DE69917912T2

DE69917912T2 - Verfahren zur herstellung eines druckbehälters aus verbundwerkstoff und durch dieses verfahren hergestellte gegenstände

Info

Publication number: DE69917912T2
Application number: DE69917912T
Authority: DE
Inventors: C. James MURPHY; S. Gerald Ruddington BOYCE; Erik Coeckelbergs
Original assignee: Essef Corp
Current assignee: Essef Corp
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: ES2224700T3; AU6144699A; ATE268683T1; CA2343252C; KR100684093B1; US6171423B1; DE69917912D1; PT1112171E; WO2000015416A1; IL141885A0; KR20010089900A; CA2343252A1; EP1112171A1; AU757722B2; DK1112171T3; EP1112171B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Technik der Herstellung von Druckbehältern und insbesondere verbesserte Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff und Druckbehälter aus Verbundwerkstoff, die gemäß den verbesserten Verfahren hergestellt sind.
Hintergrund der Erfindung
Druckbehälter, wie etwa Heißwassererhitzer, Boiler, Druckgastanks und dergleichen, sind herkömmlicherweise aus Metall, wie etwa Stahl, hergestellt worden. In den letzten Jahren ist jedoch die Verwendung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff vorherrschender geworden. Diese Druckbehälter aus Verbundwerkstoff sind typischerweise mit einem Filamentwickelverfahren hergestellt worden, das hitzehärtbare Kunstharze, wie etwa Epoxyharze, Polyester und Vinylester, einsetzt. Kurz gesagt ist diese Technologie das Verfahren des Imprägnierens von trockenen Fasern, wie etwa Glasfasersträngen, mit katalysiertem Harz vor dem Aufbringen auf einen Dorn. Vorimprägnierte Fasern („Prepregs") können ebenfalls verwendet werden. Der Dorn und der aufgebrachte Verbundwerkstoff werden dann ausgehärtet, bei Umgebungstemperatur oder mit Hitze, um das Laminat auszuhärten und einen Laminatmantel aus hartem Harz und Faser zu erhalten. Dieser Mantel wird entweder vom Dorn abgenommen oder der Dorn selbst wird Teil des Endproduktes. Obgleich die spezifische Produktanwendung die genaue Funktion des Harzes bestimmt, dient es in allen Fällen als die Trägerstruktur, um die kontinuierlichen Faserstränge in ihrer Position zu halten.
Die hitzehärtbaren Harze, die in diesen Verfahren verwendet werden, können in die Kategorie der Niedertemperatur-Gebrauchsprodukte eingeordnet werden, die gekennzeichnet sind durch eine relative Leichtigkeit des Gebrauchs, geringe Kosten und Verfügbarkeit. Diese Harze haben seit langem dazu gedient, die Leistungsanforderungen eines breiten Bereichs von Druckbehälterproduktett zu erfüllen. Diese Harzsysteme haben jedoch gut bekannte Nachteile, die ihre begrenzten Temperaturbeständigkeiten, unbefriedigende Ästhetik des Endproduktes, Mangel an längerer Haltbarkeit, Mangel an Geeignetheit für Recycling und mit der Herstellung zusammenhängende Aspekte, wie etwa Abschaltzeiten aufgrund von Reinigung und Materialhandhabungskosten, einschließen. Überdies gibt es Umweltbedenken, die auf der Einwirkung von Dampf, Overspray, Emissionen, etc. auf Arbeiter stammen, die während der Herstellungsverfahren auftreten. Einige technisch veränderte hitzehärtbare Harze verbessern die Leistung durch höhere Temperaturbeständigkeit, aber unannehmbare Materialkosten sind mit ihnen verbunden.
Zusätzlich haben Druckbehälter aus Verbundwerkstoff, die gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt sind, wegen der eingesetzten Materialien und Verfahren, inhärent restliche und signifikante innere Spannungen, die, zusammen mit bestimmten temperaturempfindlichen Inkompatibilitäten der Materialien, die Druck- und Temperaturbereiche begrenzen, in denen die Druckbehälter Verwendung finden.
