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DE202009008026U1 - Druckbehälter mit Faserarmierung - Google Patents

Druckbehälter mit Faserarmierung Download PDF

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DE202009008026U1
DE202009008026U1 DE202009008026U DE202009008026U DE202009008026U1 DE 202009008026 U1 DE202009008026 U1 DE 202009008026U1 DE 202009008026 U DE202009008026 U DE 202009008026U DE 202009008026 U DE202009008026 U DE 202009008026U DE 202009008026 U1 DE202009008026 U1 DE 202009008026U1
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Abstract

Druckbehälter, bestehend aus einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt der mit zwei separaten metallischen Endkappen verschlossen ist, wobei die Endkappen jeweils über ein entsprechendes Gewinde mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt formschlüssige verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass der mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierte zylindrische metallische Rohrabschnitt und die Endkappe jeweils derart ausgeführt sind, dass eine gasdichte metallische Abdichtung erzeugt wird, ohne dass ein separates Dichtungselement wie O-Ring oder metallischer Ring notwendig wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter, bestehend aus einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt welches durch zwei metallische Endkappen verschlossen wird.
  • Druckbehälter werden beispielsweise zur Speicherung von Gasen eingesetzt und müssen eine geeignete Diffusionsdichtigkeit gegen Verflüchtigung des Mediums aufweisen und den mechanischen Beanspruchungen durch Innen- bzw. Außendruck sowie den weiteren mechanischen, physikalischen und chemischen Belastungen standhalten.
  • Metallische Druckbehälter sind lange bekannt. Sie bestehen typischerweise aus einem zylindrischen Rohrabschnitt an den entsprechende Böden nahtlos angeformt sind.
  • Die steigenden Anforderungen an die Funktions- und Leistungsfähigkeit moderner Druckbehälter führen oft an die Grenzen des Potentials konventioneller Werkstoffe. In diesen Bereichen eröffnen neue, leistungsfähigere Werkstoffe Möglichkeiten der Produktentwicklung und -optimierung. Bei der Suche nach leichten, hochfesten und biegesteifen Materialien stößt man auf die Faserkunststoffverbunde. Durch geeignete Kombination eines Kunststoffs als Matrix mit hochfesten Fasern als Verstärkung gelangt man zu einem vielseitigen Werkstoff, dem Faserkunststoffverbund. Durch die Wahl eines geeigneten Verstärkungsaufbaus lassen sich, den Anforderungen entsprechend, maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen. Druckbehälter aus Faserkunststoffverbunden stehen herkömmlichen Stahl- oder Aluminiumbehältern hinsichtlich drucktechnischer Eignung in nichts nach, bieten darüber hinaus jedoch entscheidende Vorteile wie geringes Gewicht und erhöhte Korrosionsbeständigkeit.
  • Druckbehälter aus Faserkunststoffverbunden mit duromeren Matrixsystemen sind bekannt und es existiert eine Vielzahl an Patenten.
  • Als Beispiel sei das Europa Patent EP0810081 A1 „Pressure Vessel and Method of Manufacturing Same” genannt. Hierbei wird beschrieben wie eine geschlossene Hüllschicht, die aus einem Kunststoff besteht, im Faserwickelverfahren mit einem Faserkunststoffverbund umhüllt wird. Ein ähnliches Behälterprinzip wird im Europapatent EP0333013 A1 „Pressure Vessels” beschrieben. Auch in diesem Falle wird eine Hüllschicht mit Fasern derart umgeben, daß die Verstärkungshülse den mechanischen Beanspruchungen standhält.
  • Das internationale Patent WO 92/20954 „glass-fibre-reinforced plastic container, method and apparatus for manufacturing such container” beschreibt einen glasfaserverstärkten Behälter und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei sich der Behälter aus zwei Halbschalen zusammensetzt, die im zylindrischen Bereich durch Verkleben miteinander Verbunden werden. Die Halbschalen werden im Harzinjektionsverfahren anhand von Formwerkzeugen hergestellt wobei duromere Kunststoffe eingesetzt werden. Aufgrund der Halbschalentechnik ist eine Variation der Behälterlängen nur mit hohem Aufwand (neues Werkzeug) möglich.
  • Metallische Behälter mit Faserarmierung im zylindrischen Bereich sind ebenfalls bekannt und werden in den einschlägigen Normen auch als Typ II Behälter bezeichnet.
  • Alle bisher bekannten Bauarten und Herstellungsmethoden von Kunststoffdruckbehältern sind entweder zu aufwendig und damit zu kostenintensiv in der Herstellung, halten den Anforderungen bezüglich Dichtigkeit oder mechanischer Beanspruchungen nicht stand, oder sind zu schwer.
  • Faserarmierte Druckbehälterbauarten mit separaten Endkappen werden über konventionelle Dichtungskonzepte wie beispielsweise Elastomere O-Ring Dichtungen zwischen Endkappen und zylindrischem Bereich abgedichtet. Der Nachteil derartiger Dichtungskonzepte liegt in der Durchlässigkeit gegenüber leicht flüchtigen Gasen wie Wasserstoff oder in extrem kostenintensiven Dichtungskonzepten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter derart weiterzubilden, dass die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Faserkunststoffverbundbehälter mit geringem Eigengewicht geschaffen werden, der den mechanischen Beanspruchungen standhält, dicht gegenüber leicht flüchtigen Gasen ist und kostengünstig herzustellen ist.
  • Weiterhin soll die Möglichkeit bestehen den Behälter auf einfache Weise mit Festkörpern wie beispielsweise Metallhydriden zur Absorption von Wasserstoff befüllen zu können. Zudem soll die Gasdichtigkeit des Behälters gewährleistet sein.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierter zylindrischer metallischer Rohrabschnitt mit zwei separaten metallischen Endkappen verschlossen wird. Die Endkappen werden über ein entsprechendes Gewinde mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt verbunden. Rohrende und Endkappe sind zudem jeweils derart konstruiert, dass eine gasdichte metallische Abdichtung erzeugt wird, ohne dass ein separates Dichtungselement wie O-Ring oder metallischer Ring notwendig wird. Das Dichtungselement ist somit Teil der metallischen Endkappe und/oder des zylindrischen metallischen Rohrabschnitts.
