DE10207613C1

DE10207613C1 - Druckbehälter mit rohrförmigem Anschluss

Info

Publication number: DE10207613C1
Application number: DE10207613A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jeltsch
Original assignee: EMS Chemie AG
Current assignee: EMS Chemie AG
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: WO2003071181A1; EP1476694A1; EP1476694B1; ATE348288T1; JP2005527415A; JP4257212B2; ES2279091T3; KR20040105722A; AU2003205485A1; DK1476694T3; DE50305953D1; KR100718945B1

Abstract

Bei einem Druckbehälter (1) mit wenigstens einem rohrförmigen Anschluss (2) an einer Öffnung in der Behälterwand wird vorgeschlagen, die Querschnitte der Öffnung und des rohrförmigen Anschlusses (2) zumindest an der Öffnung oval auszubilden, und zwar mit der großen Achse der ovalen Form in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet, welche sich bei Beaufschlagung des Druckbehälters (1) mit einem inneren Überdruck an der Anschlussstelle ohne die Öffnung und den Anschluss (2) ergeben würde. Hierdurch lassen sich mit Vorteil sowohl die lokale als auch die maximale Vergleichsspannung in dem Bauteil bei Druckbelastung reduzieren und/oder die Spannungen in Bereiche verschieben, in denen sie weniger kritisch sind. Mit besonderem Vorteil anwendbar ist die Erfindung bei Spritzgussteilen aus Kunststoff, weil sich hierbei bei vielen geometrischen Formen Bindenähte gerade dort nicht vermeiden lassen, wo geometrisch bedingt die höchsten Spannungen auftreten.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter mit wenigstens einem rohrförmigen Anschluss an einer Öffnung in der Behälterwand.

Wird ein Druckbehälter z. B. mit einem inneren, pneumatischen oder hydraulischen Überdruck beaufschlagt, treten in der Behälterwand Spannungen auf. Zur Minimierung der Spannungen sowie zur Maximierung des Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche werden Druckbehälter möglichst kugelförmig oder zylindrisch konstruiert. Wird an einem solchen Behälter ein Anschluss angebracht, konzentrieren sich die Spannungen im Bereich des Anschlusses, wodurch dieser Bereich höher belastet wird und eine Schwachstelle des Druckbehälters bildet.

Bei spritzgusstechnisch hergestellten Druckbehältern aus Kunststoff mit rohrförmigen Anschlüssen, wie sie beispielsweise für Wasserzählergehäuse eingesetzt werden, ergeben sich herstellungsbedingt Bindenähte in Fliessrichtung des Spritzgussmaterials hinter den Anschlüssen und damit in einem Bereich, in dem sich auch die Spannungen konzentrieren. Für das Bauteil bedeutet dies eine erhebliche Schwächung, da eine erhöhte Belastung gerade dort auftritt, wo gleichzeitig mit den schwächsten Materialeigenschaften gerechnet werden muss.

Auch bei T-Stücken oder dergleichen, bei welchen ein Rohrstutzen von einem Rohrstück mit etwa gleichem Querschnitt abzweigt, entstehen auf der Krümmungsinnenseite der Abzweigung bei Innendruckbelastung deutliche Spannungskonzentrationen. Bei spritzgusstechnisch hergestellten T-Stücken sind in diesem Bereich wiederum Bindenähte vorhanden und es entstehen dort durch das Entformungskonzept scharfe Kanten. Das Zusammenfallen der Spannungskonzentrationen mit den Bindenähten und den Kanten führt auch hier wieder zu einer erheblichen Bauteilschwächung.

Grundsätzlich ähnliche Probleme treten bei Rohrbögen auf.

Mathematisch lassen sich die Spannungen für jeden Punkt der Behälterwand durch Spannungstensoren beschreiben. Invariante der Spannungstensoren gegenüber Koordinatentransformationen sind drei sogenannte Hauptspannungen, von denen eine in der Fachterminologie der Spannungstensormechanik als erste Hauptspannung definiert ist. Im Falle eines unter einem inneren Überdruck stehenden Behälters entspricht die erste Hauptspannung der grössten Zugspannung. Dieser Begriff wird im folgenden auch so verwendet. Den Hauptspannungen zugeordnet sind jeweils sogenannte Hauptrichtungen.

