DE2152123B2

DE2152123B2 - Druckbehälter

Info

Publication number: DE2152123B2
Application number: DE19712152123
Authority: DE
Inventors: Karl 3500 Kassel Grebe
Original assignee: ELEKTRISCHE LICHT- und KRAFTANLAGEN AG 3579 FRIELENDORF
Current assignee: ELEKTRISCHE LICHT- und KRAFTANLAGEN AG 3579 FRIELENDORF
Priority date: 1971-10-20
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1973-12-13
Also published as: DE2152123A1; DE2152123C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter, insbesondere Druckgasbehälter, bestehend aus einem formstabilen, rotationssymmetrischen, gasdichten und in seinem mittleren Bereich zylindrischen Innenbehälter, zwei von außen auf die Boden des Innenbehälter koaxial aufgesetzten Polstükken und einem auf den Innenbehälter unter Erfassung der Polstücke gewickelten, aus Endlosfäden und aushärtendem Kunststoff laminierten Außenmantel, wobei ein Boden des lnnenbehälters und das mit einem flanschförmigen Teil darauf aufgesetzte Polstück mit einer Öffnung zum dichten Anschluß eines Ventils od. dgl. versehen sind und der Innenbehälter an seinem Öffnungsrand einen angeformten, axial nach außen gerichteten und zylindrischen Hals aufweist, dessen Kontur mit der des Polstücks übereinstimmt, und der durch axial gegeneinander verspannbare, mit dem Polstück durch Schraubverbindungen zusammenhängende Teile radial gegen das Polstück gepreßt wird.

Derartige Druckbehälter werden im sogenannten Filament-winding-Verfahren hergestellt, bei welchem der als Stützkörper dienende Innenbehälter mit den aufgesetzten Polstücken um seine Mittelachse gedreht wird und mit einem aushärtenden Kunststoff, z. B. einem Epoxidharz, benetzte Endlc~fäden, vorzugsweise Glasseidenfäden, mittels eines achsparallel changierend bewegten Fadenführers auf den Innenbehälter und die Polstücke aufgewickelt werden. Dabei werden die Fäden präzise und in einem bestimmten errechneten Winkel zur Behälterachse in Kreuz-

.; wicklungen auf den Innenbehälter abgelegt, bis eine den Festigkeitsanforderungen entsprechende Laminatdicke des Außenmantels erreicht ist. Der Wickelwinkei wird in Abhängigkeit vom Behälierdurchmesser so gewählt, daß die hohe Zugfestigkeit der Glasfäden voll ausgenutzt wird. Die Böden des lnnenbehälters bzw. die Außenkontur der Polstücke werden nach Maßgabe der Erfordernisse der Wickeltechnik ausgebildet.

Auf diese Weise werden Druckbehälter erzielt, bei denen die auf Grund des Behälterinnendruckes in der Behälterwand auftretenden Spannungen nahezu vollständig von dem laminierten Außenmantel aufgenommen werden sollen, während der Innenbehälter im wesentlichen die Funktion einer gasdichten und gegebenenfalls korrosionsbeständigen Auskleidung übernehmen soll. Diese Druckbehälter weisen gegenüber herkömmlichen Druckbehältern, die zumeist aus hochfesten Stählen bestehen, eine Reihe von Vorzügen auf. Sie sind verhältnismäßig leicht, denn der Innenbehälter, sei er nun aus einem geeigneten Kunststoff oder aus Metall, z. B. Aluminium, geformt, kann wegen der Übernahme der eigentlichen Druckkorperfunktion durch den Außenmantel relativ dünnwandig ausgebildet werden. Die Druckbehälter sind auch gegen den äußeren Angriff aggressiver Medien beständig und bei Verwendung geeigneter Werkstoffe für den Innenbehälter auch antimagnetisch. Darüber hinaus besitzt der Außenmantel wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Kunststoffs und der Glasfaden für viele Anwendungsfälle sehr erwünschte thermoisolierende Eigenschaften.

Trotz dieser Vorzüge weisen die bisher bekanntgewordenen fadengewickelten Druckbehälter eine Reihe von Nachteilen auf, so daß diese Druckbehälter bislang nur im begrenzten Umfang eingesetzt werden konnten.

