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DE102010017413B4 - Druckbehälter zum Speichern eines Fluides - Google Patents

Druckbehälter zum Speichern eines Fluides Download PDF

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DE102010017413B4
DE102010017413B4 DE102010017413A DE102010017413A DE102010017413B4 DE 102010017413 B4 DE102010017413 B4 DE 102010017413B4 DE 102010017413 A DE102010017413 A DE 102010017413A DE 102010017413 A DE102010017413 A DE 102010017413A DE 102010017413 B4 DE102010017413 B4 DE 102010017413B4
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Dr. Kleschinski Michael
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zum Speichern eines Fluides, mit einem Kunststoffkernbehälter und einem auf den Kunststoffkernbehälter (1) aufgebrachten Außenmantel (6), der Außenmantel (6) aufweisend: eine erste faserverstärkte Armierung (4) mit einer oder mehreren gewickelten, erste Fasern enthaltenden Lagen (3; 7), die in ein erstes Matrixmaterial eingebettet sind, und eine zweite faserverstärkte Armierung (5), die in Bezug auf die erste Armierung (4) außen und mit einer oder mehreren gewickelten, zweite Fasern enthaltenden Lagen (13; 14; 15; 19) gebildet ist, wobei die zweiten Fasern wahlweise von den ersten Fasern verschieden und in ein zweites Matrixmaterial eingebettet sind, welches wahlweise vom ersten Matrixmaterial verschieden ist, und eine stoßabsorbierende Armierungsverdickung in einem Polkappenbereich (16), nämlich dem Übergangsbereich zwischen Stirnseite (8) und Umfang (2) des Kunststoffkernbehälters (1), und wahlweise benachbart hierzu, wobei die stoßabsorbierende Armierungsverdickung gebildet ist, indem ein oder mehrere polkappenverdickte, gewickelte Lagen (14; 15) in der ersten und/oder der zweiten Armierung (4, 5) mit einer stirnseitigen Öffnung gebildet sind, die größer als die stirnseitige Öffnung nicht polkappenverdickter, gewickelter Lagen (7, 13, 19) in der ersten und/oder der zweiten Armierung (4, 5) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zum Speichern eines Fluides, welcher mit einem Kunststoffkernbehälter und einem auf den Kunststoffkernbehälter aufgebrachten Außenmantel gebildet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Derartige Druckbehälter dienen zum Speichern flüssiger oder gasförmiger Medien, also Fluiden, die druckbelastet sind. Druckbehälter dieser Art sind beispielsweise aus den folgenden Dokumenten bekannt: DE 10 2006 001 052 A1 , DE 10 2006 043 582 B3 sowie DE 10 2007 011 211 B3 .
  • Es wurde vorgeschlagen, bei solchen Druckbehältern im Bereich sogenannter Polkappen, nämlich im Übergangsbereich zwischen Stirnseite und Umfang des Kunststoffkernbehälters, mit stoß- oder fallabsorbierenden Schutzelementen anzuordnen. Auf diese Weise sollen ungewünschte Schädigungen an dem Druckbehälter vermieden werden, wenn dieser umgestoßen wird oder herunterfällt. Hierbei soll der Schutz insbesondere bei einem Aufprallwinkel von etwa 45° zur Längsachse des Druckbehälters ausgebildet sein. Als Aufprall- oder Stoßschutz wurden Schutzkappen aus Kunststoffmaterial im Bereich der Polkappen vorgeschlagen (vgl. DE 197 51 411 C1 sowie US 5,476,189 ).
  • Weiterhin ist ein Druckbehälter aus dem Dokument US 5,429,845 bekannt.
  • Das Dokument DE 10 2005 053 245 A1 beschreibt einen Druckbehälter mit einen luftdichten Einsatz und einer Schale.
  • In dem Dokument DE 41 26 251 A1 wird eine Druckgasflasche beschrieben.
  • Das Dokument DE 697 37 236 T2 betrifft einen verstärkten Plastikcontainer.
  • Das Dokument EP 1 526 325 A2 beschreibt einen Gaszylinder mit einer Plastikhülle.
  • In dem Dokument US 7 032 769 B2 wird ein Druckbehälter beschrieben.
  • In dem Dokument US 4 438 858 A wird ein faserverstärkter Druckbehälter beschrieben.
