DE102006001052A1 - Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien - Google Patents

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Abstract

Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend einen Kunststoffkernbehälter (1) mit zumindest einem Kragen (2), der in dem radialen Zwischenraum zwischen einem darin eingesetzten Anschlussring (3) für eine Druckleitung und einem den Kragen (2) außenseitig umschließenden Stützflansch (4) mit einem radial nach außen vorstehenden Bund (5) angeordnet ist, wobei der Anschlussring (3) und/oder der Stützflansch (4) aus Metall bestehen und zumindest eine in Richtung des Kragens (2) offene Nut aufweisen, die einen an den Kragen (2) dichtend angepressten O-Ring (6) enthält, und wobei zumindest der Kunststoffkernbehälter (1) und der Bund (5) von einer Stützhülle (7) aus einem Faserverbundstoff zumindest anteilig umschlossen sind, wobei zwischen dem Bund (5) und dem Kunststoffkernbehälter (1) zumindest in dem sich an den Außenumfang radial nach innen anschließenden Bereich ein sich in radialer Richtung nach außen keilförmig erweiternder Abstand vorgesehen ist, dass der durch den Abstand gebildete Spalt durch einen plastisch verformbaren Pufferring (8) aus polymerem Werkstoff ausgefüllt ist und dass der Pufferring (8) eine Außenkontur aufweist, die die sich axial anschließenden Außenkonturen des Kunststoffkernbehälters (1) und des Bundes (5) unter Vermeidung einer sprunghaften Richtungsänderung ineinander übergehend verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend einen Kunststoffkernbehälter mit zumindest einem Kragen, der in dem radialen Zwischenraum zwischen einem darin eingesetzten Anschlussring für eine Druckleitung und einem den Kragen außenseitig umschließenden Stützflansch mit einem radial nach außen vorstehenden Bund angeordnet ist, wobei der Anschlussring und/oder der Stützflansch aus Metall bestehen und zumindest eine in Richtung des Kragens offene Nut aufweisen, die einen an den Kragen dichtend angepressten O-Ring enthält und wobei zumindest der Kunststoffkernbehälter und der Bund von einer Stützhülle aus einem Faserverbandstoff zumindest anteilig umschlossen sind.
  • Stand der Technik
  • Ein solcher Druckbehälter ist aus der DE 197 51 411 C1 bekannt. Der metallische Bund endet dabei an seinem Außenumfang in einem scharfkantigen Rand, der den Kunststoffkernbehälter anliegend berührt. Er bildet zugleich einen Bestandteil eines Halsstückes, das auf ein Gewinde des Kragens aufgeschraubt wird und in das ein in den Kragen eingreifender Hohlkegel einschraubbar ist, der eine radiale Anpressung des Kragens an das Halsstück und eine darin eingebettete O-Ringdichtung bewirkt. Die Konstruktion setzt einen großen technischen Aufwand bei der Herstellung voraus und führt zu einem großen Gewicht.
  • Darstellung der Erfindung
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen solchen Druckbehälter derart weiter zu entwickeln, dass sich ein verminderter Herstellaufwand und ein vermindertes Gewicht ergibt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Druckbehälter der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Druckbehälter ist es demgemäss vorgesehen, dass zwischen dem Bund und dem Kunststoffkernbehälter zumindest in dem sich an den Außenumfang radial nach innen anschließenden Bereich ein sich in radialer Richtung nach außen keilförmig erweiternder Abstand vorgesehen ist, dass der durch den Abstand gebildete Spalt durch einen plastisch verformbaren Pufferring aus polymerem Werkstoff ganz ausgefüllt ist und dass der Pufferring eine Außenkontur aufweist, die die sich axial anschließenden Außenkonturen des Kunststoffkernbehälters und des Bundes unter Vermeidung einer sprunghaften Richtungsänderung ineinanderübergehend verbindet. Die während der bestimmungsgemäßen Verwendung in dem inneren des Kunststoffkernbehälters wirksamen Druckkräfte werden dadurch in optimaler Weise von der aus einem Faserverbundstoff bestehenden Stützhülle aufgefangen, ohne dass es zu funktionsbeeinträchtigenden Relativverschiebungen der Einzelteile des Druckbehälters kommt. Die Stützhülle kann dadurch hinsichtlich der Tragfähigkeit und hinsichtlich des Gewichtes optimiert werden und druckbedingte Atmungsbewegungen können nicht mehr dazu führen, dass sich der Außenrand des Bundes in die Wandung des Kunststoffkernbehälters einarbeitet oder die Wandung an der Berührungssteile plastisch verformt.
  • Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der Bund besonders verformungsresistent ist. Er hat zu diesem Zweck ein im wesentlichen dreieckiges Profil, bei dem die maximale Erstreckung in radialer Richtung im Bereich des ein- bis zweifachen der an der Wurzel gemessenen, maximalen Erstreckung in axialer Richtung liegt, vorteilhaft im Bereich des 1,3 bis 1,5-fachen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Bund am radialen Außenrand in einer umlaufenden Nase endet, die den Pufferring in einem Teilbereich in einer umlaufenden Eintiefung angepassten Profils radial außenseitig umschließt. Die der Stützhülle zugewandte Oberfläche ist im wesentlichen gleichmäßig gewölbt und glatt ausgebildet. Auch bei extrem wechselnden Innendrücken wird dadurch erreicht, dass die herstellungsbedingt gleichmäßig ineinanderübergehenden Außenkonturen des Pufferringes, des Bundes und des Kunststoffkernbehälters erhalten bleiben und Ablösungsgefahren bezüglich der adhäsiven Anbindung der Stützhülle aus dem Faserverbundstoff vermieden werden.
  • Der Pufferring hat vor allem den Zweck, den betriebsbedingt im Inneren des Kunststoffkernbehälters herrschenden Druck nach Art eines hydraulischen Druckverteilers so gleichmäßig auf die Stützhülle und den Stützflansch zu verteilen, dass ein Abheben der Stützhülle im Bereich der Übergangszone vermieden wird. Das radial nach außen zeigende Ende des Bundes kann in keinen direkten Berührungskontakt mit dem Kunststoffkernbehälter gelangen. Auch wechselnde Innendrücke können daher nicht mehr zum Einschneiden des metallischen Außenrandes des Bundes in den Kunststoffkernbehälter führen.
  • Der die Stützhülle bildende Faserverbundstoff enthält zweckmäßig einander überkreuzende, in Kunstharz eingebettete Faserstränge, die sich im wesentlichen in Längs- und Umfangsrichtung erstrecken. Die Faserstränge bestehen in Abhängigkeit vom Verwendungszweck des Druckbehälters aus Glass-, Kohlenstoff-, Aramid-, Bor- und/oder Al2O3-Fasern. Sie werden nach vorausgegangener Tränkung mit einem Kunstharz oder Thermoplast in einem Wickelprozess unter Vorspannung auf den vorgefertigten und bereits mit den Armaturen versehenen Kunststoffkernbehälter aufgebracht und durch eine Verfestigung des Kunstharzes oder des Thermoplasten bleibend fixiert.
  • Der die Stützhülle bildende Faserverbundstoff kann ergänzend oder alternativ auch einander überkreuzende Faserstränge umfassen, die der Längs- und Umfangsrichtung geneigt und zweckmäßig zugleich der Längsachse des Kunststoffkernbehälters spiegelbildlich geneigt zugeordnet sind. Die längs- und umfangsgerichteten Kräfte lassen sich hierdurch in optimaler Weise auffangen. Außerdem werden die Möglichkeiten verbessert, das Verhältnis des Öffnungsquerschnittes einer stirnseitigen Öffnung in Bezug zum Innendurchmesser des Kunststoffkernbehälters auf große Werte von mindestens 30% vorzugsweise mindestens 50%, einzustellen, ohne dass sich Funktionsbeeinträchtigungen ergeben. In bezug auf den Einbau von Sekundärarmaturen ist das von großem Vorteil.
  • Der Kragen, der Anschlussring und der Stützflansch sind zweckmäßig in den einander zugewandten Oberflächenbereichen durch gewinderillenfreie Zylinderflächen begrenzt. Die Herstellung ist dadurch besonders einfach und gewichtssparend. Dennoch wird eine ausgezeichnete gegenseitige Abdichtung und Dauerhaltbarkeit erreicht
  • Der O-Ring kann aus irgend einem der einschlägig verwendeten, dauerelastischen, polymeren Dichtungswerkstoffe bestehen, beispielsweise aus natürlichem oder synthetischem Gummi.
  • Der Kunststoffkernbehälter und/oder der Pufferring bestehen zweckmäßig aus Polyamid. Andere polymere Werkstoffe können zu ihrer Herstellung bedarfsweise ebenfalls verwendet werden, beispielweise PE, HDPE oder PTFE. Die Auswahl bleibt dem Anwender vorbehalten und ergibt sich vor allem aus den chemischen, physikalischen und thermischen Anforderungen des Anwendungsfalles.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
    •
  • In der in der Anlage beigefügten Zeichnung ist eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Druckbehälters in längsgeschnittener Darstellung wieder gegeben. Es zeigen:
  • 1 einen Druckbehälter in längsgeschnittener Darstellung
  • 2 einen vergrößerten Ausschnitt des stirnseitigen Endes eines Druckbehälters nach 1 in halbgeschnittener Darstellung
  • Ausführung der Erfindung
  • Der in den Figuren wiedergegebene Druckbehälter dient zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, die unter einen Druck von bis zu 2.000 bar stehen. Er ist an beiden Enden mit Anschlussöffnungen für Druckleitungen und/oder Ventile versehen, die unterschiedlich dimensioniert, aber in erfindungswesentlicher Hinsicht identisch gestaltet sind.