Bei einem bekannten Druckbehälter (deutsche Offenlegungsschrift 1 501 701) sind keine getrennten Polstücke vorgesehen, sondern der Innenbehälter ist einstückig mit sich nach außen erstreckenden Ansätzen versehen, von denen einer als Anschlußstutzen ausgebildet ist. Dieser Druckbehälter ist den bei hohen Innendrücken auftretenden hohen AXialbelaStun-

gen nicht gewachsen. Diese hohen Axi^iÜäasfimgen verursachen in den Behälterboden Scherspanja.iin^n, welche die Scherfestigkeit des Inncn6jsfiaiteisi"iibeischreiten können, bevor der lgmirJieiie Äußenmafltel überhaupt die Grenzen seiner ΚοΚφ Belastbarkeit

erreichen kann. Die Behälterboden* ,sind datier bei diesem Druckbehälter ausgesprochene $chwachstellen, wobei insbesondere der mit der Änschlußöffnung versehene Behälterboden gefährdet ist.

Bei einem anderen bekannten nur für geringe Innendrücke verwendbaren Druckbehälter (deutsche Offenlegungssdirift 2 041 953) wird angestrebt, einen flexiblen Innenbehälter gegen das Polstück an der Anschlußöifnung nur durch den Behälterinnendruck jedoch ohne feste mechanische Verbindung mit dem Polstück, gegebenenfalls unter Vermittlung eines in eine Nut des Poistücks eingelegten Dichtungsrings, abzudichten. Wird dieser bekannte Druckbehälter jedoch mit einem höheren Innendruck beaufschlagt, so besteht die Gefahr, daß der Druck infolge von Behälterdeformationen durch Spalträume zwischen Innenbehälter und Arr.chlußpolstück hindurch abgebaut wird.

Bei einem entsprechend der eingangs bezeichneten Gattung ausgebildeten Druckbehälter (britische Patentschrift 1 159 680) soll die Abdichtung durch ein gummie\astiscries durch axialen Druck verformbares Dichtungselement mit Hilfe des Behälterinnendrucks erreicht werden. Mit einer derartigen Abdichtungsanordnung wird aber keine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Dichtungsflächen gewährleistet, weil eine elastische Dichtung nicht mit Sicherheit eine dafür ausreichende Anpressung des Innenbehälterhalses an das Polstück gewährleisten kann. Auch die Herbeiführung einer vollen Anpressung mittels der Schraubverbindungen, die bei diesem bekannten Druckbehälter aus einer Anzahl von auf einem zur Behälterachse konzentrischen Kreis angeordneten Schrauben bestehen, führt nicht zum Ziel end wäre außerdem sehr nachteilig, weil es hierbei zu ungleichmäßiger Vorspannung und Belastung der einzelnen Schrauben kommen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter der eingangs bezeichneten Gattung unter Vermeidung der Nachteile bekannter Druckbehälter so auszubilden, daß er auch höchsten Innendrü^ken standhalten kann und auch bei Belastungsschwankungen in allen Druckbereichen absolut dicht ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der flanschförmige dem Boden anliegende Teil des Polstücks in einen angeformten etwa hohlzylindrischen Polstückhals übergeht, dessen den Behälterhals umgebende Innenwand sich auswärtsgerichtet kenisch erweitert, an welche der Behälterhals unter radial nach außen gerichteter Verformung durch ein koaxial mit dem Polstückhals verschraubtes entsprechend konisch geformtes Anschlußstück dicht und kraftschlüssig angepreßt ist.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Druckbehälter kommt es beim axialen Spannen der Schraubverbindungen zu einer radial nach außen gerichteten Ausweitung des Irinenbehälterhalses und damit zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Polstück und Anschlußstück, wobei gleichzeitig ohne zusätzliche Dichtelemente durch die Einspannung des Innenbehälterhalses zwischen dem Polstückhals und dem koaxial eingeschraubten Anschlußstück eine vollständige Abdichtung an der konischen Dichtfläche zwischen Innenbehälterhals und Anschlußstück eintritt. Bei der vorliegenden Erfindung trägt der Innendruck im Behälter zur kraftschlüssigen Anpressung und Abdichtung nicht bei, diese werden vielmehr allein durch die Schraubverbindungen verursacht, die durch Einschrauben des Anschlußstücks eine hohe und absolut dichte Pressung und Einspannung des Behälterhalses zwischen der'konischen Innenwand des Polstiickhalses und der entsprechenden Konusfläche des AnschlulJstücks ermöglichen. Nach der Montage des erfindungsgemäßen Druckbehälters wird eine aus dem Polstück, dem Behälterhals und dem für den Armaturenanschluß bestimmten Anschiußstück bestehende kompakte Baueinheit erzielt, bei welcher der bei einigen bekannten gewickelten Druckbehäli rn kritische Abscherbereich des Innenbehälter zwischen Außenmantel und Außenfläche