  • Das Dokument US 6,145,692 offenbart einen Druckbehälter für ein Fluid. Bei einer Ausgestaltung des Druckbehälters ist eine äußere Lage aus einem faserverstärkten Kompositmaterial im Polkappenbereich verdickt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Druckbehälter zum Speichern eines Fluides mit einem Kunststoffkernbehälter und einem auf den Kunststoffkernbehälter aufgebrachten Außenmantel zu schaffen, bei dem ein Aufprall- und Stoßschutz auf eine fertigungstechnisch einfach herstellbare Art und Weise ausbildbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckbehälter zum Speichern eines Fluides nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Der vorgeschlagene Druckbehälter hat gegenüber dem Stand der Technik insbesondere den Vorteil, dass die Ausbildung des Stoß- und Aufprallschutzes im Bereich der Polkappen und wahlweise benachbart hierzu bei der Herstellung der faserverstärkten Armierungen stattfindet, als beim Herstellen der gewickelten Lagen. Es ist im Vergleich zum Stand der Technik nicht notwendig, in weiteren Herstellungsschritten zusätzlich Kunststoffelemente, beispielsweise geschäumte Kunststoffelemente, in den Außenmantel einzuarbeiten. Auf diese Weise wird der Herstellungsprozess für den Druckbehälter optimiert. Die stoßabsorbierende Armierungsverdickung erhöht die Wandstärke im zylindrischen Bereich des Druckbehälters. Hierdurch wird die Robustheit des Systems erhöht.
  • Die erste faserverstärkte Armierung kann in einer Ausgestaltung ausschließlich mit den ersten Fasern gebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Ausgestaltung vorsehen, dass in der zweiten faserverstärkten Armierung ausschließlich die zweiten Fasern verwendet werden. Das erste und das zweite Matrixmaterial können gleich oder verschieden sein. Zum Einsatz kommen bevorzugt thermoplastische oder duroplastische Harzsysteme, die zur Imprägnierung der jeweiligen Armierung dienen.
  • Es kann vorgesehen sein, die stoßabsorbierende Armierungsverdickung im Kopf- und/oder im Bodenbereich des Druckbehälters herzustellen. Es handelt sich dann also um eine einseitig oder beidseitig gebildete Armierungsverdickung am Druckbehälter. In einer Ausführungsform ist der Polkappenbereich im Kopf- und/oder Bodenbereich des Druckbehälters frei von weiteren stoß- oder fallabsorbierenden Elementen hergestellt. In dieser Ausführungsform wird der Stoß- oder Fallschutz also ausschließlich mit Hilfe der stoßabsorbierenden Armierungsverdickung auf Basis der polkappenverdickten, gewickelten Lagen gebildet.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem Halsbereich des Kunststoffkernbehälters in einer mit dem Innenraum des Kunststoffkernbehälters in Verbindung stehenden Öffnung ein Halsstück zum Verschließen und/oder Abdichten des Innenraums angeordnet ist, wobei die nicht polkappenverdickten, gewickelten Lagen wenigstens teilweise mit einem Kragen des Halsstückes überlappend und die eine oder die mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen mit dem Kragen des Halsstückes nicht überlappend gebildet sind. In einer Ausführungsform ist das Halsstück aus Metall. Die nicht polkappenverdickten, gewickelten Lagen, können bei einer Fortbildung der Erfindung mit dem Kragen des Halsstücks vollständig überlappend ausgeführt sein. Der Kragen kann zum Beispiel kegelstumpfförmig ausgebildet sein.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die eine oder die mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen ausschließlich in der zweiten Armierung gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform verfügt die erste Armierung nicht über polkappenverdickte, gewickelte Lagen.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die zweiten Fasern in der einen oder den mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen mit einem Winkel zwischen 25° und 65°, bevorzugt mit einem Winkel zwischen 35° und 55° zur Längsachse des Kunststoffkernbehälters angeordnet sind.
  • Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die ersten Fasern in den nicht polkappenverdickten, gewickelten Lagen mit einem Winkel zwischen 5° und 25° zur Längsachse des Kunststoffkernbehälters angeordnet sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Armierung und/oder die zweite Armierung mit wenigstens einer gewickelten Umfangslage gebildet sind, die entlang des Umfangs des Kunststoffkernbehälters hergestellt ist. Die gewickelte Umfangslage lässt die Stirnseiten des Kunststoffkernbehälters frei. Auf die wenigstens eine gewickelte Umfangslage können in einer Weiterbildung der Erfindung ein oder mehrere nicht polkappenverdickte, gewickelte Lagen aufgebracht sein.