  • Der Druckbehälter umfasst einen Kunststoffkernbehälter 1 aus Polyamid und ist an beiden Enden mit einstückig angeformten Kragen 2 versehen. Er kann durch einen Blasformprozess oder Rotationssintern erzeugt sein. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird nur die Konstruktion im Bereich von einem der beiden Kragen beschrieben, wobei sich die Ausführungen auf den anderen Kragen übertragen lassen.
  • Der Kragen 2 ist in dem radialen Zwischenraum zwischen einem darin eingesetzten Anschlussring 3 für eine Druckleitung und einem den Kragen 2 außenseitig umschließenden Stützflansch 4 mit einem radial nach außen vorstehenden Bund 5 angeordnet, wobei der Anschlussring 3 und/oder der Stützflansch 4 aus Metall bestehen. Der Stützflansch 4 und der Anschlussring 3 umschließen einander zugleich mit aneinander anliegenden, zylindrischen Führungsflächen in dem sich an das stirnseitige Ende des Kragens anschließenden Bereich. Sie sind dadurch einander und dem Kragen 2 konzentrisch zugeordnet. Außerdem übergreift der Stützflasch 4 den Anschlussring 3 mit einer sich radial nach innen erstreckenden Anschlagfläche, die den Anschlussring 3 anliegend berührt und eine relative Verkantung verhindert. Dadurch wird eine zusätzliche Sicherheit gegen Relativverlagerungen des Anschlussringes 3 in bezug auf den Stützflansch 4 und den Kragen 2 erhalten. Der Kragen 2, der Anschlussring 3 und der Stützflansch 4 sind in allen einander zugewandten Oberflächenbereichen durch gewinderillenfreie Zylinderflächen begrenzt.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist nur der Anschlussring 3 mit einer in Richtung des Kragens 2 offenen Nut auf, die einen an den Kragen 2 dichtend angepressten O-Ring 6 aus Gummi enthält. Durch den wechselnden Betriebsdruck verursachte Relativverlagerungen des Kunststoffkernbehälters 1 in bezug auf den Anschlussring 3 werden dadurch elastisch aufgefangen, ohne dass es zur Leckage kommt. Natürlich ist es auch möglich, bedarfsweise mehrere derartige O-Richtdichtungen zur Anwendung zu bringen und beispielsweise alternativ oder ergänzend in entsprechenden Nuten des Stützflansches unterzubringen. Die Sicherheit gegen eventuelle Leckagen lässt sich dadurch weiter erhöhen. Ferner können die O-Ringdichtungen aus Dichtungswerkstoffen bestehen, die an die physikalischen und/oder chemischen Anwendungsverhältnisse besonders angepasst sind. Gleiches gilt für die Werkstoffe, aus denen der Kunststoffkernbehälter 1 hergestellt ist.
  • Der Bund 5 und der Kunststoffkernbehälter 1 sind gemeinsam von einer von einer Stützhülle 7 aus einem Faserverbundstoff zumindest anteilig umschlossen, wobei zwischen dem Bund 5 und dem Kunststoffkernbehälter 1 in dem sich an den Außenumfang radial nach innen anschließenden Bereich ein sich in radialer Richtung nach außen keilförmig erweiternder Abstand vorgesehen ist, wobei der durch den Abstand gebildete Spalt durch einen plastisch verformbaren Pufferring 8 aus polymerem Werkstoff ausgefüllt ist und wobei der Pufferring 8 eine Außenkontur aufweist, die die sich axial anschließenden Außenkonturen des Kunststoffkernbehälters 1 und des Bundes 5 unter Vermeidung einer sprunghaften Richtungsänderung ineinanderübergehend verbindet. Die Stützhülle 7 aus dem Faserverbundwerk stoff umschließt die sich insgesamt ergebende Außenkontur mit der statisch jeweils erforderlichen Dicke, wobei die stirnseitigen Enden einstückig ineinanderübergehend übergriffen sind. Der Druckbehälter weist dadurch nicht nur in radialer sondern auch in axialer Richtung die erforderliche Festigkeit auf. Die radiale Weite des Pufferrings 8 nimmt mindestens 50% der radialen Weite des Bundes 5 ein.