US-A-3426940 offenbart einen Druckbehälter, der hergestellt wird durch Einbetten einer Filamentlage, hergestellt aus Polyimid-Fasern, in ein thermoplastisches Material, wie etwa ein Olefin-Polymer. Die Filamentlage kann zum Beispiel eine Schicht aus geknüpftem Gewebe sein.
DE-A-42 15 756 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, wie etwa Druckflaschen, die aus einer Innenschicht und einer Außenschicht hergestellt sind. Der innere Körper kann extrudiert oder durch Spritzguß oder Blasformen hergestellt und mit verstärkender thermoplastischer Faser umwickelt werden. Die Wicklung wird auf oberhalb des Schmelzpunktes einer thermoplastischen Verwendung erhitzt und. wird zusammengedrückt und konsolidiert, um die Außenschicht und Innenschicht zusammenzubinden.
Somit haben zunehmende Leistungsanforderungen, Umweltaspekte, Herstellungsaspekte und neue Marktgegebenheiten die Beschränkungen der Verwendung von hitzehärtbaren Harzen bei der Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff hervorgehoben. Druckbehälter aus Verbundwerkstoff mit höheren Temperatur- und Druckbeständigkeiten, verbessertem Aussehen und größerer Haltbarkeit und Stoßfestigkeitseigenschaften, und die, im Hinblick auf die Herstellung, umweltfreundlich sind, kosteneffektiver und weniger Herstellungsprobleme darstellen, sind demgemäß hoch wünschenswert.
Es wird daher von den Fachleuten anerkannt werden, daß ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff, das eine Verbesserung in all diesen Bereichen erreicht, eine fundamental unterschiedliche Philosophie erfordert. Es ist die Bereitstellung eines solchen fundamental verbesserten Verfahrens und von Druckbehältern, die mit einem solchen Verfahren hergestellt sind, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist und durch die die folgenden Eigenschaften erhalten werden: verbesserter Kontakt bei höheren Temperaturen zwischen der Faser und dem Harz, bessere Kontrolle über das Verhältnis Verstärkung/Matrix, Abfallmaterialien, die effektiv recycelt werden können, verminderte Probleme mit Vorschriften, die durch Emissionen hervorgerufen werden, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten für die Wickel- (oder ein anderer Modus zum Darüberlegen) und Aushärtungsschritte, potentielle Arbeitseinsparung aufgrund von weniger Materialhandhabung, Verringerung des Bodenraumes, Anpaßbarkeit an Automation, eine sicherere Umgebung für Angestellte, Vereinfachung von Verarbeitungslinien und von Materiallagerung und -handhabung, schnellere Überwechselzeiten, schnelleres Anfahren, geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten, etc.. Daher sind Druckbehälter, die gemäß dem Verfahren hergestellt sind, im wesentlichen frei von Spannungen und zeigen verbesserte Leistung gegenüber den Druckbehältern nach dem Stand der Technik, indem sie unter anderem höheren Drücken und Temperaturen widerstehen können, stoßfester sind und auch ein signifikant besseres Finish haben.
Aufgaben der Erfindung
Es ist daher eine breite Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus Verbundwerkstoff bereitzustellen.
Es ist insbesondere eine Aufgabe dieser Erfindung, solch ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, das von Vorteilen profitiert, einschließlich, im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff: bessere Kontrolle über das Verhältnis Verstärkung/Matrix, Abfallmaterialien, die effektiv recycelt werden können, verringerte Probleme mit Vorschriften, die durch Emission hervorgerufen werden, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten für die Wickel- (oder Alternativen zum Wickeln) und Aushärtungsschritte, wesentliche Arbeitseinsparungen aufgrund von weniger Materialhandhabung, Verringerung des Bodenraums, Geeignetheit für Automation, eine sicherere Umgebung für Angestellte, Vereinfachung von Verarbeitungslinien und von Materiallagerung und -handhabung, schnellere Überwechselzeiten, schnelleres Anfahren, geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten, etc..
In einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff bereitzustellen, die im Gebrauch eine Langzeitleistung zeigen, die wenigstens so gut ist wie diejenige von herkömmlichen Druckbehältern.