STAND DER TECHNIK

Um die Verschwächung der Druckbehälter durch den Einbau von Anschlüssen auszugleichen, ist es bekannt, Verstärkungen der Behälterwand und/oder des Anschlusses vorzusehen. Das Anbringen solcher Verstärkungen ist aber nicht immer, inbesondere nachträglich, ohne weiteres möglich und/oder verursacht zusätzlichen Aufwand und Materialeinsatz.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es anzugeben, wie bei Druckbehältern die genannten Probleme im Anschlussbereich von rohrförmigen Anschlüssen vermindert und dadurch Druckbehälter hergestellt werden können, welche mit einer höheren Druckdifferenz belastet werden können bzw. welche bei gleicher Belastung über eine höhere Sicherheitsreserve verfügen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Ovalisierung des Anschlusses im Anschlussbereich vor. Die Querschnitte der Öffnung und des rohrförmigen Anschlusses an dieser Öffnung werden oval ausgebildet und mit der grossen Achse der ovalen Form in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet, welche sich bei Beaufschlagung des Druckbehälters mit einem inneren Überdruck an der Anschlusstelle ohne die Öffnung und den Anschluss ergeben würde.

Die Annahme eines inneren Überdrucks dient hierbei nur als Gedankenmodell zur Bestimmung der Richtung der ersten Hauptspannung und damit der Richtung grossen Achse der ovalen Form. Die sich daraus ergebende Geometrie gilt aber generell auch für einen äusseren Überdruck. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden jedoch im wesentlichen nur der Innendruckfall betrachtet.

Die Ovalität O lässt sich ausdrücken durch das Verhältnis der Länge der grossen (D) und der kleinen (d) Achse der ovalen Form und liegt, applikations- und geometrieabhängig, etwa im Bereich zwischen 1,1 und 3,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,1 und 2,5, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1,1 und 1,9.

Als ein einfaches Beispiel für die Richtung der grössten Hauptspannung kann ein im wesentlichen kreiszylindrischer Druckbehälter betrachtet werden, bei welchem sich bei Innendruckbelastung in der Behälterwand Spannungen ergeben, die in Umfangsrichtung etwa doppelt so gross sind wie in Längsrichtung. Ein rohrförmiger, zumindest im Anschlussbereich ovaler Stutzen müsste nach der Erfindung daher an der Behälterwand mit seiner grossen Achse in Umfangsrichtung ausgerichtet angeschlossen werden.

Bei rein kugelförmigen Behältern oder solchen mit einer relativ grossen, flachen Behälterwand findet die Erfindung keine Anwendung, da hier geometriebedingt keine grösste Hauptspannung auftritt.

Unter einer ovalen Form soll im Rahmen der Erfindung ganz allgemein eine länglich runde Form verstanden werden, von der z. B. eine elliptische Form einen Spezialfall darstellen würde.

Die Ovalisierung des Anschlusses in der erwähnten Hauptspannungsrichtung hat nicht nur einen erheblichen Einfluss auf die Senkung der Maximalspannungen, die in der Druckbehälterwand auftreten. Durch sie lassen sich die auftretenden Spannungen auch in andere Bereiche verschieben, z. B. in solche, in denen keine Bindenähte oder scharfe Kanten vorhanden sind und wo sie sich insofern weniger nachteilig auswirken.

