[0001] Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus Kunststoff, insbesondere Druckluftbehälter
für Bremskraftanlagen und pneumatische Hilfseinrichtungen an Lastkraftwagen, Trucks,
Omnibussen, Schienenfahrzeugen oder an Feuerlöschanlagen, mit einem Behältermantel
aus einem spritzgußgeformten, aus Linerteilen zusammengesetzten Linerkörper aus faserverstärktem
Polyethylen, Polypropylen, oder Polyamid, in dessen Polkappen Anschlussmuffen unverlierbar
eingeformt sind, einer auf dem Linerkörper angeordneten Armierungsschicht aus Glasfaserband
und einer auf letzterer angeordneten spritzgußgeformten unverlierbaren Umhüllung aus
faserverstärktem Polyethylen, Polypropylen, oder Polyamid.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters aus
Kunststoff, insbesondere Druckluftbehälter für Bremskraftanlagen und pneumatische
Hilfseinrichtungen an Lastkraftwagen, Trucks, Omnibussen, Schienenfahrzeugen oder
an Feuerlöschanlagen, bei dem zunächst Linerteile mit Polkappen aus glasfaserverstärktem
Polyethylen-, Polypropylen- oder Polyamidgranulat mittels Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug
gespritzt werden, wobei im Zentrum der Polkappen eingebrachte Anschlussmuffen vom
Kunststoff eingebettet werden, die Linerteile durch Fügen in einer Fügemaschine zu
einem Linerkörper miteinander verbunden werden, der gefügte Linerkörper mit einer
Armierungsschicht aus Glasfasern in einer Wickelmaschine bewickelt wird und der so
armierte Linerkörper mit einer Umhüllung aus faserverstärktem Polyethylen, Polypropylen,
oder Polyamid umspritzt wird.
Stand der Technik
[0004] So ist aus
EP 0 635 672 A1 ein Druckbehälter, insbesondere Druckspeicherbehälter für Bremskraftanlagen und pneumatische
Hilfseinrichtungen an Lastkraftwagen, Trucks, Omnibussen, Schienenfahrzeugen u.ä.
oder für Feuerlöschanlagen bekannt, der aus einem flüssigkeitsdichten spritzgußgeformten
Liner bzw. Grundkörper aus Thermoplast wie Polypropylen, Polyethylen, Polyamid u.ä.
besteht, in dem Öffnungen für Anschlußmuffen vorgesehen sind und einer auf dem Liner
angeordneten Armierungsschicht. Der Liner besteht aus einem als verlorene Form ausgebildeten
Körper aus mit kurzen Glasfasern verstärktem Thermoplast und ist allseitig von einer
einstückigen unverlierbaren Hülle umgeben. Die Hülle besteht aus mit kurzen Fasern,
vorzugsweise Glasfasern, verstärkten und mit Füllstoffen versetzten Polypropylen oder
Polyamid oder modifizierten Polypropylenether oder Polyphenylsulfid oder Polyetherimid.
Die Armierungsschicht setzt sich aus im Kreuzverbund unter etwa 55° zueinander gewickelten
Glasfasern oder Metalldrähten oder Drahtgeflechten zusammen.
[0005] In der
DE 198 32 145 A1 und der
DE 199 37 470 A1 sind Behälter zur Speicherung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Medien unter
einem Betriebsdruck oberhalb des Atmosphärendrucks offenbart, wobei der Behälter einen
zur Speicherung des Mediums vorgesehenen Hohlraum umschließt und wobei mindestens
ein Anschluß zum Be- und/oder Entladen vorgesehen ist. Der Druckbehälter besteht wenigstens
teilweise aus einem Rohr, welches wiederum aus faserverstärktem, thermoplastischem
Kunststoff hergestellt ist, wobei das Material des Rohrs zu mehr als 10 Vol.-% aus
Fasern mit einer durchschnittlichen Faserlänge von mehr als 50 mm besteht. Der Boden
ist als separates Teil ausgebildet und besteht ebenfalls aus einem Faser-Kunststoff-VerbundMaterial
mit Kurz-, Lang- oder Endlosfasern. Der Boden ist dabei nach innen gewölbt in den
Behälterraum ausgebildet. Am Boden ist ein umlaufender Kragen angeordnet, der an der
Innenwandung des Mittelteils anliegt und mit diesem verbunden ist.
[0006] Bei dem Stand der Technik nach
DE 198 32 145 A1 handelt es sich um einen Composit-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien
unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff und zwei im Halsbereich angeordneten Halsstücken
sowie mit einer den Liner verstärkenden Wicklung eines Faserverbundwerkstoffes, von
denen mindestens eines zur Aufnahme eines einschraubbaren, ein Gewinde aufweisenden
Ventils ausgebildet ist und beide Halsstücke in dem dem Druckbehälter zugewandten
Eckbereich mit einem flach verlaufenden kegelstumpfartigen Kragen versehen sind, der
innenseitig vom Liner und außenseitig von der verstärkenden Wicklung umgeben ist.
Die Polkappen des Druckbehälters sind mit einer schlagabsorbierenden Schicht versehen.
[0007] Die
DE 100 00 705 A1 beschreibt einen mit einem Faserkunststoffverbund verstärkten Kunststoffkernbehälter
zur Speicherung von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck, der ein oder
mehrere Anschlußstücke im Hals und/oder Boden und/oder zylindrischen Behälterteil
aufweist, von denen mindestens ein Anschlußstück zur Aufnahme einer einschraubbaren
zylindrischen oder konischen Gewinde aufweisenden Druckleitungszuführung wie z.B.
ein Ventil oder Rohrleitungsanschluß ausgebildet ist. Im Anschlußzapfen des Kunststoff-Kernbehälters
ist ein zylindrisches Insert mit einem am Anschlußzapfenende einhüllendes bzw. umlaufendes
Kragenende montiert, wobei mindestens zwei Dichtungen in der Weise angeordnet sind,
dass mindestens eine Dichtung zwischen Insert und Innenoberfläche des Kunststoffanschlußzapfens
des Kunststoffkernbehälters sowie mindestens eine weitere Dichtung zwischen Insert
und Druckleitungszuführung angeordnet ist.
[0008] Nach der
EP 0 147 042 A1 ist ein Behälter zur Lagerung und zum Transport von Fluiden unter Druck bekannt,
der einen thermoplastischen inneren blasgeformten bzw. Liner aus Polyetyhlen, Polyethylentertaphlat,
Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyvinyldienchlorid besitzt, welcher mit einer
äußeren Schicht aus Kohlenstoff-Fasern, Polyamidfasern, Glasfasern, glasfaserverstärkten
Polyesterfasern oder glasfaserverstärkten phenolischen Epoxidharz umwickelt wird.
[0009] Des weiteren ist aus der
EP 0 518 272 A1 ein Behälter bekannt, der ein unter Druck stehendes Fluid aufnehmen soll, mit einem
Mantel von in wesentlichen zylindrischer Form und zwei im wesentlichen sphärischen
Böden, die den Mantel an seinen Enden verschließen. Der Behälter weist eine äußere
Hülle aus Verbundmaterial, eine mit der äußeren Hülle fest verbundene innere Hülle,
eine erste Öffnung, die die innere und äußere Hülle durchstößt und ein Verstärkungselement
der äußeren Hülle um die erste Öffnung herum auf, das sich im Inneren der äußeren
Hülle befindet und ebenfalls eine Öffnung enthält, die mit der zweiten Öffnung zusammenwirkt.
Die erste Öffnung befindet sich im Mantelbereich und ist mit Mitteln zur Befestigung
des Behälters versehen. Das Verstärkungselement ist zwischen der inneren und äußeren
Hülle eingefügt. Es weist eine zur Innenseite des Behälters ausgerichtete ebene Seite
und einen derart angepassten Umriss auf, dass die Außenoberfläche des Behälters beibehalten
wird. Das Verstärkungselement nimmt mindestens die gesamte Länge des Mantels ein.