Zusammenfassung der Erfindung
Kurz gesagt werden diese und andere Aufgaben der Erfindung mit einem Verfahren zur Herstellung eines Behälters aus Verbundwerkstoff erreicht, welches einschließt: A) Vorformen (z. B. durch Wickeln von Faser, wie etwa Glasfaser, und wenigstens einer thermoplastischen Substanz auf einem thermoplastischen Liner) eines thermoplastischen Mantels für den Behälter, wobei der thermoplastische Mantel wenigstens eine Öffnung für Zugang zum Inneren desselben aufweist; B) Extrudieren eines im allgemeinen kreisförmigen Querschnitts eines fluiden Vorformlings aus thermoplastischem Material (das vorzugsweise so ausgewählt ist, daß es einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger ist als derjenige des thermoplastischen Materials) in das Innere des thermoplastischen Mantels durch die wenigstens eine Öffnung darin; C) in einer Form, Anlegen wenigstens einer Kraft (wie etwa Gas unter Druck), die dazu führt, daß der fluide Vorformling zu den Innenwänden des thermoplastischen Mantels (der vor Einführung in die Form vorerhitzt werden kann) hin gezwungen wird, so daß der fluide Vorformling Wärme auf den thermoplastischen Mantel überträgt; D) Fortsetzen von Schritt C), bis der thermoplastische Mantel und der fluide Vorformling zusammenfließen, um einen Behälter aus Verbundwerkstoff zu bilden; E) Abkühlen des Behälters aus Verbundwerkstoff, bis er erstarrt ist; und F) Entnehmen des ausgeformten Behälters aus Verbundwerkstoff aus der Form. Für einige Behälter aus Verbundwerkstoff kann, vor Schritt C) ein Einsatz in das Innere des Vorformlings eingeführt und in Flucht mit der Öffnung im thermoplastischen Mantel angeordnet werden, so daß der Einsatz während Schritt D) mit dem Behälter aus Verbundwerkstoff einstöckig gemacht wird. Geeignete thermoplastische Materialien schließen Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat ein.
Beschreibung der Zeichnungen
Der Gegenstand der Erfindung wird besonders hervorgehoben und genau beansprucht im abschließenden Teil der Beschreibung. Die Erfindung kann jedoch, sowohl im Hinblick auf die Organisation als auch auf das Betriebsverfahren, am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die zusammenzunehmen ist mit den angeschlossenen Ansprüchen und der begleitenden Zeichnung, in der:
1 eine darstellende Ansicht eines Liners/Dorns ist, der bei der praktischen Umsetzung einer ersten erfinderischen Ausführungsform eingesetzt wird;
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 2-2 von 1 ist;
3 eine darstellende Ansicht des Liners/Dorns ist, der in den 1 und 2 dargestellt ist, überlegt mit einer Schicht aus vermischtem thermoplastischen Fasermaterial;
4 eine Ansicht des Liners ist, nachdem er mit der Schicht aus vermischtem thermoplastischen Fasermaterial überlegt worden ist, und eine vergrößerte fragmentarische Querschnittansicht einschließt;
5A, 5B und 5C Querschnittsansichten entlang der Linien 5-5 von 3 sind, die drei Varianten eines ersten Materialtyps veranschaulichen, der auf den thermoplastischen Liner gewickelt werden kann, um die Deckschicht zu erstellen;
6 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 6-6 von 3 ist, die einen zweiten Materialtyp veranschaulicht, ein Roving einer der drei Varianten, die in den 5A, 5B und 5C dargestellt sind, der auf den thermoplastischen Liner gewickelt werden kann, um die Deckschicht zu erstellen;
7 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 18-18 von 3 ist, die einen dritten Materialtyp veranschaulicht, ein Garn aus dem zweiten Materialtyp, das auf den thermoplastischen Liner gewickelt werden kann, um die Deckschicht zu erstellen;
8 eine Phantomansicht einer Form ist, die den modifizierten Liner darstellt, eingeschlossen in einer Form, in der er Wärme und wenigstens einer Kraft unterworfen wird, die dazu neigt, den modifizierten Liner in die Form zu drücken, die von der Innenfläche der Form definiert ist;