Von gewissem Nachteil ist die Reduzierung des beispielsweise für eine Strömung zur Verfügung stehenden Querschnitts die mit der Ovalisierung verbunden ist, wenn diese ausgehend von einer kreisrunden Querschnittsform durch Abflachung dieser Form bzw. durch Verkleinerung einer Achse herbeigeführt wird. Zur Erreichung der erfindungsgemässen Vorteile genügt es jedoch, die Ovalisierung nur unmittelbar im Anschlussbereich vorzunehmen und innerhalb einer relativ kurzen Strecke stetig wieder zu einer kreisrunden Rohrform überzugehen. Die Länge dieser Übergangsstrecke L kann z. B. in der Grössenordnung des Durchmessers der kreisrunden Form des Anschlussrohres liegen, oder unter Umständen auch sehr kurz sein. Durch eine derartige begrenzte Querschnittsreduktion werden nur kleine Druckverluste verursacht, welche in Relation zu den Verlusten eines Gesamtsystems meist vernachlässigbar sind.

Der Begriff des Druckbehälters und/oder des rohrförmigen Anschlusses soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung sehr allgemein verstanden werden. In Frage kommen neben dem bereits angegebenen Beispiel grundsätzlich auch Kombinationen von Druckbehältern und Anschlüssen, bei welchen der Druckbehälter und der Anschluss etwa den gleichen Querschnitt aufweisen, wie dies z. B. bei sogenannten T-Stücken der Fall ist. Als Grenzfall eines einseitig geschlossenen zylindrischen, im Durchmesser verkleinerten Druckbehälters mit am geschlossenen Ende seitlich angesetztem Rohrstutzen kann ein Rohrbogen verstanden werden, wobei hierbei ein Unterschied zwischen dem als Druckbehälter dienenden Teil und dem als Rohrstutzen dienenen Teil nicht einmal mehr bestehen muss. Ein Rohrbogen kann andererseits auch als ein einarmiges T-Stück aufgefasst werden.

Der Begriff des Druckbehälters darf des weiteren, wie bereits erwähnt, nicht in dem Sinne einschränkend verstanden werden, dass dieser immer nur mit einem inneren Überdruck gegenüber z. B. äusserem Normaldruck belastet wird. Das erfinderische Prinzip und die daraus resultierende Geometrie bleibt nämlich dasselbe bei jeder Druckdifferenz-Situation und damit auch bei einem äusseren Überdruck gegenüber z. B. einem inneren Normaldruck, wie dieses z. B. bei Unterseeboten oder dergleichen gegeben ist. Somit sind Verwendungen sowohl als Innendruckbehälter als auch als Aussendruckbehälter möglich.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen zylindrischen Behälter mit angesetztem ovalem Rohrstutzen;

Fig. 2 unter a) in geschnittener Darstellung das Gehäuse eines Wasserzählers mit zwei sich gegenüberliegenden rohrförmigen Anschlussstutzen, unter b) eine Seitenansicht und unter c) eine Draufsicht des gleichen Gehäuses;

Fig. 3 unter a)-d) jeweils Viertelsegmente eines Gehäuses entsprechend dem von Fig. 2 jedoch mit unterschiedlich geformten Anschlussstutzen, wobei durch die abgestufte Grautönung der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils kenntlich gemacht ist; dabei bedeuten Weisstöne hohe und Schwarztöne niedrige Spannung;

Fig. 4 in einem Balkendiagramm die lokalen und globalen maximalen Vergleichsspannungen für verschiedene Anschlussovalitäten bei einem Behälter der Art von Fig. 2;

Fig. 5 in einer Ansicht sowie in mehreren Querschnitten ein nach der Erfindung ovalisiertes T-Stück;

Fig. 6 einen nach der Erfindung ovalisierten Rohrbogen halb aufgeschnitten in perspektivischer Darstellung;

Fig. 7 unter a)-d) jeweils Halbschalen von Rohrbögen entsprechend dem von Fig. 6 jedoch mit unterschiedlicher Ovalität, wobei durch die abgestufte Grautönung der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils kenntlich gemacht ist; und