Die innere Hülle wird gegossen, wobei die Form so gewählt wird, dass das Einfügen
des Verstärkungselements nicht das für den Behälter vorgesehene Profil stört. Die
äußere Hülle besteht aus einem Fasermaterial, das auf die mit dem Verstärkungselement
versehenen inneren Hülle aufgewickelt wird. Anschließend wird eine Wärmebehandlung
des Behälters vorgenommen.
[0010] Der in der
EP 0 666 450 A1 beschriebene Druckbehälter umfasst einen aus Kunststoff bestehenden Liner mit einem
zylindrischen Mittelteil, zwei kalottenförmigen Endteilen und einen den Liner umfüllenden
Außenmantel mit einer Mehrzahl in radialer Richtung übereinander angeordneten Tangentialwicklungen
und Axialwicklungen aus einem faserverstärktem Kunststoff, wobei die unterste Wicklung
als Tangentialwicklung ausgebildet ist und sich in axialer Richtung im wesentlichen
über den zylindrischen Mittelteil des Liners erstreckt. Die unterste Wicklung im Mittelbereich
weist eine erste Dicke auf und geht an beiden Enden in einen Wicklungsrand über, welcher
eine zweite Dicke aufweist, die größer ist als die erste Dicke.
[0011] Ebenso ist es bekannt, den Liner mit glasfaserverstärkten Bändern sowohl in Längs-
als auch in Querrichtung zur Linerachse zu bewickeln (siehe
DE 2 152 123 A1,
DE 2 423 497 A1,
DE 2 516 395 C2,
DE 38 21 852 A1,
EP 0 147 042 A1,
EP 0 588 836 A1,
EP 0 635 672 B1,
EP 0 666 450 A1,
WO 90/01649 A1,
US 3 112 234 A,
US 4 905 856 A).
[0012] Aus der
DE 2 152 123 A ist ein Druckbehälter, insbesondere Druckgasbehälter bekannt, der aus einem formstabilen,
rotationssymmetrischen, gasdichten und in seinem mittleren Bereich zylindrischen Innenbehälter,
zwei von außen auf die Böden des Innenbehälters koaxial aufgesetzten Polstücken und
einem auf den Innenbehälter unter Erfassung der Polstücke gewickelten, aus Endlosfäden
und ausgehärtetem Kunststoff laminierten Außenmantel besteht, wobei ein Boden des
Innenbehälters und das darauf aufgesetzte Polstück mit einer Öffnung zum dichten Anschluss
eines Ventils o. dgl. vorgesehen sind.
[0013] In dem bekannten Stand der Technik nach
DE 2 423 497 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten kunstharzgetränkten Hohlkörpers
im Wickelverfahren mit einem im Fertigteil verbleibenden Dorn beansprucht, wobei als
Dorn ein den Aufbau der Struktur des Hohlkörpers mitbewirkender faserverstärkter Stützkörper
geformt und ausgehärtet wird. Der Stützkörper hat zwei Endkappen und ist mit mindestens
einer den Stützkörper und die Endkappen erfassenden Wickelschicht versehen. Die Wickelschichten
werden in Form von Längswicklungen mit spitzem Wickelwinkel und in Form von Umfangswicklungen
von annähernd 90° aufgebracht.
[0014] Die
DE 2 516 395 A1 offenbart einen Druckbehälter, der als ein Aluminiumgefäß ausgebildet ist, das einen
zylinderförmigen Teil und an jedem Ende des zylinderförmigen Teils ein haubenförmiges
Endteil besitzt, wobei das zylinderförmige und die haubenförmige Teile im wesentlichen
eine gleiche Dicke haben. Um das Aluminiumgefäß ist eine Wicklungsanordnung aus abwechselnd
in polar orientierten und in Umfangsrichtung orientierten Glasfasergewebe vorgesehen.
Mindestens eine in Umfangsrichtung orientierte Wicklungsanordnung ist über die Verbindungsstellen
zwischen dem zylinderförmigen und den haubenförmigen Endteilen gewickelt. Die Umwicklung
befindet sich in einem vorbelasteten Zustand, so dass Druckkräfte auf die äußere Oberfläche
des Gefäßes ausgeübt werden.
[0015] Nach der
DE 38 21 852 A1 ist eine Druckgasflasche für hohen Gasdruck bekannt, die aus einem Aluminiumliner
und aus einer umfangsseitigen Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht,
wobei der Liner einen zylindrischen Bereich und sphärisch geformte Polkappen mit Anschlußstutzen
aufweist. Der Liner einschließlich seiner Polkappen ist mit einer ersten Schicht von
Glasfasern in Kreuzwicklung versehen. Eine zweite Schicht ist hauptsächlich im zylindrischen
Teil des Liners vorgesehen, wobei die Glasfasern in einer Umfangswicklung vorliegen.
[0016] Die
WO 01/57429 A1 beschreibt einen faserverstärkten Druckbehälter, dessen gas- oder flüssigkeitsdichter
Körper mit Faserband vollständig umwickelt ist, wobei die Faserbänder nicht in einer
Matrix eingebettet und zumindest eine Zahl von Faserbändern zueinander frei beweglich
sind. Die Faserbänder sind so gewickelt, dass sobald der Druckbehälter unter inneren
Druck steht, die Faserbänder exakt in ihrer Längsrichtung belastet werden.
[0017] Aus der
EP 0 588 836 A1 ist ein Kunststofftank bzw. Behälter bekannt, der mit Glasfasern oder entsprechenden
Verstärkungsfilamenten verstärkt ist und aus bevorzugterweise zylindrischen Tankhälften
zusammengesetzt ist, wobei jede einen Boden und einer der beiden Böden eine Verbindungsöffnung
hat. Die offenen Enden der Tankhälften sind konisch angeschrägt und ineinander als
ein Einfügeteil in ein Aufnahmeteil eingesetzt und durch einen Kleber zusammengehalten.
Die Tankhälften enthalten äußere und innere Schichten, die im wesentlichen quer verlaufende
Verstärkungsstränge sind, wobei die innere Schicht des Einfügeteils und die äußere
Schicht des Aufnahmeteils jeweils eine Schicht aus dicht angeordneten Verstärkungssträngen
in einer Anzahl von Lagen aus flach liegenden Rovings enthält. Dieser bekannte Stand
der Technik offenbart auch ein Verfahren zum Herstellen eines Verstärkungskörpers
aus Fasersträngen zum Einsetzen in eine Gießform zum Gießen eines faserverstärkten
Zylinders mit einem geschlossenen Ende, auf dem längs- und querverlaufende Verstärkungsstränge
aufgewickelt sind, die durch Erhitzen schmelzbaren Harzpulvers miteinander verbunden
werden.
[0018] Des weiteren ist aus der
US 3 112 234 A ein Verfahren zur Herstellung eines faserbewickelten Druckbehälters aus Stahl bekannt,
bei dem zunächst der zylindrische Behälter annähernd in seiner Längsrichtung und anschließend
in Querrichtung mit Fasersträngen bewickelt wird.
[0019] Auch für die Integration von Anschlußmuffen oder sonstigen Bauteilen in Composite-Behälter
ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt (
DE 25 38 433 A1,
DE 195 26 154 A1,
DE 196 31 546 C1,
DE 197 51 411 C1,
DE 100 00 705 A1,
EP 0 550 951 B1,
EP 0 553 728 A1,
WO 94/23240 A1,
US 4 685 589,
US 4 905 856,
US 5 287 988 A).