9 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des modifizierten Liners ist, die die Wirkungen der Wärme und Kraft darauf veranschaulicht;
10 eine ähnliche Ansicht wie 8 ist, die den modifizierten Liner zeigt, eingeschlossen in einem unterschiedlichen Typ von Form;
11 eine Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer zweiten erfinderischen Ausführungsform;
12 eine zu 11 ähnliche Ansicht ist, die einen Schritt in der zweiten erfinderischen Ausführungsform veranschaulicht, in dem ein Vorformling aus fließfähigem thermoplastischen Material in das Innere der vorgeformten Komponente als eine zweite Komponente eines zu bildenden Druckbehälters aus Verbundwerkstoff eingebracht wird;
13 eine zu den 11 und 12 ähnlich Querschnittsansicht ist, wobei aber die Form geschlossen ist und die Komponenten des Druckbehälters einer Kraft unterworfen werden, die den Druckbehälter gegen die Innenwand der Form ausbildet;
14 eine Querschnnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer dritten erfinderischen Ausführungsform, und auch eine thermoplastische Linerkomponente, die im Inneren der ersten Komponente angeordnet ist;
15 eine zu 14 ähnliche Querschnittsansicht ist, wobei aber die Form geschlossen ist und die Komponenten des Druckbehälters einer Kraft unterworfen sind, die dann den Druckbehälter gegen die Innenwand der Form ausbildet;
16 eine Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 14 und 15 dargestellten Verfahren;
17 eine Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, hergestellt gemäß einer vierten erfinderischen Ausführungsform, und auch eine äußere Linerkomponente, die außen um die erste Komponente herum angeordnet ist, und eine innere Linerkomponente, die im Inneren der ersten Komponente angeordnet ist;
18 eine zu 17 ähnliche Ansicht ist, wobei aber die Form geschlossen ist und krafterzeugende Komponenten mit der Form gekoppelt sind;
19 eine zu 18 ähnliche Ansicht ist, die den Druckbehälter zeigt, der in der Form unter dem Einfluß von Hitze und einer oder mehreren Kräften ausgeformt wird, die die Druckbehälterkomponenten zwingen, an den Umrissen der Innenwand der Form anzuliegen;
20 eine Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 17, 18 und 19 dargestellten Verfahren;
21 eine Querschnittsansicht einer Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, die bereits mit einem thermoplastischen Liner versehen ist, wobei der Druckbehälter gemäß einer fünften erfinderischen Ausführungsform hergestellt wird;
22 eine zu 21 ähnliche Ansicht ist, die den Druckbehälter zeigt, der in der Form unter dem Einfluß von Hitze und einer oder mehreren Kräften ausgeformt wird, die die Druckbehälterkomponenten zwingen, an den Umrissen der Innenwand der Form anzuliegen; und
23 eine Querschnittsansicht des fertiggestellten Druckbehälters aus Verbundwerkstoff ist, hergestellt mit dem in den 21 und 22 hergestellten Verfahren.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Zunächst Bezug nehmend auf 1 und 2 ist dort ein thermoplastischer Liner/Dorn 1 für einen Druckbehälter aus Verbundwerkstoff dargestellt, der gemäß einer ersten erfinderischen Ausführungsform hergestellt werden soll. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Liner/Dorn 1 eine im allgemeinen längliche vorgeformte Struktur, die an jedem Ende in einer Kuppel 2, 3 mit einer zentralen, axialen Öffnung 4, 5 endet. Der thermoplastische Liner 1 kann zum Beispiel aus Polypropylen, Polyethylen, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat oder Faser(z. B. Glasfaser)-imprägniertem Polypropylen, Polyethylen, Polybutylenterephthalat oder Polyethylenterephthalat oder einem anderen thermoplastischen Material mit geeigneten Eigenschaften hergestellt sein und kann hergestellt sein mit jedem geeigneten herkömmlichen Verfahren, wie etwa Ausformen einer Kombination von zerkleinerten Fasern, gerichtetem, gewebtem und/oder geknüpftem Fasergewebe, zusammengenäht oder -geschweißt in der Form des Behälters und vermischt mit thermoplastischem Material.