ίο des Poistücks vollkommen entlastet ist. Unter Einwirkung des Innendrucks legt sich der Innenbehälter an die Innenkontur des Polstücks an und das Polstück übernimmt die Abscherkräfte. Es wird daher vorteilhaft aus einem scherfesten Werkstoff, z. B.

:j einem metallischen Werkstoff, gefertigt. Der Innenbehälter des erfindungsgemäßen Druckbehälters kann bei Belastungsschwankungen in allen Druckbereichen unabhängig und ohne Einfluß auf die Abd'chtung des Anschlußstückes arbeiten, falls je nach Ausführung die Elastiz; ..-.t des Innenbehälterwerkstofl'es größer sein sollte als c'ie des Außenmantels.

Insbesondere bei Verwendung eines Innenbehälters aus Metall kann es zur Untersiützung der Abdichtungswirkung von Vorteil sein, wenn im koni-

2; sehen Bereich des Anschlußstückes eine oder mehrere Umfangsnuten zur Einlegung von Dichtungsringen, z. B. O-Ring-Dichtungen, angebracht sind

Um die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Druckbehälters auch bei infolge höherer Erwärmung steigendem Innendruck zu gewährleisten, ist zwischen dem Innengewinde und der konischen Innenwand des Polstückhalses ein Ringkanal vorgesehen, der mit der Außenatmosphäre über eine oder mehrere Bohrungen in Verbindung steht. Sollte es zur Überschreitung der kritischen Druckgrenze infolge höherer Erwärmung kommen, so wird der zwischen die erwähnten konischen Dichtflächen eingespannte Behälterhals des Innenbehälters plastisch, so daß der Innendruck über die nun durchlässige Konusdichtung, den Ringkanal und schließlich über die genannten Bohrungen abgebaut wird. Ein Bersten des erfindungsgemäßen Druckbehälters unter den erwähnten ungünstigen Bedingungen ist daher ausgeschlossen. Die genannten Bohrungen erfüllen zusätzlich den Zweck, sowohl bei der Montage des Anschlußstückes als auch bei möglicherweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenmantel auftretenden Luftspalten für einen Druckausgleich zur Außenatmosphäre zu sorgen. Die Absicherung des erfindungsgemäßen Druckbehälters gegen unzulässig hohen Druck kann auch durch eine ein rechtzeitiges Abblasen ermöglichende Ausführung und Bemessung der gegebenenfalls zwischen den erwähnten konischen Dichtflächen befindlichen Dichtungsringe erfolgen. Auch in diesem Fall entweicht der Überdruck über den Ringkana! uⁿd die genannten Bohrungen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen fertigen erfindungsgernäß ausgebildeten Hochdruckbehälter,

F i g. 2 einen abgebrochen und in einem gegenüber F i g. 1 größeren Maßstab gezeichneten Längsschnitt durch den Öffnungsbereich des Druckbehälters nach

F i g. 1 mit herausgenommenem Anschlußstück und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Anschlußstück.

Der aus F i g. 1 ersichtliche Innenbehälter 1 —

auch Innenliner genannt — ist ein aus Hochdruckpo- stückhalses 2 und des halsartigen Fortsatzes 23. Da:

lyäthylen einstückig extrusionsgeblasener Hohlkör- Wickelverfahren ist einschlägig bekannt und bedar

per, an dessen mittleren zylindrischen Bereich sich daher an dieser Stelle keiner weiteren Erörterung

die Böden 2 und 3 mit stufenlos gekrümmten Über- Der nach diesem Verfahren hergestellte hochfeste la-

gangen anschließen, deren äußere Krümmungskontur 5 minierte Außenmantel 26 ist in den Polbereichen in·

nach den Forderungen der Filamcnt-winding-Tcchnik folge der Durchmesserabnahme wulstartig verdickt

gestaltet ist. Auf die Böden 2,3 sind die Polstücke 4 so daß der Druckbehälter an seinen Enden etwa ko-

und 5 aufgesetzt, die aus einem metallischen Werk- nisch geformte Verjüngungen aufweist,

stoff, wie z. B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Für den Innenbehälter stehen eine Vielzahl vor

aus Messing, oder aber auch aus einem geeigneten m für die erfindungsgemäßen Zwecke geeigneten metal-

scherfesten Kunststoff geformt sind. Zur näheren Er- lischen und nichtmetallischen Werkstoffen zu Verfü-