[0020] So offenbart die
DE 25 38 433 A1 einen Druckbehälter, der aus einem formstabilen, gasdichten und in seinem mittleren
Bereich zylindrischen Innenbehälter, zwei von außen auf die Böden des Innenbehälters
koaxial aufgesetzten Polstücken und einem unter Erfassung der Polstücke auf den Innenbehälter
gewickelten Außenmantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff, wobei ein Boden des Innenbehälters
und das mit einem flanschförmigen Teil darauf aufgesetzte Polstück mit einer Öffnung
zum dichten Anschluß eines Anschlussstückes versehen sind und der Innenbehälter an
seinem Öffnungsrand einen angeformten axial nach außen gerichteten und zylindrischen
Hals aufweist, dessen Kontur mit der des Polstücks und des Anschlussstücks übereinstimmt
und der durch das mit dem Polstück durch Schraubverbindungen zusammenhängenden Anschlussstück
radial gegen das Polstück gepresst wird.
Der Innenbehälterhals, die Innenkontur des Polstücks und die Außenkontur des Anschlussstücks
sind konisch nach außen verengend ausgebildet.
[0021] Beim bekannten Composite-Behälter nach
DE 195 26 154 A1 zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck besteht der Liner aus Kunststoff
und hat zwei im Halsbereich liegende Öffnungen, in denen je ein die Öffnung verschließendes
und/oder abdichtendes Halsstück angeordnet ist, von denen mindestens eines zur Aufnahme
eines einschraubbaren Ventils ausgebildet ist. Beide Halsstücke sind mit einem in
dem Druckbehälter zugewandten Endbereich mit einem flachverlaufenden, kegelstumpfartigen
Kragen versehen, der von den Elementen des Liners und/oder der verstärkenden Wicklung
umgeben ist sowie mit einer die Mittelachse als Symmetrieachse einschließenden und
von der Innenseite her sich erstreckenden Ausnehmung, die im Fall des Ventilhalsstücks
in die Bohrung des Ventilschraubbereichs übergeht.
[0022] Bei einem weiteren bekannten Composite-Druckbehälter (
DE 196 31 546 C1) zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem Liner aus Kunststoff
und zwei im Halsbereich angeordneten Halsstücken sowie mit einer den Liner verstärkenden
Wicklung eines Faserverbundwerkstoffs, von denen mindestens eines zur Aufnahme eines
einschraubbaren, ein zylindrisches Gewinde aufweisenden Ventils ausgebildet ist und
beide Halsstücke in dem dem Druckbehälterzugewandten Endbereich mit einem flachverlaufenden
kegelstumpfartigen Kragen versehen ist, dessen Rand stark abgerundet und dessen Neigung
dem Konturverlauf des Liners im Übergangsbereich vom zylindrischen Mantelbereich zum
Halsbereich angepasst ist, kommt die verstärkende Wicklung im am Halsstück angrenzenden
Bereich der Oberseite des Kragens und im Randbereich der Oberseite sowie der Unterseite
des Kragens der Liner zur Anlage.
[0023] Alle diese bekannten Druckbehälter aus Kunststoff weisen einen, aus dem Metallbehälterbau
übernommenen zylindrischen Mittel- oder Mantelteil auf, der durch entsprechende Böden
beiderseits verschlossen wird. Vor allem bei kalottenförmigen oder auch nach innen
gewölbten Böden entstehen im Übergang vom Mantel- in den Bodenbereich Spannungsspitzen,
die häufig zum Bruch an diesen Übergängen oder zum Lösen des Bodenteils vom Mantelteils
führen. Es gilt die Grundregel, je kleiner der Übergangsradius um so größer ist die
Gefahr eines Spannungsbruchs trotz Verstärkungsmaßnahmen unterschiedlichster Art.
Selbst der Übergang von einem zylindrischen Mantelbereich in einen sphärischen Polbereich
mit einem etwas größeren Radius vermag die Bruchgefahr, insbesondere bei an- und abschwellender
Dauerbeanspruchung wie sie insbesondere in Bremskraftanlagen auftritt, nicht genügend
zu reduzieren (
DE 38 21 852 A1). Die im Behältermantel verlaufenden Spannungslinien der Spannungsresultanten werden
im Biegebereich (Übergang) vom zylindrischen Mantel in den Bodenbereich durch die
sehr hohen Lastwechsel so verstärkt, dass zwangläufig ein Überschreiten der Bruchspannung
eintritt. Deshalb haben sich die bekannten Druckbehälter vor allem für Bremsluftanlagen
im LKW- und Schienenfahrzeugbau bisher nicht durchsetzen können. Es kommen deshalb
nach wie vor metallische, insbesondere Druckbehälter aus Stahl mit all ihren Nachteilen
wie hohes Gewicht, erhebliche Fertigungsaufwendungen und Korrosionsanfälligkeit zum
Einsatz.
[0024] Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Composit-Druckbehälter
der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die komplexe Eigenschaftsgewährleistung
von Bremsluftbehältern wie hohe Zähigkeiten auch bei niedrigen Temperaturen, hohe
Schlag- und Bruchfestigkeit bei dynamischer Beanspruchung im Überdruckbereich von
8,5 bis 20 bar, eine hohe Lebensdauer von mindestens 15 Jahren trotz ständiger Lastwechselbeanspruchung
und Korrosionsfestigkeit erreicht wird.
Aufgabenstellung
[0025] Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter der eingangs genannten Gattung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
[0026] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Druckbehälters und des Verfahrens sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
[0027] Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Mantel- und Bodenbereich
des Druckbehälters in eine für eine gleichmäßigere und damit gefahrlosere Verteilung
der Axial- und Radialspannungen geeignete Konstruktionsform gebracht wird, die nicht
mehr aus einem zylindrischen Mantelteil und einem sphärischen Bodenteil besteht, sondern
die Form eines Rotationsellipsoids aufweist, wodurch eine weitgehende Annäherung an
die Kugelform ermöglicht wird. Der Linerkörper besitzt demzufolge eine annähernd ellipsoide
Körperform, so dass keine scharfen Übergänge zwischen Boden- und Mantelbereich entstehen.
Durch die weitgehend gleichmäßige Krümmung in Längsrichtung der Behälterwandung auch
im ursprünglich zylindrischen Mantelbereich verteilen sich die Zug- und Radialbeanspruchungen
sehr gleichmäßig auf alle Wandbereiche und eine Spannungskonzentration im Wandübergang
vom Mantel zum Boden wird merklich vermindert.
[0028] Eine besonders für die Vergleichmäßigung der Zug- und Druckspannungen geeignete Körperform
wird erreicht, wenn das Verhältnis aus dem Radius der Polkappen zum Radius der Linerteile
1:2,5 bis 1:5 beträgt. Die Wand der Polkappen und die Wand im Mittelbereich des Druckbehälters
sind gleichmäßig gekrümmt und gehen ansatzlos ineinander über.
[0029] Die Körperform des Rotationsellipsoids wird auch beim Aufbringen der kunststoffummantelten
Armierungsschicht aus Glasfaserband und der Kunststoffummantelung auf dem Liner beibehalten,
so dass ein Druckbehälter entsteht, der erstmals mit der aus dem Stahlbehälterbau
übernommenen zylindrischen Körperform bricht und nicht mehr mit letzterer vergleichbar
ist.
Die Kunststoffummantelung des Glasfaserbands ermöglicht es, die Glasfaserbänder mit
dem Liner und die nebeneinander- bzw. übereinander liegenden Glasfaserbänder während
des Wickeln stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Es hat sich gezeigt, dass besonders
mit dem Laserschweißen die erforderlich hohen Geschwindigkeiten beim Fügen erreicht
werden können. Da gewissermaßen die Verstärkung auf dem Liner aufgeschweißt wird,
kann die aus Kugelabschnitten gebildete Körperform bzw. die Körperform des Rotationsellipsoids
auch beim Armieren des Liners problemlos eingehalten werden. Der Liner ist zweckmäßigerweise
mit Wasser gefüllt, mit dem die entstehende Wärme abgeführt wird.