Wie dargestellt in 3 wird ein Filament, Roving, Garn oder Band 6 aus Faser (z. B. Glasfaser, Kohlenstofffaser, Borfaser, etc.) und einem thermoplastischen Material methodisch auf die Außenfläche des thermoplastischen Liners 1 gewickelt, um eine im wesentlichen gleichförmige Deckschicht 7 zu bilden, wie dargestellt in dem vergrößerten Teilquerschnitt in 4. Dieser Schritt kann zum Beispiel durch Anbringen des thermoplastischen Liners 1 auf einem Dorn 8 und Drehen des Liners, wie angegeben durch den Pfeil 9, durchgeführt werden, während das (die) Filament(e), Roving, Garn oder Band 6 methodisch von einer quer und hin- und hergehenden Quelle zugeführt wird, wie dargestellt durch den Doppelpfeil 10, und dieses Verfahren fortgesetzt wird, bis die Deckschicht 7 die gewünschte Dicke erreicht hat. Das Material 6 kann auf den thermoplastischen Liner 1 „kalt" aufgewickelt werden oder kann durch eine Heizeinrichtung 12 geführt werden, die in einigen Anwendungen zu einer gleichförmigeren Deckschicht 7 führt (4), mit besseren funktionellen und/oder ästhetischen Eigenschaften. Die resultierende Struktur 11 wird dann weiter verarbeitet, wie unten im Detail beschrieben werden wird.
Es ist festgestellt worden, daß es wünschenswert ist, die Zuführgeschwindigkeit in den Bereichen der Kuppeln und Endstücke in geeigneter Weise zu variieren, so daß eine im wesentlichen gleichförmige Dicke der Deckschicht über die gesamte Länge des Liners 1 erhalten wird. Alternative Wickeltechniken zum Erreichen einer befriedigend gleichförmigen Deckschicht sind im Stand der Technik gut bekannt und es wird Bezug genommen zum Beispiel auf U.S.-Patent 3,282,757 mit dem Titel METHOD OF MAKING A FILAMENT REINFORCED PRESSURE VESSEL von Richard C. Brussee, das verschiedene Wicklungstechniken offenbart, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Die Form, und insbesondere die Art, der Faser und des thermoplastischen Materials 6 ist jedoch von signifikanter Bedeutung für die Praxis der Erfindung, so daß die Aufmerksamkeit kurz auf die 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 7 gelenkt wird, die geeignete Varianten des Materials 6 darstellen, die in der Praxis der Erfindung eingesetzt werden können. In 5A sind getrennte Stränge aus thermoplastischem Material 13A und Faser 12A zusammen oder getrennt, aber mehr oder weniger gleichzeitig, wie angegeben bei 6A, auf den Liner/Dorn 1 aufgewickelt. Geeignete Arten von thermoplastischem Material 13A, die in der Praxis der Erfindung für diesen Zweck verwendet werden können, schließen, aber ohne Beschränkung hierauf, Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat ein.
5B zeigt einen Querschnitt einer zweiten Variante 6B für das Material 6, in der die Faser 12B mit einem thermoplastischem Material 13B durch zum Beispiel Doppelextrusion oder durch irgendein anderes geeignetes Vorverfahren beschichtet ist. In ähnlicher Weise zeigt 5C einen Querschnitt einer dritten Variante 6C für das Material 6, in der die Faser 12C mit einem Pulver aus dem thermoplastischen Material 13C beschichtet ist.