Fig. 8 in einem Balkendiagramm die lokalen und globalen maximalen Vergleichsspannungen für verschiedene Ovalitäten bei einem Rohrbogen entsprechend dem von Fig. 6.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt als ein erstes einfaches Beispiel einen Druckbehälter 1 mit kreiszylindrischem Querschnitt, an welchem ein Rohrstutzen 2 seitlich an der Mantelfläche angeschlossen ist. Denkt man sich den Anschlussstutzen 2 weg, dann können für eine Belastung, die auftritt, wenn der Druckbehälter unter einen inneren Überdruck gesetzt wird, an der Anschlussstelle des Rohrstutzens drei Hauptspannungen angegeben werden. Unter der Anschlussstelle des Rohstutzens soll hierbei z. B. der Auftreffpunkt P der Stutzenachse A auf die Wand des Behälters 1 verstanden werden. Wegen der kreiszylindrischen Form des Druckbehälters 1 ist die Spannung in Umfangsrichtung etwa doppelt so gross wie die Spannung in Längsrichtung des Mantels. Indem der Rohrstutzen 2 von seinem Querschnitt her oval ausgebildet ist und indem die grosse Achse der ovalen Form in Umfangsrichtung des Behälters 1 und damit in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet ist, wird eine Reduktion der Spannungen sowie eine günstige Verteilung der Spannungen vor allem im Anschlussbereich des Rohrstutzens 2 erreicht. Dabei ist die kleine Achse der ovalen Form als Folge der Geomtrie senkrecht zur grossen Achse und damit in Längsrichtung des Mantels ausgerichtet.

Fig. 2 zeigt unter a), b) und c) einen Druckbehälter 3, wie er z. B. für Wasserzähler verwendet wird, in drei Ansichten. Der Druckbehälter 3 weist einen im wesentlichen zylindrischen Hauptkörper 4 auf, welcher im vorliegenden Beispiel unten durch eine Kugelkappe abgeschlossenen ist. Seitlich an den zylindrischen Teil 4 angesetzt sind zwei Anschlussstutzen 5 und 6. Der Anschlussstutzen 5 ist im Übergangsbereich L und der Schnittfläche seiner Anschlusstelle oval und damit nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Die Richtung der grossen Achse der ovalen Form ist, wie unter b) erkennbar, in Umfangsrichtung des zylindrischen Teils ausgerichtet. Dabei entspricht im vorliegenden Beispiel die grosse Achse dem Kreisdurchmesser des Anschlussrohres, wie auch in der Draufsicht unter c) zu sehen ist. Die im Anschlussbereich auftretenden maximalen Vergleichsspannungen werden dadurch reduziert und gleichzeitig verschoben.

Zum freien Ende des Anschlussstutzens 5 hin geht der ovale Querschnitt in einen kreisrunden Querschnitt über, wodurch der Stutzen wesentlich einfacher, beispielsweise auch mittel einer Schraubverbindung mit weiteren Rohrleitungen oder dergleichen verbindbar ist. Die Übergangslänge L zwischen der ovalen Form und der kreisrunden Form ist hierbei so gewählt, dass sich ein relativ sanfter Übergang ergibt und keine zusätzlich Spannungen erzeugt werden. Im Beispielsfall entspricht die Übergangslänge L etwa der Hälfte des Durchmessers der kreisrunden Form.

Der Anschlussstutzen 6 ist nicht ovalisiert und damit nicht gemäss der Erfindung ausgebildet. Er dient hier nur zur vergleichsweisen Darstellung des Standes der Technik.

Fig. 3 zeigt unter a)-d) jeweils Viertelsegmente 7 eines Gehäuses entsprechend dem von Fig. 2 jedoch mit unterschiedlich geformten Anschlussstutzen 8.1.-8.4, wobei durch die Schattierung der sich rechnerisch ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung kenntlich gemacht ist. Die Anschlussstuzten sind lediglich aus rechentechnischen Gründen geschlossen ausgebildet. Die Berechnung des Spannungszustandes beruht auf einem Finite Elemente Modell. Der an sich mehrdimensionale Spannungszustand ist durch eine skalare Grösse, die sogenannte Vergleichs- oder von Mieses-Spannung σ_v angegeben, die aus dem Spannungszustand auf definierte und dem Fachmann bekannte Weise ableitbar ist. Von dieser Art der Charakterisierung des Spannungszustands wird übrigens auch im Rahmen der weiter unten noch beschriebenen Fig. 4, 7 und 8 Gebrauch gemacht.