  • Die Position der metallischen Abdichtung zwischen Endkappe und einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt kann sich dabei an einer beliebigen Berührungsstelle zwischen Endkappe und Rohrabschnitt befinden.
  • Ein derart ausgebildeter Behälter weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch den Einsatz eines mit kontinuierlicher Faserverstärkung armiertern zylindrischen metallischen Rohrabschnitts wird erreicht, daß der Behälter nur ein geringes Eigengewicht aufweist. Durch eingeschraubte metallische Endkappen ist ein Befüllen der Behälter vor dem Verschließen leicht möglich. Dadurch. dass die Endkappen und Rohrenden so ausgeführt sind, dass eine gasdichte Abdichtung ohne separate Dichtungselemente erfolgen kann erfüllt der Behälter zudem die Anforderung an geringe Kosten in Verbindung mit der hohen Diffusionsdichtigkeit.
  • Produktionsanlagen fallen zudem sehr einfach aus, so dass bereits kleine Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden können.
  • Als Verstärkungsfasern für die kontinuierliche Faserverstärkung des zylindrischen metallischen Rohrabschnitts können beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, Polymerfasern, organische Fasern, metallische Fasern und/oder andere Fasertypen Einsatz finden.
  • Als Matrix können beispielsweise – jedoch nicht ausschließlich – Thermoplastische oder Duromere Kunststoffe Einsatz finden.
  • Als Material des zylindrischen metallischen Rohrabschnitts wird vorzugsweise – jedoch nicht ausschließlich -legierter Stahl Einsatz finden. Als Material der Endkappen wird vorzugsweise – jedoch nicht ausschließlich – Aluminium Einsatz finden.
  • Erfindungsgemäß beträgt der Betriebsdruck derartiger Behälters vorzugsweise 10 bis 90 MPa (100 bis 900 bar). Der entsprechende Berstdruck entspricht dabei dem mit 1,1 bis 4 multiplizierten Wert des jeweiligen Betriebsdruckes.
  • Die zu speichernden Medien können insbesondere Wasserstoff, Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Propan, Erdgas oder aber andere technische Gase oder Flüssigkeiten oder dergleichen sein. Die Erfindung ist auf keine besondere Art von Gasen und/oder Flüssigkeiten beschränkt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigt:
  • 1 einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen Behälters mit integrierten metallischen Dichtungselementen zwischen den metallischen Endkappen (1) und dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2), bestehend aus einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung (3) armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) welcher durch zwei metallische Endkappen (1) verschlossen wird wobei die metallischen Endkappen (1) über ein entsprechendes Gewinde (4) mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) verbunden sind.
  • 2 einen schematischen Querschnitt der metallischen Abdichtung (5) einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters mit integrierten metallischen Dichtungselementen.
  • Die metallische Endkappe (1) ist dabei über ein entsprechendes Gewinde (4) formschlüssig mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) verbunden. Die metallische Abdichtung (5) ist dabei erfindungsgemäß zwischen Endkappe (1) und einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung (3) armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) ohne zusätzliches separates Dichtungselement ausgeführt.
  • 3 einen schematischen Querschnitt der metallischen Abdichtung (5) einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters mit integrierten metallischen Dichtungselementen.
  • Die metallische Endkappe (1) ist dabei über ein entsprechendes Gewinde (4) formschlüssig mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) verbunden. Die metallische Abdichtung (5) ist dabei erfindungsgemäß zwischen Endkappe (1) und einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung (3) armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) ohne zusätzliches separates Dichtungselement ausgeführt.
  • 4 einen schematischen Querschnitt der metallischen Abdichtung (5) einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters mit integrierten metallischen Dichtungselementen.
  • Die metallische Endkappe (1) ist dabei über ein entsprechendes Gewinde (4) formschlüssig mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) verbunden. Die metallische Abdichtung (5) ist dabei erfindungsgemäß zwischen Endkappe (1) und einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung (3) armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt (2) ohne zusätzliches separates Dichtungselement ausgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0810081 A1 [0006]
    • - EP 0333013 A1 [0006]
    • - WO 92/20954 [0007]

Claims (4)

  1. Druckbehälter, bestehend aus einem mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierten zylindrischen metallischen Rohrabschnitt der mit zwei separaten metallischen Endkappen verschlossen ist, wobei die Endkappen jeweils über ein entsprechendes Gewinde mit dem zylindrischen metallischen Rohrabschnitt formschlüssige verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass der mit kontinuierlicher Faserverstärkung armierte zylindrische metallische Rohrabschnitt und die Endkappe jeweils derart ausgeführt sind, dass eine gasdichte metallische Abdichtung erzeugt wird, ohne dass ein separates Dichtungselement wie O-Ring oder metallischer Ring notwendig wird.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der im Behälter gespeicherten Medien 10 bis 90 MPa (100 bis 900 bar) beträgt.
  3. Behälter nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des zylindrischen metallischen Rohrabschnitts legierter Stahl und als Material der Endkappen Aluminium Einsatz findet.
  4. Behälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfaser für die kontinuierliche Faserverstärkung des zylindrischen metallischen Rohrabschnitts Glasfaser, Aramidfaser, Kohlenstofffaser, Basaltfaser, Polymerfaser, organische Faser und/oder metallische Faser Einsatz findet.
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