Iauterung der Polstücke 4,5, die sich hinsichtlich in- gung, z. B. Aluminium oder Kunststoffe. Gute Er-

rer Außenkontur aus wicklungstechnischen Erforder- gebnisse hinsichtlich der Form- und Maßhaltigkeil

nisscn im wesentlichen entsprechen, wird nunmehr auf bei geringem Kostenaufwand werden erzielt, wenn

das in Fig.2 dargestellte, die Öffnung6 im Boden 2 15 der Innenbehälter wie vorstehend beschrieben in an

umgebende Polstück 4 Bezug genommen. sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen

Das Polstück 4 wird auf den nach der Herstellung Kunststoff im Extrusionsblasverfahren hergestellt ist. des Innenbehälters 1 zunächst noch etwa zylin- Hierfür haben sich Polyolefine, z. B. das erwähnte drischen Behälterhals 7 mit seinem Polstückhals 8 Hochdruckpolyäthylen, als gut geeignet erwiesen,
aufgeschoben, bis sich der flanschförmige Polstück- 20 Zum Ausgleich eventueller Fertigungstoleranzen teil 9 auf den Boden 2 auflegt. Beim Einsetzen und kann es von Vorteil sein, etwaige die flächige Anlage Einschrauben des Anschlußstückes 10 wird der Be- zwischen den Polstücken und den Böden des Innenhälterhals unter teils elastischer und teils plastischer behälters beeinträchtigende Spalträume durch Füll-Verformung zwischen der konischen Innenwand 11 stoffe, z. B. durch aushärtende Kunstharze oder KIedes Polstückhalses 8 und dem entsprechend konisch 25 ber, zu schließen. Der Auftrag dieser Füllstoffe gegeformten Hülsenbereich 12 des Anschlußstückes 10 schieb, dabei zweckmäßig vor dem Aufsetzen der fest und dicht eingespannt, wobei die in die Nut 13 Polstücke.

eingelegte O-Ring Dichtung 14 die Abdichtung noch Der gleiche Erfolg kann auch erzielt werden, wenn

verbessert. Die erforderliche Anpreßkraft wird durch die Polstücke an ihren den Böden des Innenbehälters

Einschrauben des am Anschlußstück 10 angebrach- 30 zugewandten Flächen mit Rillen od. dgl. versehen

ten Außengewindes 15 in das in den Kopfteil 16 des sind. In diese nach außen geöffneten Rillen dringt

Polstückhalses 8 eingeschnittene Innengewinde 17 beim Wickeln überschüssiges Kunstharz ein und füllt

aufgebracht. Das Innengewinde 18 am oberen Ende etwaige Spalträume. Für bestimmte Zwecke ist es

des Anschlußstückes dient der dichten Anbringung auch möglich, einen Metallinnenbehälter mit den

einer Armatur od. dgl., z. B. der Befestigung eines 35 Polstücken durch Schweißen, Löten oder Kleben zu

Ventils. Der zwischen dem Innengewinde 17 und der verbinden.

konischen Innenwand 11 vorgesehene Ringkanal 19 Eine Erhöhung der Belastbarkeit des erfindungs-

öffnet sich über die Bohrungen 20 zur Außenatmo- gemäßen Druckbehälters kann durch eine zusätzliche