Zunächst zeigt Bild a) als Referenz den Fall mit einem Anschlussstutzen mit kreisrundem Querschnitt, wobei für die Berechnung von einem Durchmesser von 40 mm ausgegangen wurde, was einem üblichen Rohrleitungsdurchmesser z. B. von Wasserrohren entspricht. Erkennbar ergeben sich in den Zonen I und II hohe Spannungskonzentrationen (weisse Bereiche in Fig. 3a)). Wird der Behälter spritzgusstechnisch durch Anspritzen auf das Zentrum der Kugelkappe (oben in Fig. 3a)) hergestellt, ergibt sich zusätzlich etwa entlang der mit 9 bezeichneten Schnittkante in Fliessrichtung hinter dem Anschlussstutzen 8.1 eine Bindenaht durch das Zusammenfliessen zweier Schmelzströme in der Spritzgussform. Da diese mit der Zone II hoher Spannung zusammenfällt, kumulieren hier zwei ungünstige Einflussfaktoren bezüglich der Festigkeit des Behälters.

In der Folge der Bilder b)-c) and d) lässt sich erkennen, wie sich die Spannungen in den Bereichen I und II reduzieren und sich auch verschieben. In Bild b) beträgt die Ovalität 40 : 32, in Bild c) 40 : 26 und in Bild d) 40 : 22. Die zweite Zahl entspricht hierbei jeweils der Länge der kleinen Achse d in Millimetern, während die grosse Achse D bei den erwähnten 40 mm des kreisrunden Referenzquerschnitts belassen wurde. Der günstigste Fall dürfte hier in Bild c) vorliegen, da hier kaum Spannungskonzentrationen vorliegen und die Spannungen auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau recht gleichmässig verteilt sind. In Bild d) hat sich in einem Bereich III dagegen bereits schon wieder eine Zone hoher Spannung ausgebildet.

Der Einfluss der Stutzenovalität auf die maximale Vergleichsspannung ist in Fig. 4 zusätzlich in Form eines Balkendiagramms dargestellt, wobei hier zusätzlich zu Fig. 3 noch weitere Ovalitäten berücksichtigt sind. Entlang der horizontalen Achse variiert die Ovalität, welche einerseits ausgedrückt ist durch das Verhältnis D/d der Länge D der langen Achse zur Länge d der kurzen Achse z. B. jeweils in Millimetern. Der sich ergebende Verhältniswert für die Ovalität O ist ebenfalls jeweils angegeben. Die Höhe der schraffierten Balken gibt in relativer Einheit σ_v einerseits die bei I oder II auftretende, als lokale bezeichnete maximale Vergleichsspannung an, während die Höhe der nicht schraffierten Balken die auftretende, als globale bezeichnete maximale Vergleichsspannung irgendwo, in Bild d) z. B. an der Stelle III, angibt. Solange das globale Maximum an den Stellen I und II liegt, ist die lokale maximale Vergleichsspannung mit der globalen identisch. Erkennbar nehmen die lokale wie auch die globale maximale Vergleichsspannung vom runden Querschnitt ausgehend (Ovalität 40 : 40 bzw. 1) mit zunehmender Ovalität zunächst ab. Erst ab der Mitte des Diagramms nimmt die globale maximale Vergleichsspannung wieder zu, weil sich ab hier im Bereich III eine Spannungszone auszubilden beginnt. Die lokale maximale Vergleichsspannung in den Bereichen I und II nimmt hingegen weiter ab. Je nach den gestellten Anforderungen an das Bauteil wird man die Ovalität nach den aus Fig. 4 entnehmbaren Spannungsverläufen geeignet bemessen, wobei sich z. B. eine Ovalität im Bereich von 1,5 bis 1,7 anbietet. Unter Berücksichtigung der reduzierten Materialfestigkeit entlang der Bindenaht von Spritzgussteilen und wenn ein maximaler Berstdruck für das Bauteil errreicht werden soll, kann es ggf. jedoch auch sinnvoll sein, die Ovalität in dem Bereich zu wählen, in dem die globale maximale Vergleichsspannung schon wieder ansteigt.