  • Es kann vorgesehen sein, jeweils nur Glasfasern oder nur Kohlefasern in beiden Armierungen zu verwenden. Alternativ zur Glasfaser und/oder Kohlefaser können die folgenden Faserarten eingesetzt werden: Aramidfaser, Polyamidfasser, Polyesterfaser oder Basaltfaser.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine äußere gewickelte Lage der zweiten Armierung eine nicht polkappenverdickte, gewickelte Lage ist.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine innere gewickelte Lage der zweiten Armierung, welche die zweite Armierung zum Kunststoffkernbehälter hin abschließt, eine nicht polkappenverdickte, gewickelte Lage ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere polkappenverdickte, gewickelte Lagen direkt übereinander liegend gebildet sind.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Figur näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt einen Abschnitt eines Druckbehälters zum Speichern eines Fluides, also eines Gases oder einer Flüssigkeit, im Querschnitt. Auf einen Kunststoffkernbehälter 1, welcher auch als Liner bezeichnet wird, ist in einem Umfangsbereich 2 eine aus ersten Fasern gewickelte Umfangslage 3 aufgebracht. Bei der dargestellten Ausführungsform werden als erste Fasern Kohlefasern verwendet, die mit einem Winkel zwischen etwa 60° und etwa 90° zur Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt sind.
  • Die ersten Fasern der Umfangslage 3 sind in ein Matrixmaterial eingebettet, bei dem es sich um ein thermoplastisches oder duroplastisches Harzsystem handelt. Das Einbetten der gewickelten Fasern in das Matrixmaterial wird auch als Imprägnieren bezeichnet. Für die im Folgenden beschriebenen, weiteren gewickelten Lagen aus Fasern kann ein gleiches oder ein von dem Matrixmaterial der Umfangslage 3 verschiedenes Matrixmaterial eingesetzt werden, wobei auch hier thermoplastische oder duroplastische Harzsysteme zum Einsatz kommen.
  • Die Umfangslage 3 ist Bestandteil einer ersten faserverstärkten Armierung 4, die auf den Kunststoffkernbehälter 2 aufgebracht ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die erste faserverstärkte Armierung 4 zusammen mit einer zweiten faserverstärkten Armierung 5, die auf die erste faserverstärkte Armierung 4 aufgebracht ist, einen Außenmantel 6 auf dem Kunststoffkernbehälter 2.
  • Die erste faserverstärkte Armierung 4 ist nach der Figur weiterhin mit einer gewickelten Lage 7 hergestellt, die als sogenannte Kreuzlage ausgeführt und mit Kohlefasern gebildet ist, welche mit einem Winkel zwischen etwa 5° und etwa 25° zur Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt sind. Die gewickelte Lage 7 ist im Umfangsbereich 2 sowie im Stirnseitenbereich 8 des Druckbehälters bis hin zu einem Halsstück 9 gebildet. Das Halsstück 9, das aus Metall hergestellt ist, ist im Bereich einer Öffnung 10 des Kunststoffkernbehälters 1 angeordnet und dient zum Verschließen und/oder Abdichten des Innenraums 11 des Kunststoffkernbehälters 1. Hierbei überlappt die gewickelte Lage 7 der ersten Armierung vollständig mit einem Kragen 12 des Halsstücks 9. Das Halsstück 9 umfasst ein Ventil und bildet ein Metallteil mit dem Kragen 12. Die andere Seite des Druckbehälters (Bodenseite – nicht dargestellt) kann entweder identisch ausgeführt sein oder hat keine Öffnung, d. h. es ist kein Ventil eingesetzt. Trotzdem ist auch dann ein entsprechendes Halsstück gebildet.
  • Auf die gewickelte Lage 7 ist eine weitere Lage 13 gewickelt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Glasfasern hergestellt ist, die mit einem Winkel zwischen etwa 5° und etwa 25° zur Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt sind. Auch die weitere Lage 13 überlappt vollständig mit dem Kragen 12 des Halsstücks 9. Die weitere Lage 13 bildet eine zum Kunststoffkernbehälter 1 nächstliegende Schicht der zweiten faserverstärkten Armierung 5.
  • Auf die weitere Lage 13 sind gemäß der Figur in der zweiten faserverstärkten Armierung 5 zwei polkappenverdickte Lagen 14, 15 aufgebracht, die als Kreuzlagen ausgeführt und mit dem Kragen 12 des Halsstücks 9 nicht überlappen und im Bereich einer Polkappe 16 jeweils eine stoßabsorbierende Armierungsverdickung 17, 18 aufweisen, die auch steifigkeitserhöhend ausgeführt und gebildet ist, indem Glasfasern der polkappenverdickten Lagen 14, 15 mit einem Winkel zwischen etwa 25° und etwa 65°, bevorzugt zwischen etwa 35° und etwa 55° zur Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt sind.
  • Schließlich ist die zweite faserverstärkte Armierung 5 mit einer äußeren gewickelten Lage 19 aus Glasfasern hergestellt, die nicht polkappenverdickt ausgeführt ist und in welcher die verwendeten Glasfasern mit einem Winkel zwischen etwa 5° und etwa 25° zur Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt sind. Die äußere Lage 19 überlappt mit dem Kragen 12 des Halsstücks 9.
  • Mit Hilfe der Polverstärkungen ist gezielt ein Stoß- oder Fallschutz im Schulterbereich des Druckbehälters hergestellt.
