zu ihrer Hauptbelastungsrichtung eigenfest und formbeständig, was für den Fall einer unbeabsichtigten Beschädigung dazu beiträgt, die ursprüngliche Druckfestigkeit weiterhin aufrecht zu erhalten.
Die Faserstränge der zweiten Bandage 4 überdecken die Faserstränge der ersten Bandage 3 und zugleich die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 5 des Kessels 1 zumindest als eine in sich geschlossene, von radial verlaufenden Poren völlig freie Schicht gemeinsam. Der in mechanischer Hinsicht wenig beständige Kessel 1 aus thermoplastischem Kunststoff und die gegen Schlagbelastungen ähnlich empfindlichen Verstärkungsfasern der ersten Bandage 3 sind dadurch in ausgezeichneter Weise geschützt.
Die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage 3, 4 sind in artverwandte Kunstharze eingebettet und gemeinsam ausgehärtet. Sie sind dadurch im gebrauchsfertigen Behälter n eine homogene Kunststoffmatrix eingebettet, was die Handhabbarkeit und Festigkeit des Behälters insgesamt verbessert.
Die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage 3, 4 sind zweckmäßig in Polyester-Kunstharz einbettet. Nach dem Aufwickeln der mit dem unvernetzten Kunstharz imprägnierten Verstärkungsfasern auf den Kessel kann die so erhaltene Wicklung durch Trocken zunächst in sich stabilisiert und nachfolgend durch eine Erwärmung in einer Temperkammer durch chemische Vernetzung dauerhaft und irreversibel ausgehärtet werden. Der Behälter lässt sich dadurch auf vielen Gebieten problemlos zur Anwendung bringen.

Claims

Behälter für ein druckbelastetes flüssiges oder gasförmiges Medium, bei dem: – ein Kessel (1) aus einem nicht tragenden Kernbehälter und mit einem zylindrischen Abschnitt (2) gebildet ist, und – Druckfestigkeit und eine Funktionstrennung hergestellt sind, indem auf den Kessel (1) eine Längsbandage, die aus einer ersten Bandage (3) aus in Kunstharz eingebetteten Verstärkungsfasern besteht, und eine Querbandage aufgebracht sind, die aus einer zweiten Bandage (4) aus in Kunstharz eingebetteten Verstärkungsfasern besteht, wobei – die erste Bandage (3) nur im Bereich des zylindrischen Abschnitts (2) auf den Kessel (1) gewickelt ist und dieser von den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verstärkungsfasern der ersten Bandage (3) radial umschlossen ist, – die zweite Bandage (4) – die erste Bandage (3) im Bereich des zylindrischen Abschnittes (2) radial außenseitig umschließt und – die erste Bandage (3) vor einer mechanischen Beschädigung und Schlagbelastungen schützend ausgeführt ist, – die Verstärkungsfasern der ersten Bandage (3) – durch dehnungsärmere und – hinsichtlich der Gewährleistung einer vorgeschriebenen Druckfestigkeit so hochfeste und hochsteife Verstärkungsfasern gebildet sind, – die Verstärkungsfasern der zweiten Bandage (4) – durch vergleichsweise weniger feste und weniger steife Verstärkungsfasern gebildet sind und – einander gegenüberliegende Stirnseiten (5) des Kessels (1) parallel zur Längsachse des zylindrischen Abschnitts (2) außenseitig gemeinsam übergreifen und in Längsrichtung mit dem zylindrischen Abschnitt (2) und einander verpressen, und – die Verstärkungsfasern der ersten und der zweiten Bandage (3, 4) als Faserstränge in Richtung ihres Verlaufs vorgespannt sind.
Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfesten und hochsteifen Verstärkungsfasern der ersten Bandage (3) durch Kohlenstoff- und/oder hochfeste Glas-, Aramid-, Basaltfasern gebildet sind.
Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weniger festen und weniger steifen Verstärkungsfasern der zweiten Bandage (4) durch vergleichsweise weniger feste und weniger steife Glas-, Aramid-, Basalt- und/oder Polyesterfasern gebildet sind als die Verstärkungsfasern der ersten Bandage (3).
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern der ersten und/oder der zweiten Bandage (3, 4) in Fasersträngen enthalten und parallel zu einander verlaufend in die jeweilige Bandage (3, 4) eingebettet sind.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der ersten Bandage (3) mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts (2) einen Winkel von mindestens 70° einschließen.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der zweiten Bandage (4) mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts (2) einen Winkel von nicht mehr 30° einschließen.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der zweiten Bandage (4) mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts (2) einen Winkel von nicht mehr als 25° einschließen.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der zweiten Bandage (4) die Faserstränge der ersten Bandage (3) und zugleich die einander gegenüberliegenden Stirnseiten (5) des Kessels (1) zumindest als eine in sich geschlossene, von radial verlaufenden Poren völlig freie Schicht gemeinsam überdecken.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage (3, 4) in artverwandte Kunstharze eingebettet und so gemeinsam ausgehärtet sind.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstränge der ersten und der zweiten Bandage (3, 4) in Polyester-Kunstharz einbettet sind.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nichttragende Kessel (1) aus thermoplastischem Kunststoff oder Metall besteht.
Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bandage (3) den zylindrischen Abschnitt (2) in Längsrichtung beiderseits übergreifend im Bereich der Außenseite des Kessels (1) abgerundet in einen kalotteförmigen Boden des Kessels (1) auslaufend gestaltet und von der zweiten Bandage (4) unter Vermeidung einer sprunghaften Richtungsänderung durchgehend übergriffen ist.