[0030] Der erfindungsgemäße Druckbehälter erreicht eine äußerst hohe Lastwechselfestigkeit
von weit mehr als 25000 Lastwechseln, hat ein gegenüber den Druckbehältern aus Stahl
oder Behältern mit bewickelten Metall-Linern wesentlich geringeres Gewicht, ist durch
seine als Dämmschicht ausgeführte Umhüllung schlagzäh, bruchsicher und unterliegt
keiner äußeren Korrosion. Durch die besondere Formgebung der Umhüllung erhält der
erfindungsgemäßen Druckbehälter eine spezifische äußere Befestigungsstruktur, die
es ermöglicht, die an Lastkraftwagen, Trucks Omnibussen oder Schienenfahrzeugen vorhandenen
Befestigungselemente zur Befestigung weiterhin zu nutzen.
[0031] Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es ferner, den Automatisierungsgrad bei
der Herstellung der Druckbehälter durch den Einsatz von Baukastenwerkzeugen und die
Integration der Prüftechnologie in den Fertigungsablauf erheblich zu steigern.
[0032] Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Druckbehälter haben eine Wiederholgenauigkeit
von 100%, wodurch keine Volumenschwankungen im Luftvolumen auftreten.
[0033] Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, dass in die Umhüllung Typen-, Hinweis und
Firmenschilder unverlierbar eingebracht werden können, so dass die Behälter direkt
mit erzeugnisspezifischen Prüfangaben entsprechend den Abnahmebedingungen versehen
werden können, wobei eine separate, nachträglich aufwendige Kennzeichnung der Behälter
entfallen kann.
[0034] Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Ausführungsbeispiel
[0035] Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigt
[0036] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Druckbehälter in Schnittdarstellung,
[0037] Fig. 2 einen Liner in Schnittdarstellung mit eingespritzten Muffen,
[0038] Fig. 3 einen mit einer ersten Verstärkungswicklung in Längsrichtung des Linerkörpers
in schematischer Darstellung,
[0039] Fig. 4 eine Darstellung der auf der ersten Verstärkungswicklung nach Fig. 3 aufgebrachten
zweiten Verstärkungswicklung in Umfangsrichtung des Liners,
[0040] Fig. 5 einen Liner mit einer dritten Verstärkungswicklung aus kunststoffummantelten
Glasfaserband auf der zweiten Lage im Mantelmittelbereich des Linerkörpers in Umfangsrichtung
in schematischer Darstellung,
[0041] Fig. 6 einen mit Armierungsschicht verstärkten, in ein Spritzgießwerkzeug eingelegten
Liner zum Umspritzen mit einer Umhüllungsschicht,
[0042] Fig. 7a eine Darstellung der Umhüllung mit einer Befestigungsvariante als Teilansicht,
[0043] Fig. 7b eine Vorderansicht der Befestigungsvariante nach Fig. 7a,
[0044] Fig. 8a eine weitere in die Umhüllung eingeformte Befestigungsvariante als Teilansicht,
[0045] Fig. 8b eine Vorderansicht der Fig. 8a und
[0046] Fig. 9 eine Ansicht der Anschlußmuffe im Druckbehälter.
[0047] Der in Fig.
1 gezeigte erfindungsgemäße Druckbehälter
1 für eine nicht dargestellte Bremsluftanlage eines Lastkraftwagens soll einen Inhalt
von 10 l haben und somit dem Nenninhalt eines herkömmlich aus Stahl hergestellten
Druckbehälters mit zylindrischen Mittelabschnitt und Klöpperböden entsprechen.
[0048] Der Druckbehälter
1 besitzt einen inneren Linerkörper
2 (siehe Fig. 2), der sich aus zwei Linerteilen
3 und
4 zusammensetzt, eine mehrlagige, mit dem Linerkörper
2 stoffschlüssig durch Schweißen verbundene Armierungsschicht
5 und eine Umhüllung
6. Die beiden Linerteile
3 und
4 bestehen aus mit Glasfasern kurzer Länge verstärkten Polyethylen und werden auf einer
herkömmlichen Spritzmaschine in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt. Jeweils an ihren
offenen Stirnseiten
7 werden die Linerteile
3 und
4 durch Spiegelschweißen stoffschlüssig und gasdicht miteinander verbunden. Die Anschlußmuffe
8 des Druckbehälters
1 sind aus korrosionsbeständigem Metall, beispielsweise Messing, und werden beim Spritzgießen
an den Polkappen
9 bis auf den inneren axialen Durchgang allseitig vom Polyethylen umschlossen, so dass
die Muffen
8 unverlierbar und gasdicht im Zentrum der Kappen
9 festliegen.
Die Spritzgießwerkzeuge zur Herstellung der Linerteile
3 und
4 sind Baukastenwerkzeuge, bei denen durch Kern- und Manteleinsätze das Volumen entsprechend
vergrößert oder verkleinert werden kann (Fig. 6). Somit sind die erfindungsgemäßen
Linerteile
3 und
4 in den üblichen Durchmesserbereichen für Druckbehälter in der Länge variabel und
damit auch im Volumen variabel herstellbar.
[0049] Die bei Innendruck auftretenden Kräfte auf den Druckbehälter
1 äußern sich in axialen und tangentialen Spannungen, die sich an jedem Punkt der Behälterwandung
überlagern und als resultierende Spannung auftreten. Optimale Behälterdimensionierungen
sind dann erreicht, wenn jeder Punkt der Behälterwandung gleiche resultierende Spannungen
aufnimmt.
[0050] Behälter aus metallischen Werkstoffen oder Behälter mit scharfen Übergängen (starken
Krümmungen) vom Mantel werden diesen Anforderungen nicht gerecht, so dass gerade in
diesen Bereichen hohe resultierende Spannungen auftreten, die regelmäßig zum Undichtwerden
des Druckbehälters bei hohen Wechselbelastungen führen.
[0051] Die Polkappen
9 und der mittlere Mantelbereich
10 des Linerkörpers
2 des erfindungsgemäßen Druckbehälters
1 haben die Form eines aus Kugelabschnitten gebildeten Körpers oder eines Rotationsellipsoids
11 (siehe Fig. 2), wobei die Polkappen
7 etwa halbkugelförmig ausgebildet sind und übergangslos in den Mantelbereich
10 übergehen. Der Druckbehälter
1 erhält ein bauchiges Design (siehe Fig. 1).
[0052] Der Radius
RP der Polkappe
7 beträgt in dem vorgestellten Beispiel 103,3 mm, der Radius
RM des Mantelbereichs 302,3 mm, so dass sich ein Verhältnis der beiden Radien zueinander
von 1:2,92 ergibt. Bei diesem Verhältnis erreicht der erfindungsgemäße Druckbehälter
1 ein Optimum zwischen den der Dimensionierung zugrunde liegenden Kräfteverhältnissen
und den Beanspruchungsbedingungen.
[0053] Die mehrlagige Armierungsschicht
5 besteht aus einem Endlosglasfaserband
12 mit einer Ummantelung
13 aus Polyethylen.