  • Der metallische Bund 5 endet am radialen Außenrand in einer umlaufenden Nase 9, die den polymeren Pufferring 8, vorliegend aus Polyamid bestehend, radial außenseitig in einem Teilbereich umschließt. Hierdurch wird eine gute Führung des Pufferrings erhalten, die dazu beiträgt, eine fehlerhafte Montage oder eine druckbedingte Relativverlagerung in bezug auf den Kunststoffkernbehälter 1 zu verhindern.
  • Der die Stützhülle 7 bildende Faserverbundstoff enthält einander überkreuzende, in Kunstharz eingebettete Faserstränge, die in mehreren Lagen übereinandergeschichtet sind und die der Längsrichtung unter einem Winkel von plus/minus –10 bis 90 ° zugeordnet sind, vorteilhaft unter einem Winkel von 35–88°. Die Wickelwinkel innerhalb einer jeden Schicht können identisch sein. Sie weichen in den aufeinanderfolgenden Schichten voneinander ab, um den erforderlichen Festigkeitsanforderungen zu genügen.
  • Die in dem Faserverbundstoff enthaltenen Faserstränge enthalten Fasern aus Kohlenstoff, die in vorgespanntem Zustand in eine Kunstharzmatrix aus Epoxidharz eingebettet sind.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel besteht der Kunststoffkernbehälter und der Pufferring aus Polyamid. Die Verwendung abweichender, polymerer Werkstoffe ist ebenfalls möglich.
  • Bei dem gezeigten Druckbehälter hat der Kunststoffkernbehälter einen Innendurchmesser von 240 mm und der Anschlussring einen solchen von 140 mm. Daraus errechnet sich ein Polverhältnis, d.h. ein Verhältnis aus dem Innendurchmesser des Kunststoffkernbehälters 1 und dem Innendurchmesser des Anschlussringes 3 von 58 %, d.h. ein Wert, der größer als 50% ist, was es erleichtert, Einbauten in dem Kunststoffkernbehälter unterzubringen.

Claims (10)

  1. Druckbehälter zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend einen Kunststoffkernbehälter (1) mit zumindest einem Kragen (2), der in dem radialen Zwischenraum zwischen einem darin eingesetzten Anschlussring (3) für eine Druckleitung und einem den Kragen (2) außenseitig umschließenden Stützflansch (4) mit einem radial nach außen vorstehenden Bund (5) angeordnet ist, wobei der Anschlussring (3) und/oder der Stützflansch (4) aus Metall bestehen und zumindest eine in Richtung des Kragens (2) offene Nut aufweisen, die einen an den Kragen (2) dichtend angepressten O-Ring (6) enthält und wobei zumindest der Kunststoffkernbehälter (1) und der Bund (5) von einer Stützhülle (7) aus einem Faserverbundstoff zumindest anteilig umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bund (5) und dem Kunststoffkernbehälter (1) zumindest in dem sich an den Außenumfang radial nach innen anschließenden Bereich ein sich in radialer Richtung nach außen keilförmig erweiternder Abstand vorgesehen ist, dass der durch den Abstand gebildete Spalt durch einen plastisch verformbaren Pufferring (8) aus polymerem Werkstoff ausgefüllt ist und dass der Pufferring (8) eine Außenkontur aufweist, die die sich axial anschließenden Außenkonturen des Kunststoffkernbehälters (1) und des Bundes (5) unter Vermeidung einer sprunghaften Richtungsänderung ineinanderübergehend verbindet.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (5) am radialen Außenrand in einer umlaufenden Nase (9) endet, die den Pufferring (8) in einem Teilbereich radial außenseitig umschließt.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Stützhülle (7) bildende Faserverbundstoff einander überkreuzende, in Kunstharz eingebettete Faserstränge enthält, die sich in Längs- und Umfangsrichtung erstrecken.
  4. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die Stützhülle (7) bildende Faserverbundstoff einander überkreuzende Faserstränge umfasst, die der Längs- und Umfangsrichtung geneigt zugeordnet sind.
  5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Faserverbundstoff enthaltenen Faserstränge Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern umfassen.
  6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kragen (2), der Anschlussring (3) Stützflansch (4) zumindest in den einander zugewandten Oberflächenbereichen durch gewinderillenfreie Zylinderflächen begrenzt sind.
  7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass O-Ring (6) aus elastomerem Werkstoff besteht.
  8. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkernbehälter und/oder der Pufferring aus Polyamid besteht.
  9. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Öffnungsquerschnittes einer stirnseitigen Öffnung in Bezug zum Innendurchmesser des Kunststoffkernbehälters mindestens 30% beträgt.
  10. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Öffnungsquerschnittes einer stirnseitigen Öffnung in Bezug zum Innendurchmesser des Kunststoffkernbehälters mindestens 50% beträgt.
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