Vorzugsweise werden jedoch die Faser 12 und das thermoplastische Material 13 (in jeder der in den 5A, 5B, 5C dargestellten Formen), vor dem Aufwickeln auf den Liner/Dorn 1, zu einem Roving 6D miteinander vermischt, wie dargestellt in 6A, oder zu einem Garn 6E solcher Rovings, wie dargestellt in 6B. Eine weitere bevorzugte Konfiguration für das Material 6 ist in 7 dargestellt, als ein Band 6F von miteinander vermischter Faser und thermoplastischem Material. Geeignete Rovings, Garne und Bänder aus miteinander vermischter Faser, z. B. Glasfaser, und thermoplastischem Material sind kommerziell erhältlich, und eine Produktfamilie, die sich als gut geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erwiesen hat, wird unter der Marke Twintex von Vetrotex vertrieben. Twintex wird hergestellt mit einem geschützten Verfahren, das das Vermischen von Filamenten aus Glasfaser (z. B. 17 Mikrometer im Durchmesser) mit Filamenten (z. B. 20 Mikrometer im Durchmesser) aus Thermoplast (z. B. Polyethylen oder Polypropylen) während der kontinuierlichen Herstellung von Rovings, Garnen und Bändern umfaßt, die als solche und auch in der Form von Geweben verfügbar sind.
Somit kann, nur beispielhaft, der thermoplastische Liner/Dorn 1 selbst aus Twintex^®-Gewebe hergestellt werden, das zusammengenäht oder -geschweißt und in geeigneter Weise wärmebehandelt ist, zum Beispiel in einer Form, um die Vorform zu erhalten, die anschließend mit der Faser und dem thermoplastischen Material 6 umwickelt wird, um die Zwischenstruktur 11 zu erhalten.
Nunmehr Bezug nehmend auf 8, wird, nachdem die Zwischenstruktur 11 hergestellt worden ist, wie beschrieben oder in irgendeiner geeigneten Art und Weise, diese in eine Form 13 eingebracht (im Beispiel zweiteilig). Die Form wird dann erhitzt, zum Beispiel durch eingebettete Widerstandsheizeinrichtungen, dargestellt durch die Heizeinrichtung 15B, die steuerbar betrieben wird von einer Quelle E 15A und/oder durch Umwälzen von heißem Öl, erhitzt durch eine Quelle H 14A, durch Wicklungen 14B und/oder jedes andere geeignete herkömmliche Formerhitzungshilfsmittel. Zusätzlich wird wenigstens eine Kraft auf die Form 13 und/oder das Innere der Zwischenstruktur 11 ausgeübt, die dazu neigt zu bewirken, daß die Außenfläche der Zwischenstruktur an der Innenfläche 13A (9) der Form anliegt, wenn die angewendete Hitze Q bewirkt, daß der thermoplastische Liner 1 und die aufgewickelte Deckschicht 7 miteinander verschmelzen und gegen die Form fließen. Die Kraft oder Kräfte können erzeugt werden durch Beaufschlagen der Formhälften mit äußerem Druck, um sie zusammenzudrücken, wie angegeben durch die mit „F" bezeichneten Pfeile, und/oder durch Unterdrucksetzen des Inneren des thermoplastischen Liners 1 durch zum Beispiel Verwendung von Gasdruck aus einer geeigneten Quelle 16, die in den Liner 1 durch eine Leitung 18 gefördert wird. Wenn das Unterdrucksetzen eingesetzt wird, dienen Kappen (aufgeschraubt oder dauerhaft) 19 dazu, die Enden der Zwischenstruktur 11 abzudichten.
Die Hitze wird dann von der Form 13 entfernt, was ermöglicht, daß der nunmehr gebildete Druckbehälter aus Verbundmaterial aushärtet und durch Öffnen der Form in der herkömmlichen Art und Weise entnommen werden kann.