Während des Umwickelns des Linerkörpers
2 mit der ersten tangentialen Wickellage
A (siehe Fig. 3) des Endlosglasfaserbands wird die Kunststoffummantelung
13 aus Polyethylen mittels Laser, Lichtbogen o.ä. erhitzt, örtlich aufgeschmolzen und
mit der Oberfläche des Linerkörper
2 verschweißt, so dass Linerkörper
2 und die erste Wickellage
A eine stoffschlüssige Einheit bilden. Die nachfolgende zweite und dritte Wickellage
B und
C des Endlosglasfaserbands
12 wird ebenso aufgebracht, so dass die nebeneinander und übereinander liegenden Ränder
des Bands
12 miteinander verschweißt werden. Die aufgebrachte Armierungsschicht
5 erhält dadurch ebenfalls die Körperform der zuvor beschriebenen Kugelsbschnitte oder
des Rotationsellipsoids
11 (siehe Fig. 4 und 5).
[0054] Auf die mehrlagige Armierungsschicht
5 folgt die durch Spritzgießen aufgebrachte Umhüllung
6, die aus einem kurze Glasfasern enthaltenen Polyethylen besteht. Das Polyethylen kann
auch mit Treibmitteln versetzt sein. Die Umhüllung
6 sichert die Armierungsschicht
5 in ihrer Funktion und ist zugleich als Schutzschicht ausgebildet, wobei für den Fall
eines Zusatzes mit Treibmitteln auch eine Dämmung erreicht wird. In die Umhüllung
6 sind entweder Befestigungselemente integriert oder die Umhüllung
6 ist selbst zu einem spezifischen Befestigungselement
14 ausgeformt (siehe Fig. 7a und 7b und 8a und 8b). Dieses Befestigungselement
14 kann demzufolge so ausgebildet sein, dass die bisher übliche Befestigung mittels
Spannbändern (Fig. 7a und 7b) beibehalten werden kann oder durch eine direkte Verschraubung
(Fig. 8a und 8b) erfolgt.
[0055] Entsprechende Hinweisschilder, Typenschilder, Firmenlogos oder sonstige Bezeichnungen
oder Beschriftungen können vorgefertigt und unverlierbar in die Umhüllung
6 eingebracht sein. Dies bietet auch die Möglichkeit, die Hinweisschilder oder Typenschilder
oder sonstigen Bezeichnungen mit digitalen Informationsträgern zu versehen, deren
Informationen durch eine entsprechende RFID-Konfiguration gelesen und abgerufen werden
können.
[0056] Die Fig. 9 zeigt die durch Umspritzen mit Kunststoff in der Polkappe
7 des Linerkörpers
2 festgelegte Anschlußmuffe
8 aus Metall, beispielsweise Messing. Auf die Anschlußmuffe
8 wirken infolge des Innendrucks im Druckbehälter
1 bzw. Linerkörper
2 Scherkräfte, die versuchen, die Anschlußmuffe
8 aus dem Kunststoffverbund herauszudrücken. Beim Ein- oder Ausschrauben von Verschlußstopfen
oder Schraubstutzen in die Anschlußmuffe
8 entstehen Umfangskräfte, die versuchen, die Anschlußmuffe
8 aus dem Kunststoffverbund herauszudrehen. Schließlich wirkt im Betriebszustand des
Druckbehälters noch eine ständig auf- und abschwellende Kraft auf die Anschlußmuffe
8 ein.
[0057] Damit all diese Kräfte aufgenommen werden können, ohne dass die Verbindung zwischen
Anschlußmuffe
8 und Kunststoffverbund beeinträchtigt wird, besitzt die Anschlußmuffe
8 einen Flansch
15 und einen genügend langen zylindrischen Teil
16, in dem zur Vergrößerung der Scherfläche Rillen, Einstiche und Absätze
17 eingebracht sind. Dies ermöglicht eine formschlüssige Verbindung zwischen Anschlußmuffe
8 und dem Kunststoffverbund mit genügend hohem Scherwiderstand.
[0058] Über den gesamten zylindrischen Teil
16 der Anschlußmuffe
8 ist eine feinzahnige Rändelung
18 vorhanden, die in der Lage ist, sowohl Umfangskräfte als auch Scherkräfte in ausreichender
Größe aufzunehmen.
[0059] Um eine dauerhaft dichte Verbindung zwischen Anschlußmuffe
8 und Kunststoffverbund zu gewährleisten, wirkt bei Innendruckbelastung eine Anpresskraft
des Kunststoffverbunds auf den zylindrischen Teil
16 der Anschlußmuffe
8 infolge der Hebelwirkung über den Einstich
17 der Muffe
8. Die Anschlußmuffe
8 ist innenseitig mit einer Ausdrehung
19 versehen, in die eine eingespritzte Kunststofflippe
20 der Linerwandung
21 des jeweiligen Linerteils
3, 4 hineinragt.
[0060] Durch den im Betriebszustand ständig vorherrschenden Innendruck wirkt eine Anpresskraft
der Lippe auf die Metallinnenfläche, die umso mehr zunimmt, je höher der Innendruck
steigt. Die im Umfang der Anschlußmuffe
8 eingebrachten Rändelungen
18, Einstiche und Absätze
17 sorgen zusätzlich für eine Vergrößerung der Oberfläche um bis zu 80%, so dass die
für die Dichtheit maßgeblichen Berührungsflächen zwischen Metall und Kunststoff erheblichen
zunehmen und die Dichtheit gewährleistet ist.
[0061] Die Herstellung des erfindungsgemäßen, aus den Lagen Linerkörper
2, Anschlußstutzen
8, Armierungsschicht
5 und Umhüllung
6 bestehenden Druckbehälters wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
[0062] Die Linerteile
3 und
4 werden auf einer herkömmlichen Spritzgießmaschine gespritzt, so dass eine weitergehende
nähere Beschreibung verzichtbar ist.
[0063] Ausgangsmaterial für das Spritzen des Linerkörpers ist ein Kunststoffgranulat aus
Polyethylen, dem ein Kurzfaseranteil compoundiert oder als eine reine Zumischung mit
einem Anteil von bis zu 30% Gewichtsanteilen zugefügt wird.
[0064] Die eingesetzten Spritzgießwerkzeuge sind Baukastenwerkzeuge, die so aufgebaut sind,
dass immer zwei deckungsgleiche Linerteile
3 und
4 hergestellt werden können. Kern und Kalotte der Werkzeuge sind mit scheibenförmigen
kühlfähigen Segmenten ausgerüstet, die ein Verlängern bzw. ein Verkürzen der Aktivelemente
im jeweiligen Durchmesserbereich ermöglichen. Für jeden Behälterdurchmesser wird dadurch
nur ein Werkzeug erforderlich. Die kühlfähigen Segmente werden entsprechend im Spritzgießwerkzeug
paarweise ausgetauscht. Die Einbauteile und Anschlußmuffen werden mit an sich bekannten
Handlinggeräten in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und umspritzt.
[0065] Das Einspritzen der Kunststoffschmelze erfolgt über eine Heißkanaldüse immer an der
Stirnseite der Linerteile. Die Heißkanaldüse hat 12 sternförmige Verteilkanäle, die
die Kunststoffschmelze in linearer und radialer Richtung mit dem Effekt einer teilweisen
Faserausrichtung in Fließrichtung gleichmäßig verteilen. Durch diese Maßnahme erhöht
sich die Druckfestigkeit des Linerkörpers erheblich.
[0066] Die im Spritzgießverfahren hergestellten Linerteile
3 und
4 werden anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies geschieht dadurch,
dass die Stirnseiten
7 der Linerteile
3 und
4 zueinander ausgerichtet und mittels Spiegelschweißen miteinander verschweißt werden.
Es versteht sich, dass die Schweißparameter entsprechend der gewählten Kunststoffmischung
abgestimmt sind und auch andere geeignete Fügeverfahren von der Erfindung erfasst
sind.