  • Das dargestellte Ausführungsbeispiel sieht die Ausbildung polkappenverdickter, gewickelter Lagen ausschließlich in der zweiten faserverstärkten Armierung vor. In anderen Ausführungsbeispielen könne polkappenverdickte, gewickelte Lagen ausschließlich in der ersten Armierung oder sowohl in der ersten als auch in der zweiten Armierung vorgesehen sein. Die Figur zeigt den Kopfbereich des Druckbehälters. Ein vergleichbarer oder in anderer Weise ausgeführter Fall- oder Aufprallschutz kann auch im Bodenbereich des Druckbehälters, der ebenfalls über eine Öffnung verfügt oder geschlossen ist, vorgesehen sein, nämlich in dem dortigen Polkappenbereich.

Claims (10)

  1. Druckbehälter zum Speichern eines Fluides, mit einem Kunststoffkernbehälter und einem auf den Kunststoffkernbehälter (1) aufgebrachten Außenmantel (6), der Außenmantel (6) aufweisend: – eine erste faserverstärkte Armierung (4) mit einer oder mehreren gewickelten, erste Fasern, nämlich Kohlefasern, enthaltenden Lagen (3; 7), die in ein erstes Matrixmaterial eingebettet sind, – eine zweite faserverstärkte Armierung (5), die in Bezug auf die erste Armierung (4) außen und mit einer oder mehreren gewickelten, zweite Fasern, nämlich Glasfasern, Aramidfasern, Polyamidfasern, Polyesterfasern oder Basaltfasern, enthaltenden Lagen (13; 14; 15; 19) gebildet ist, wobei die zweiten Fasern von den ersten Fasern verschieden und in ein zweites Matrixmaterial eingebettet sind, und – eine stoßabsorbierende Armierungsverdickung in einem Polkappenbereich (16), nämlich dem Übergangsbereich zwischen Stirnseite (8) und Umfang (2) des Kunststoffkernbehälters (1), wobei – die stoßabsorbierende Armierungsverdickung gebildet ist, indem ein oder mehrere polkappenverdickte, gewickelte Lagen (14; 15), die im Polkappenbereich (16) verdickt sind, in der zweiten Armierung (5) mit einer stirnseitigen Öffnung gebildet sind, – die stirnseitige Öffnung der einen oder der mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen (14; 15) größer als die stirnseitige Öffnung nicht polkappenverdickter, gewickelter Lagen (7, 13, 19) in der ersten und/oder der zweiten Armierung (4, 5) ist und – sich die eine oder die mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen (14; 15) vom Umfang (2) über den Polkappenbereich (16) bis auf die Stirnseite (8) des Kunststoffkernbehälters (1) erstreckt.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Halsbereich des Kunststoffkernbehälters (1) in einer mit dem Innenraum (11) des Kunststoffkernbehälters (1) in Verbindung stehenden Öffnung (10) ein Halsstück (9) zum Verschließen und/oder Abdichten des Innenraums (11) angeordnet ist, wobei die nicht polkappenverdickten, gewickelten Lagen (7, 13, 19) wenigstens teilweise mit einem Kragen (12) des Halsstückes (9) überlappend und die eine oder die mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen (14; 15) mit dem Kragen (12) des Halsstückes (9) nicht überlappend gebildet sind.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen (14; 15) ausschließlich in der zweiten Armierung (5) gebildet sind.
  4. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Fasern in der einen oder den mehreren polkappenverdickten, gewickelten Lagen (14; 15) mit einem Winkel zwischen 25° und 65°, bevorzugt mit einem Winkel zwischen 35° und 55° zur Längsachse des Kunststoffkernbehälters (1) angeordnet sind.
  5. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Fasern in den nicht polkappenverdickten, gewickelten Lagen (7, 13, 19) mit einem Winkel zwischen 5° und 25° zur Längsachse des Kunststoffkernbehälters (1) angeordnet sind.
  6. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Armierung (4) und/oder die zweite Armierung (5) mit wenigstens einer gewickelten Umfangslage gebildet sind, die entlang des Umfangs (2) des Kunststoffkernbehälters (1) hergestellt ist.
  7. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Fasern Kohlefasern und die zweiten Fasern Glasfasern sind.
  8. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere gewickelte Lage (19) der zweiten Armierung (5) eine nicht polkappenverdickte, gewickelte Lage ist.
  9. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere gewickelte Lage (7) der zweiten Armierung (5), welche die zweite Armierung (5) zum Kunststoffkernbehälter (1) hin abschließt, eine nicht polkappenverdickte, gewickelte Lage ist.
  10. Druckbehälter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere polkappenverdickte, gewickelte Lagen (14, 15) direkt übereinander liegend gebildet sind.
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