Bei den Behältern der Art von Fig. 2 kann die globale wie auch die lokale maximale Vergleichsspannung um mehr als 50% gesenkt werden.

Ganz rechts in Fig. 4 ist zum Vergleich noch der Fall dargestellt, der sich für einen runden Querschnitt ohne Ovalität mit einem Durchmesser von 30.6 mm ergeben würde. Bei diesem Durchmesser ergibt sich die gleiche Querschnittsfläche wie in dem Fall und 24 mm. Man erkennt aus der Höhe der Balken dieses Falls, dass durch eine einfache Querschnittsverringerung ohne gleichzeitige Ovalisierung der erfindungsgemäss angestrebte Effekt einer namhaften Spannungsreduktion nicht erzielbar ist. Umgekehrt ausgedrückt könnte man auch sagen, dass die Reduktion der maximalen Vergleichsspannung in erster Linie auf die Ovalisierung und nur zu einem kleinen Teil auf die Abnahme des freien Querschnitts durch die gemäss Fig. 4 (Variante 40 : 24) vorgenommene Verkleinerung der kleinen Achse zurückzuführen ist.

Als ein weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemässe Lehre zeigt Fig. 5 ein T- Stück 10 mit drei ovalisierten Anschlüssen 11, 12 und 13, welche alle in der gleichen Ebene (Zeichenebene) liegen und etwa auch den gleichen Querschnitt aufweisen. Die grosse Achse der ovalen Form der drei Anschlüsse ist erfindungsgemäss jeweils senkrecht zu der genannten Ebene gewählt. Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse 11 und 12 könnten z. B. mit dem Behälter 1 von Fig. 1 gleichgesetzt werden, wobei der Anschluss 13 in diesem Fall dem Rohrstutzen 2 entsprechen würde. Im Unterschied zum Beispiel von Fig. 1 sind hier hier alle drei Anschlüsse ovalisiert, wie dies anhand der dargestellten Querschnitte B-B und C-C auch erkennbar ist. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, nur zwei der drei Anschlüsse, z. B. die Anschlüsse 11 und 12, oder auch nur einen der Anschlüsse, wie z. B. den Anschluss 13, zu ovalisieren. Wie beim Anschlussstutzen 5 von Fig. 2 ist der ovale Querschnitt aller drei Anschlüsse zu ihren freien Enden hin auf einer relativ kurzen Strecke wieder in eine runde Querschittsform überführt, so dass an den Anschlüssen jeweils runde Rohre beispielsweise über eine Schraubverbindung angeschlossen werden können. Die runden Querschnitte sind in Fig. 5 mit A-A bzw. D-D bezeichnet.

Lässt man im Anwendungsbeispiel von Fig. 5 z. B. einen der beiden sich gegenüberliegenden Anschlüsse 11 oder 12 weg, so erhält man einen 90°-Rohrbogen.

Fig. 6 zeigt einen Spezialfall, nämlich einen spritzgusstechnisch herstellbaren Rohrbogen 14 halb aufgeschnitten in perspektivischer Darstellung, bei dem sich herstellungsbedingt scharfe Kanten ergeben. Die beiden Anschlussstutzen 15 und 16 sind jeweils ovalisiert. Die grosse Achse der ovalen eben. Form ist bei beiden Anschlüssen senkrecht zur Ebene des Rohrbogens gewählt. Von einem Übergang zu einem runden Querschnitt zu ihren freien Enden hin ist hier kein Gebrauch gemacht. Dies wäre jedoch möglich und ist an sich auch bevorzugt. Der Anschluss 15 ist aus rein rechentechnischen Gründen wieder geschlossen dargestellt.