Sphäre. mechanische Verklammerung des gewickelten

Das untere Polstück5 (Fig. 1) ist mit seiner zen- 40 Außenmantels mit den Polstücken erzielt werden, in-

tralen Ausnehmung 21 auf den aus dem Innenbehäl- dem im Wickelbereich der zylindrischen Außen-

ter 1 geformten Zentriervorsprung 22 auf den Bo- fläche des Polstückhalses beider Polstücke Umfangs-

den 3 aufgesetzt. Auch das Polstück 5 besitzt einen rillen od. dgl. vorgesehen sind, in welche die mit

dem Polstückhals 8 des Polstückes 4 etwa entspre- Kunstharz benetzten Endlosfäden beim Wickelvor-

chenden halsartigen Fortsatz 23, der einen nach 45 gang eintreten. Auf diese Weise ergeben sich größere

außen geöffneten~Hohlraum 24 umschließt, der für Auflage- und Angriffsflächen zwischen dem lami-

die Anbringung einer Kenndatenscheibe 25 für den nierten Außenmantel und den Polstücken, "/odurch

erfindungsgemäßen Druckbehälter gut geeignet ist. eine axiale Verkürzung der Polstückhälse und damit

Wie die Zeichnungen verdeutlichen, sind die den eine Material- und Gewichtsersparnis ermöglicht

Behälterboden 2,3 zugewandten Flächen der Pol- 5° wird.

stücke 4,5 der äußeren Kontur des Innenbehälters 1 Während bisher die Anwendung von Hoch- und angepaßt. Die in die äußere Kontur des Innenbehäl- Höchstdruck-Wickelbehältern aus sicherheitstechniters nach Maßgabe der wicklungstechnischen Erfor- sehen Gründen für die Industrie. Gewerbe, Verkehr, dernisse harmonisch übergehende Außenkontur der Wehrtechnik und Haushalt ausgeschlossen war, er-Polstücke 4,5 entspricht auch im Hinblick auf die 55 möglicht die Erfindung den Sicherheitsvorschriften Abstimmung der gleich großen Außendurchmesser für Allgemeinverwendung zu entsprechen und die des außen zylindrischen Polstückhalses 2 und des Vorteile des geringen Gewichtes, der antimagnetiaußen zylindrischen Fortsatzes 23 auf den Außen- sehen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigdurchmesser des Innenbehälters 1 und auf den Fa- keit dieser Behälter zu nutzen. Der erfindungsgedenwickelwinkel den vom Filament-winding-Verfah- 6° mäße Behälter eignet sich sowohl für den Einschluß ren gestellten Anforderungen. Entsprechendes gilt hochkomprimierter Gase als auch für die Aufnahme auch für die etwa gleich große axiale Länge des Pol- hochgespannter Flüssigkeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

3663

Claims

Patentansprüche:

L. Druckbehälter, insbesondere Druckgasbehälter, bestehend aus einem formstabilen, rotationssymmetrischen, gasdichten und in seinem mittleren Bereich zylindrischen Innenbehälter, zwei von außen auf die Böden des Innenbehälter koaxial aufgesetzten Polstücken und einem auf c'en Innenbehälter unter Erfassung der Polstücke gewickelten, aus Endlosfäden und aushärtendem Kunststoff laminierten Außenmantel, wobei ein Boden des Innenbehälters und das mit einem flanschförmigen Teil darauf aufgesetzte Polstück mit einer Öffnung zum dichten Anschluß eines Ventils od. dgl. versehen sind und der Innenbehälter an seinem Öffnungsrand einen angeformten, axial nach außen gerichteten und zylindrischen Hals aufweist, dessen Kontur mit der des Polstücks übereinstimmt und der durch axial gegeneinander verspannbare, mit dem Polstück durch Schraubverbindungen zusammenhängende Teile radial gegen das Polstück gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der flanschförmige dem Boden (2) anliegende Teil (9) des Polstücks (4) in einen angeformten etwa hohlzylindrischen Polstückhals (8) übergeht, dessen den Behälterhals (7) umgebende Innenwand (11) sich auswärts gerichtet konisch erweitert, an weiche der Behälterhals unter radial nach außen gerichteter Verformung durch ein koaxial mit dem Polstückhals verschranbtes (17, IS) entsprechend konisch geformtes Anschlußstück (10) dicht und kraftschlüssig ange/reßt ist.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im konischen Bereich (12) des Anschlußstücks (10) eine oder mehrere Umfangsnuten (13) zur Einlegung von Dichtungsringen (14) angebracht sind.
3. Druckbehälter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innengewinde (17) und der konischen Innenwand (11) des Polstückhalses (8) ein Ringkanal (19) vorgesehen ist, der mit der Außenatmosphäre über eine oder mehrere Bohrungen (20) in Verbindung steht.