[0067] Nach dem Schweißen wird der gefügte Linerkörper
2 auf Gasdichtheit geprüft, in dem der Linerkörper
2 in Wasser verbracht, untergetaucht und mit Luft bei einem Prüfdruck von 2,5 bar beaufschlagt
wird. Vorhandene Undichtigkeiten werden durch vom Linerkörper
2 aufsteigende Luftbläschen angezeigt.
Der Gasdichtheitsprüfung voraus geht eine Sicherheitsprüfung, bei der der Linerkörper
unter einer hermetischen Abschirmung mit Luft bei einem Prüfdruck von 3,5 abgedrückt
wird. Dieser Druck wird dann auf dem eingangs erwähnten Dichtheitsprüfstand auf 2,5
bar reduziert.
[0068] Der Sicherheits- und Dichtigkeitsprüfstand ist eine komplexe Baugruppe, die zusätzlich
mit einer Trocknungseinrichtung zum Trocknen des Linerkörpers ausgerüstet ist. Die
Bedienung dieses komplexen Prüfstandes ist nur autorisiertem Personal vorbehalten,
das über die entsprechenden Zulassungen für Druckbehälter o.ä. verfügt.
[0069] Im folgenden Verfahrensschritt wird der zuvor auf Sicherheit und Dichtheit geprüfte
Linerkörper
2 blasenfrei mit einem inkompressiblen Medium wie Wasser gefüllt und die Anschlußmuffen
8 mit Verschlußstopfen flüssigkeitsdicht verschlossen. Dieses Medium stabilisiert den
Linerkörper, nimmt die bei den nachfolgend näher beschriebenen Verfahrensschritten
eingetragene Wärme gefahrlos auf und dient damit zugleich als Kühlmittel.
[0070] Sofern Kunststoffe mit einem höheren Schmelzpunkt zur Anwendung kommen sollen, werden
in die Anschlußmuffen Füllventile eingesetzt, die sicherstellen, dass das inkompressible
Medium unter Druck gehalten im Kreislauf durch den Linerkörper
2 gefahren werden kann.
[0071] Die Verschlussstopfen sind mit einem konischen Zapfen versehen, die zum Einspannen
und zur Lagesicherung des Linerkörpers
2 in zentrierter Lage der Wickelmaschine dienen.
[0072] Als Wickelmaterial kommen aus mit Polyethylen ummantelte Endlosglasfasern zum Einsatz,
die zu einem Band mit rechteckigem Querschnitt gesintert sind. Anstelle von Polyethylen
kann aber auch Polypropylen oder ein anderer geeigneter Thermoplast verwendet werden.
Andere thermoplastische Kunststoffe sind ebenso geeignet.
[0073] Die Armierung des Linerkörpers
2 wird mit dem Aufbringen einer ersten Wickellage
A eines kunststoffummantelten Endlosglasfaserbands
12 zur Aufnahme der Axialspannungen bei gleichzeitiger Aufnahme der Radialspannungen
begonnen. Die Wickellage
A wird in einem Winkel von 55° zur Längsachse aufgewickelt und dient gleichzeitig zur
Verstärkung der Polkappen des Druckbehälters.
[0074] Die Wickellage
A wird während des Wickelns durch Laser erhitzt, die Kunststoffummantelung aufgeschmolzen
und die Ränder der einzelnen Lagen miteinander und auf dem Linerkörper verschweißt.
[0075] Die Spannungsspitzen als Resultante aus Axial- und Radialspannungen treten regelmäßig
auch im Mantelmittelbereich auf. Deshalb wird im nächsten Arbeitsschritt in Mantelmitte
des Mantelmittenbereichs
10 des Linerkörpers
2 zunächst eine zweite Wickellage
C als Umfangswicklung auf die erste Lage aufgebracht.
Die Wickelbreite B1 der Wickellage
C ist von Behälterlänge
L und dem Behälterdurchmesser
D abhängig.
[0076] Für die zweite Wickellage
C gilt die Beziehung: B1 = 0,6 L - 0,1 D,
worin bedeutet:
- B
- Wickelbreite
- L
- Behälterlänge
- D
- Behälterdurchmesser.
Während des Bewickelns des Linerkörpers
2 mit der zweiten Wickellage wird letztere wiederum mittels Laser erhitzt, aufgeschmolzen
und mit dem Linerkörper
2 stoffschlüssig verschweißt. Es entsteht eine innige Verbindung zwischen erster und
zweiter Lage.
[0077] Im nächsten Schritt wird auf die zweite Wickellage C eine dritte Wickellage
E aufgewickelt. Die Wickellage
E dient in Verbindung mit der Wickellage
C einer gleichmäßigeren Radialspannungsverteilung und bildet eine Gürtellage im Mittellagenbereich.
[0078] Für die Lagenbreite der dritten Wickellage
E gilt: B2 = 0,3 L - 0,1 D,
worin bedeutet:
- B
- Wickelbreite
- L
- Behälterlänge
- D
- Behälterdurchmesser.
Die dritte Wickellage
E wird wieder während des Umwickelns mittels Laser erhitzt, die Kunststoffummantelung
aufgeschmolzen und die nebeneinander zu liegen kommenden Ränder des Endlosfaserbands
miteinander verschweißt, wobei auch die darunter liegende zweite Lage mit der darüber
liegenden Lage verschweißt wird. Die zweite Wickellage
C und die dritte Wickellage
E sind somit stoffschlüssig miteinander verbunden.
[0079] Die Medienfüllung verbleibt im fertig armierten Linerkörper
2 genauso wie die Verschlußstopfen in den Anschlußmuffen
8. Dieser Zustand wird im folgenden Umspritzen des armierten Linerkörpers
2 beibehalten.
[0080] Das Umspritzen des armierten Linerkörpers
2 erfolgt in einer separaten, entsprechend vorbereiteten Spritzgießform im Zusammenspiel
einer angepassten Spritzgießformgestaltung und einem geeigneten Kunststoff und dem
Druckaufbau des Spritzmediums.
[0081] Die Spritzgießform ist mit mehreren Angussverteilkanälen ausgestattet, die eine gleichzeitige
Füllung der Hohlräume zwischen Form und eingelegten armierten Linerkörper ermöglichen.
Die Angüsse sind im Polkappen- und Mantelbereich verteilt. Die Anspritzung erfolgt
maschinenseitig gleichzeitig an den Polen durch einen runden Filmanguss, der im Heißkanal
ausbalanciert ist.
[0082] Der armierte, mit dem inkompressiblen Medium gefüllte Linerkörper
2 wird in die geöffnete Spritzgießform eingelegt und an den konischen Ansätzen der
Verschlußstopfen zentriert und beim Schließen der Form fest eingespannt, nach dem
der Innendruck des Füllmediums im Linerkörper
2 auf etwa 8 bis 10 bar bei einer Temperatur von 10 bis 15 °C eingestellt wurde.
[0083] In dieser Lage bildet der armierte Linerkörper
2 den Kern, der umspritzt wird. Durch das Erhöhen des Innendrucks auf etwa 8 bis 10
bar und weiterer technologischer erzeugnisspezifischer Parameter können Lageveränderungen
und örtliche Verformungen des Kerns durch die erheblichen Krafteinwirkungen während
des Einspritzvorgangs vermieden werden.
[0084] Ausgangsmaterial für die Herstellung der Umhüllung ist ein Kunststoffgranulat aus
Polyethylen, dem ein Kurzfaseranteil zur Erhöhung der Festigkeit und ein Treibmittel
zur Aufschäumung, beispielsweise jeweils compoundiert oder als eine reine Zumischung,
zugefügt wird. Dies ermöglicht, gewünschte Festigkeitseigenschaften der Umhüllung,
beispielsweise für die Integration entsprechender Befestigungselemente in die Umhüllung,
und zugleich gewünschte Dämmeigenschaften der Umhüllung, beispielsweise zur Dämpfung
plötzlicher Schläge, zu erreichen.