Fig. 7 zeigt unter a)-d) jeweils Halbschalen von Rohrbögen entsprechend dem von Fig. 6 jedoch mit unterschiedlicher Ovalität, wobei durch die Schattierung wie bereits in Fig. 3 der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils wieder kenntlich gemacht ist. Bild a) von Fig. 7 zeigt als Referenz zunächst den Fall mit einem runden, nicht ovalisierten Querschnitt. Man erkennt im Bereich I besonders hohe Vergleichsspannungskonzentrationen (weisser Bereich).

Anhand der Folge der Bilder b)-d), bei denen nur die kleine Achse in der Zeichenebene unter Festhalten der Länge der grossen Achse wieder schrittweise verkleinert wurde, wird deutlich, dass mit zunehmender Ovalität der Anschlüsse 15 und 16 die Spannungen im Bereich I abnehmen, andererseits jedoch in den Bereichen II und III neue Spannungskonzentrationen entstehen, wenngleich in den Bildern b) und c) flächenmässig grösser verteilt und insgesamt noch auf einem niedrigen Niveau. Erst in Bild d) sind die Vergleichsspannungen in den Zentren der Bereiche II und III deutlich erhöht. In Bild b) beträgt die Ovalität 20 : 18, in Bild c) 20 : 16 und in Bild d) 20 : 14.

Fig. 8 zeigt schliesslich noch die vier Fälle von Fig. 7 in einem Balkendiagramm entsprechend Fig. 4, wobei wie in Fig. 4 die lokalen und die globalen maximalen Vergleichsspannungen jeweils auch wieder nebeneinander dargestellt sind. Anhand des Diagramms ergibt sich besonders deutlich, dass der optimale Effekt im Bereich einer Ovalität von ca. 20 : 16 liegen dürfte. Im Falle der Ovalität von 20 : 16 ist die globale maximale Vergleichsspannung gegenüber der runden Referenzform um ca. 47% reduziert, die lokale maximale Vergleichsspannung an der Krümmungsinnenseite sogar um ca. 65%.

Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass die Erfindungsidee der Ovalisierung an vielen verschiedenen Behälter- und Anschlussgeometrien realisierbar ist, wobei, wie bereits ausgeführt, der Begriff des Behälters und des Anschlusses sehr allgemein verstanden werden kann und sollte. Das Beispiel des Rohrbogens zeigt insbesondere, dass die beiden Begriffe Behälter einerseits und Anschluss andererseits ggf. sogar dieselbe Geometrie bezeichnen und begrifflich miteinander vertauscht werden können.

Mit besonderem Vorteil anwendbar ist die Erfindung bei Spritzgussteilen, weil sich hierbei bei vielen geometrischen Formen Bindenähte gerade dort nicht vermeiden lassen, wo geometrisch bedingt die höchsten Spannungen auftreten.

Als Material für die spritzgusstechnische Herstellung der vorbeschrieben Formen eignen sich u. a. thermoplastische Kunststoffe, insbesondere solche aus einem glasfaserverstärkten Polymer, wobei das Polymer mit Vorteil ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyamide und Copolyamide und einen Schmelzpunkt von mindestens 250°C besitzt, wie z. B. PA66 und PA46. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Polymers, bei welchem es sich um ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 300°C bis 350°C handelt. Ein solches speziell gut geeignetes Polymer ist beispielsweise unter der Bezeichnung "GRIVORY® HTV-5H1" von der Firma Ems-Chemie AG/Ems-Grivory, Domat/Ems, Schweiz, im Handel erhältlich. Es handelt sich dabei um ein mit 50 Gewichts-% Glasfasern (bezogen auf das gesamte Gewicht) verstärktes PA 6T/61 mit Schmelzpunkt 325 °C, also ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid aus den Monomerkomponenten Hexamethylendiamin, Terephthalsäure und Isophthalsäure. Das Material eignet sich allgemein speziell zur Herstellung äusserst steifer, fester, wärmebeständiger und massgenauer Spritzgussteile und zeichnet sich überdies durch sehr gute Chemikalienbeständigkeit aus. Die Massetemperatur beim Spritzgiessen beträgt ca. 345°C.