[0085] Das Polyethylen kann auch des weiteren durch Zugabe von Farbmitteln eingefärbt werden,
so dass eine entsprechende Farbgebung des Druckbehälters entfallen kann und zusätzlich
eine Farbkennzeichnung entsprechend des technischen Einsatzgebiets des Druckbehälters
problemlos möglich wird.
[0086] In die Spritzgussform sind auswechselbare Stempel zur Aufbringung von Beschriftungen
eingearbeitet, die dann auf der Behälteroberfläche erhaben oder vertieft erscheinen.
Dies ermöglicht entsprechend dem Kundenwunsch Firmenbezeichnungen, Typenschildbeschriftungen,
Hinweiszeichen, Zulassungszeichen, Logos u.ä. aufzubringen. Beschriftungen, Bilder
bzw. Hinweiszeichen, Zulassungen lassen sich darüber hinaus auch in Form von Folien
in die Spritzgießform einlegen, mittels Vakuum in geeigneter Position fixieren und
beim Einspritzen mit der Umhüllung unlösbar verschmelzen. Dies gestattet es ferner,
diese Folien mit digitalen Datenträgern zu versehen, die die entsprechenden technischen
Daten, Zulassungsangaben usw. gespeichert enthalten und mittels RFED-Technik abrufbar
sind.
Das aufwändige Aufkleben bzw. Aufschweißen der Firmenschilder kann so entfallen.
[0087] Zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Fließfähigkeit und einer gleichmäßigen
allseitigen Formfüllung wird die Spritzgußform mit einer Temperatur von 80 °C gefahren.
In dem hier dargestellten Beispiel betrug die Spritzgeschwindigkeit 15 mm/s, der Spritzdruck
lag bei <40 bar, der Nachdruck bei 15 bar, die Intrusion bei 4-6 s und die Kühlzeit
bei 120 s.
[0088] Die so nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Druckbehälter mit einem
Nenninhalt von 10 L erreichten einen Berstdruck von 50 bis 60 bar ohne Splitterwirkung,
eine Lastwechselfestigkeit von mehr als 25000 Lastwechseln, was einer Lebensdauer
von etwa 20 Jahren entspricht.
[0089] Bezugszeichenliste
- Druckbehälter
- 1
- Linerkörper
- 2
- Linerteile
- 3, 4
- Armierungsschicht
- 5
- Umhüllung
- 6
- Stirnseite von 3, 4
- 7
- Anschlußmuffe
- 8
- Polkappen
- 9
- Mittlerer Mantelbereich
- 10
- Rotationsellipsoid
- 11
- Endlosglasfaserband
- 12
- Ummantelung von 12
- 13
- Befestigungselement
- 14
- Flansch von 8
- 15
- Zylindrischer Teil von 8
- 16
- Rillen
- 17
- Rändelung
- 18
- Ausdrehung
- 19
- Kunststofflippe
- 20
- Linerwandung
- 21
- Erste Wickellage
- A
- Zweite Wickellage
- C
- Durchmesser des Behälters
- D
- Dritte Wickellage
- E
- Länge des Behälters
- L
- Radius Polkappe
- RP
- Radius Mantel
- RM
1. Druckbehälter aus Kunststoff, insbesondere Druckluftbehälter für Bremskraftanlagen
und pneumatische Hilfseinrichtungen an Lastkraftwagen, Trucks, Omnibussen, Schienenfahrzeugen
oder an Feuerlöschanlagen, mit einem Behältermantel aus einem spritzgußgeformten,
aus Linderteilen zusammengesetzten Linerkörper aus faserverstärktem Polyethylen, Polypropylen
oder Polyamid, in dessen Polkappen Anschlußstutzen unverlierbar eingeformt sind, einer
auf dem Linerkörper angeordneten Armierungsschicht aus Glasfaserband und einer auf
letzteren angeordneten spritzgußgeformten unverlierbaren Umhüllung aus faserverstärktem
Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) mit Polkappen (9) aus einen aus Kugelabschnitten zusammengesetzten oder als Rotationsellipsoid (11) geformten mehrlagigen Körper gebildet ist, wobei das Verhältnis aus Polkappenradius
(RP) und Radius (RM) des Mantelmittenbereichs (10) des Druckbehälters (1) ein Verhältnis von mindestens 1:2,5 bis 1:5 erreicht, wobei die Wand der Polkappen
(9) und die Wand des Mantelmittelbereichs (10) unter gleicher Krümmung ansatzlos ineinander übergehen.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linerkörper (2) mit bis zu 30% Anteil Glasfasern verstärkt ist.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern aus Kurzfasern bestehen.
4. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linerteile (3,4) des Linerkörpers (2) an ihren zueinander gewandten Stirnseiten (7) stoffschlüssig
miteinander verbunden sind.
5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, dass die Armierungsschicht (5) aus einem mit Kunststoff ummantelten Endloslasfaserband (12) besteht, das auf dem Linerkörper (2) im Verbund so angeordnet ist, dass der umhüllende Kunststoff des Glasfaserbandes
durch Erhitzen mittels Laser, Lichtbogen oder offener Flamme eine innige form- und
stoffschlüssige Verbindung des gesamten Verbunds ist.
6. Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung (13) des Endlosglasfaserbands der Armierungsschicht (5) aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid besteht.
7. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (6) zugleich eine Schutzschicht bildet, die die Armierungsschicht (5) zusätzlich sichernd fixiert.
8. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht zusätzlich als Dämmschicht ausgebildet ist.
9. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (6) als ein äußeres Befestigungselement (14) für die Aufnahme von Befestigungselementen der Lastkraftwagen, Trucks, Omnibusse,
Schienenfahrzeuge oder Feuerlöschanlagen aufgebildet ist, die in oder an die Umhüllung
stoffschlüssig ein- bzw. angeformt sind.
10. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Umhüllung (6) Inserts für Typenschilder, Hinweisschilder, Beschriftungen, Firmenschilder unverlierbar
eingebracht sind.
11. Druckbehälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Inserts einen digitalen Informationsträger enthalten.
12. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Umhüllung (6) Farbstoffe beigegeben sind, die eine farbliche Kennzeichnung der Hülle entsprechend
den Betriebsbedingungen gewährleisten.
13. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zentrum der Polkappen (9) eingeformte Anschlussmuffe (8) aus Metall, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Messing, Titan, Tombak besteht, die
bis auf ihre äußere Anlagefläche und das Innengewinde vom Kunststoff des Linerkörpers
(2) umschlossen ist.
14. Druckbehälter nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmuffe (8) innenseitig eine Ausdrehung (19) aufweist, in die eine Kunststofflippe (20) des Linerkörpers (2) hineinragt, wobei durch den im Innenraum des Linerkörpers wirkenden Innendruck die
Lippe an die Ausdrehfläche dichtend angedrückt wird.
15. Druckbehälter nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmuffe (8) einen Flansch (15) und einen genügend langen zylindrischen Teil (16) aufweist, der außenseitig mit Rillen, Einstichen und Absätzen (17) zur Vergrößerung der Scherfläche versehen ist.
16. Druckbehälter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Teil (16) der Anschlussmuffe (8) außerdem eine feinzahnige Rändelung (18) zur Aufnahme von Umfangskräften und Scherkräften aufweist.
17. Druckbehälter nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmuffe als ein einstückiger Mehrfachverteiler ausgebildet ist.
18. Druckbehälter nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass in das Innengewinde der Anschlussmuffe (8) ein Füllventil eingesetzt ist.
19. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters aus Kunststoff, insbesondere Druckluftbehälter
für Bremskraftanlagen und pneumatische Hilfseinrichtungen an Lastkraftwagen, Trucks,
Omnibussen, Schienenfahrzeugen oder an Feuerlöschanlagen, bei dem zunächst Linerteile
mit halbkugelförmigen Polkappen aus glasfaserverstärktem Polyethylen-, Polypropylen-
oder Polyamidgranulat mittels Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug geformt, wobei
im Zentrum der Polkappen eingebrachte Anschlussmuffen vom Kunststoff umschlossen werden,
die Linerteile durch Fügen in einer Fügemaschine zu einem Linerkörper miteinander
verbunden werden, der gefügte Linerkörper mit einer Armierungsschicht aus Glasfasern
im Kreuzverbund in einer Wickelmaschine bewickelt wird und der so armierte Linerkörper
mit einer Umhüllung aus faserverstärktem Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid umspritzt
wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter zu einem Körper aus zusammengesetzten Kugelabschnitten oder als
Rotationsellipsoidkörper mit einem Polkappenradius-/Mantelradius-Verhältnis von mindestens
1:2,5 bis 1:5 in den Arbeitschritten, Spritzen der Linerteile, Verbinden der Linerteile,
Aufschweißen der Armierungsschichten beim Bewickeln auf den Liner und Umspritzen des
armierten Liners geformt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Herstellen von deckungsgleichen Linerteilen des Linerkörpers durch ein gleichmäßiges Verteilen der Kunststoffschmelze mit einem Kurzfaseranteil von
bis zu 30% im Kunststoff in axialer und radialer Richtung unter teilweiser Ausrichtung
der Fasern in Fließrichtung der Schmelze und unter Einhaltung des vorgegebenen Verhältnisses,
b) stoffschlüssiges Fügen oder Kleben der Stirnseiten der Linerteile zu einem geschlossenen,
hohlen Linerkörper unter Einstellung der Füge- oder Klebeparameter auf die Kunststoffmischung
nach Schritt a),
c) Abdrücken des Linerkörpers mit Luft zwecks Sicherheitsprüfung und Dichtheitsprüfung
des mit Luft beaufschlagten Linerkörpers unter Wasser sowie anschließendes Trocknen
des Linerkörpers,
d) Stabilisieren des Linerkörpers durch ein blasenfreies Befüllen mit einem inkompressiblen Medium, Beaufschlagen dieses
Mediums mit einem Überdruck von 8 bis 10 bar und Verschließen der Anschlussmuffen
des Linerkörpers zum anschließenden Armieren des Linerkörpers,
e) Armieren des Linerkörpers durch Umwickeln mit mehreren Lagen aus mit Kunststoff ummantelten Endlosglasfaserband,
wobei die Lagen des Endlosfaserbandes durch Aufschmelzen des umhüllenden Kunststoffes untereinander stoffschlüssig verbunden
werden,
f) Umspritzen des im Spritzgießwerkzeug eingesetzten Linerkörpers von den Polkappen
aus faserverstärktem Kunststoff bei einem Spritzdruck von <40 bar zum Ausbilden einer
unverlierbaren Umhüllung auf der Armierung des Linerkörpers.
21. Verfahren nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbeständigkeit des Linerkörpers im Bereich von -40 °C bis +80 °C durch
ein Zumischen eines Polypropylen-Coplymers-Granulats zum Polypropylengranulat in einem
Gewichtsverhältnis von mindestens 1:3 eingestellt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeverfahren nach Schritt b) ein Spiegelschweißen, Heißgasschweißen, Heizelementschweißen,
Heizdrahtwiderstandsschweißen oder Injektionsschweißen eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Linerkörper mit einem Luftüberdruck von 3,5 bar in einem hermetischen abgeschlossenen
Raum gemäß Schritt c) abgedrückt und anschließend nach einem Absenken des Überdruckes
auf 2,5 bar in Wasser auf Dichtheit geprüft wird.
24. Verfahren nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser, Öl oder deren Mischungen als inkompressibles Medium zum Stabilisieren des
Linerkörpers eingesetzt wird, wobei das Medium unter einem Überdruck von 8 bis 10
bar gehalten wird.
25. Verfahren nach Anspruch 19 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass der mit Medium befüllte Linerkörper nach seinem Einlegen, Zentrieren und Einspannen
in der Wickelmaschine in folgenden Einzelschritten nach Schritt e) armiert wird:
e1) Bewickeln des Mantels und der Polkappen des Linerkörpers mit einer ersten Lage
aus kunstsoffummantelten Endlosfaserband zur Aufnahme von Axial- und Radialspannungen
und Verstärkung der Polkappen unter gleichzeitigem Auf- und Verschmelzen der Ummantelung
zum stoffschlüssigen Verbinden untereinander und mit dem Linerkörper;
e2) Bewickeln der ersten Lage nach e1) im Mantelmittenbereiches zur Aufnahme von Spannungsspitzen
aus Axial- und Radialspannungen unter gleichzeitiges Auf- und Verschmelzen der Kunststoffoberflächen
des nebeneinander liegenden Endlosfaserbandes mit einer zweiten Lage in einer Wickelbreite,
die der Bedingung
B1= 0,6 - 0,1 D genügt, wobei
B die Wickelbreite,
L die Wickellänge und
D der Durchmesser des Linerkörpers bedeutet,
e3) Bewickeln der zweiten Lage im Mantelmittenbereiches zum Vergleichmäßigen der Radialspannung
unter gleichzeitigem Auf- und Verschmelzen der Kunststoffoberflächen des nebeneinander
liegenden Endlosfaserbandes mit einer dritten Lage in einer Wickelbreite, die der
Bedingung B2= 0,3 L - 0,1 D genügt, wobei
B die Wickelbreite,
L die Wickellänge und
D der Durchmesser des Linerkörpers bedeutet,
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen der Kunststoffoberflächen des Endlosfaserbandes und des Linerkörpers
eine Laser-, Lichtbogen- oder Gasbrennerwärmequelle eingesetzt wird, wobei das inkompressible
Medium zugleich als Kühlmittel gegen Verformungen des Linerkörpers verwendet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das inkompressible Medium und Kühlmittel im Linerkörper verbleibt oder durch ein
im Gewindestutzen gelegenes Füllventil unter Überdruck gehalten und ständig zu- und
abgeführt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 19 und 20,
dadurch gekennzeichnet, dass der mit Medium befüllte, nach Schritt e) armierte Linerkörper in das Spritzgießwerkzeug
verbracht, zentriert und an den die Anschlussmuffen verschließenden Verschlußstopfen
eingespannt und in folgenden Einzelschritten gemäß Schritt f) umhüllt wird:
f1) Erhöhen des Innendruckes im Linerkörper durch Beaufschlagen des inkompressiblen
Mediums auf 8 bis 10 bar durch ein im Gewindestopfen gelegenes Füllventil und Einstellen
der Temperatur des Füllmediums auf 10 bis 15 °C,
f2) wahlweises Einlegen von Firmenschilder, Typenschilder, Zulassungszeichen u.ä.
auf die armierte Oberfläche des Linerkörpers,
f3) Temperieren der eingespritzten und verteilten Kunststoffschmelze auf mindestens
180 °C und anschließendes Kühlen auf unterhalb der Erstarrungstemperatur des Kunststoffgemisches,
f4) Halten bei einem Nachdruck von etwa 15 bar zum Verfestigen der Umhüllung,
f5) Entnehmen des Druckbehälters und dessen Entleerung.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die wahlweise eingelegten Typenschilder digitale Informationsträger enthalten.
30. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem faserverstärkten Kunststoff Farbstoffe zum Kennzeichnen der Umhüllung entsprechend
den Betriebsbedingungen des Druckbehälters zugegeben werden.
31. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllung Treibmittel zur Herstellung einer Dämmschicht zugesetzt werden.