Abschliessend soll noch darauf hingewiesen werden, dass Druckbehälter nicht nur aus Kunststoffen, sondern im Prinzip aus allen geeigneten Werkstoffen hergestellt werden können. Insbesondere ist die Erfindung auch im Metallbehälterbau anwendbar. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung beim Metalldruckguss (z. B. Aluminium) einsetzen.

BEZEICHNUNGSLISTE

1

Druckbehälter

2

ovalisierter Anschlussstutzen am Druckbehälter

1

3

Druckbehälter

4

zylindrischer Hauptkörper des Druckbehälters

3

5

ovalisierter Anschlussstutzen am Druckbehälter

3

6

runder Anschlussstutzen am Druckbehälter

3

7

Viertelsegmente des Druckbehälters

3

8.1-8.4

Anschlussstutzen an den Viertelsegmenten

7

9

Schnittkante/Bindenaht

10

T-Stück

11-13

Anschlüsse des T-Stücks

11

14

Rohrbogen

15

,

16

Anschlüsse des Rohrbogens
A Stutzenachse
P Auftreffpunkt der Stutzenachse
I, II, III Spannungszonen
L Übergangslänge
D Länge der grossen Achse der ovalen Form
d Länger der kleinen Achse der ovalen Form
O Ovalität
σ_v

Vergleichsspannung (bzw. maximale Vergleichsspannung)

Claims

1. Druckbehälter (1, 3, 10, 14) mit wenigstens einem rohrförmigen Anschluss (2; 5; 8.2- 8.4; 11-13; 15, 16) an einer Öffnung in der Behälterwand, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Öffnung und des rohrförmigen Anschlusses an dieser Öffnung oval und mit der grossen Achse der ovalen Form in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet sind, welche sich bei Beaufschlagung des Druckbehälters mit einem inneren Überdruck an der Anschlusstelle ohne die Öffnung und den Anschluss ergeben würde.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er (3) einen im wesentlichen zylindrischen Hauptkörper (4) aufweist, an welchem seitlich an den zylindrischen Teil zwei sich vorzugsweise gegenüberliegende Anschlussstutzen (5, 6) mit wenigstens abschnittsweise ovalem Querschnitt angesetzt sind, wobei die grosse Achse der ovalen Form in Umfangsrichtung des zylindrischen Hauptkörpers ausgerichtet ist.

3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als T-Stück (10) mit drei in einer Ebene liegenden Anschlüssen (11, 12, 13) ausgebildet ist, von denen mindestens einer wenigstens abschnittsweise im Querschnitt oval ausgebildet ist, wobei die grosse Achse der ovalen Form jeweils senkrecht zu der genannten Ebene ausgerichtet ist.

4. Druckbehälter Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Rohrbogen (14) mit zwei in einer Ebene liegenden, im wesentlichen formgleichen, wenigstens abschnittsweise im Querschnitt ovalen Anschlüssen (15, 16) ausgebildet ist, wobei die grosse Achse der ovalen Form jeweils senkrecht zu der genannten Ebene ausgerichtet ist.

5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ovalität als Verhältnis der grossen (D) zur kleinen (d) Achse der ovalen Form im Bereich zwischen 1,1 und 3,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,1 und 2,5, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1,1 und 1,9 gewählt ist.

6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Druckgussteil ist.

7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Polymer besteht.

8. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Spritzgussteil ist.

9. Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Bindenaht aufweist und dass die Bindenaht in Richtung der kleinen Achse der ovalen Form verlaufend gewählt ist.

10. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyamide und Copolyamide und einen Schmelzpunkt von mindestens 250°C besitzt.

11. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymer um ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 300°C bis 350°C handelt.

12. Verwendung des Druckbehälters nach einem der Ansprüche 1-11 als Innendruckbehälter.

13. Verwendung des Druckbehälters nach einem der Ansprüche 1-11 als Aussendruckbehälter.