In der Praxis können zwei wichtige fakultative Überlegungen berücksichtigt werden. Erstens ist festgestellt worden, daß die Form entlüftet werden sollte, wie dargestellt durch die über den Umfang verteilten Entlüftungsöffnungen 17, die in 8 dargestellt sind, um zu ermöglichen, daß eingeschlossene Luft entweichen kann, wenn der Druckbehälter sich gegen die Innenwand der Form ausbildet, und somit ein besonders feines Finish für die äußere Oberfläche des Druckbehälters zu erreichen, die wenig, wenn überhaupt, weitere Oberflächenbehandlung erfordert. Zweitens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, um vollständiges Verschmelzen zwischen dem thermoplastischen Liner 1 und der aufgewickelten Deckschicht 7 sicherzustellen, entsprechende Materialien mit etwas unterschiedlichen Schmelztemperaturen für den Liner und die Deckschicht auszuwählen. Insbesondere werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn die Aufheizgeschwindigkeit kontrolliert wird und der Schmelzpunkt des Liners so ausgewählt ist, daß er oberhalb desjenigen der Deckschicht liegt, damit das thermoplastische Material effektiv um die Faser herum schmelzen kann, während der Liner erweicht wird, aber während des Ausformprozesses nicht vollständig schmilzt. Wie im Stand der Technik gut bekannt, ist zum Beispiel der Schmelzpunktbereich von Polypropylen 148°C bis 165°C (300°F bis 330°F), während derjenige von Polyethylen 48°C bis 60°C (120°F bis 140°F) ist.
Wie dargestellt in 10 kann der Druckbehälter aus Verbundwerkstoff gemäß einem ähnlichen Prozeß hergestellt werden, bei dem eine zweiteilige Form 20, versehen mit zusammenpassenden Flanschen 21, 22, die mit Bolzen miteinander verbunden sind, verwendet wird, wodurch eine vorbestimmte dreidimensionale Form für die Innenfläche der zusammengebauten Form vollständig definiert ist. In dieser Konfiguration wird die Zwischenstruktur 11 in die Form eingebracht, die zusammengebaut wird. Anschließend wird Hitze Q angewendet, wie oben beschrieben, während das Innere der Zwischenstruktur unter Druck gesetzt wird, um den Druckbehälter aus Verbundwerkstoff zu bilden. In dieser Variante besteht keine Notwendigkeit, äußere Druckkräfte auf die Form auszuüben. Vorzugsweise sind Entlüftungsöffnungen 17 aus den oben angegebenen Gründen vorgesehen.
Die 11, 12 und 13 veranschaulichen ein unterschiedliches, aber verwandtes Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus Verbundwerkstoff. Aus Klarheitsgründen sind diese FIGen. im Querschnitt dargestellt. Bezugnehmend auf 11 ist eine Vorform 31 in eine zweiteilige Form 30A, 30B eingebracht. Die Vorform 31, die als ein äußerer Mantel für den herzustellenden Druckbehälter aus Verbundwerkstoff dienen wird, kann in der zuvor für den thermoplastischen Liner 1 beschriebenen Art und Weise hergestellt werden, kann aber alternativ in der zuvor für die Zwischenstruktur 11 beschriebenen Art und Weise hergestellt werden; d. h. der thermoplastische Liner 1, umwickelt mit der Deckschicht 7 aus Faser und einem thermoplastischen Material.
Wie dargestellt in 12, wird ein Vorformling 32 aus geschmolzenem thermoplastischen Material, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat, als eine längliche Röhre durch eine axiale Öffnung 37 im oberen Ende der Vorform 31 extrudiert. Das Material des Vorformlings 32 ist ausgewählt, um eine gute Bindung mit einer gegebenen Vorform 31 auszubilden. Ein Einsatz 33, der mit Schraubgewinde versehen oder dauerhaft sein kann, ist in Bezug auf die axiale Öffnung 37 und innerhalb des Vorformlings 32 angeordnet. In ähnlicher Weise ist, wenn die Vorform 31 eine zweite axiale Öffnung 38 einschließt, ein weiterer Einsatz 34 in der zweiten Öffnung angeordnet.
Die Fachleute werden verstehen, daß der geschmolzene Vorformling 32 eine große Menge an latenter Wärme speichert. Nunmehr bezugnehmend auf 13 werden so die Formhälften 30A, 30B geschlossen und das Innere des Vorformlings wird aus einer Druckgasquelle 35 über Leitung 36 unter Druck gesetzt, so daß das thermoplastische Material 32A im Vorformling nicht nur gegen die Innenfläche der Vorform 31A fließt, sondern auf die Vorform 31A auch ausreichend Wärme überträgt, um sie fluid zu machen. Folglich fließt die Außenfläche der Vorform 31A, um an die Innenfläche der Form anzuliegen, wobei die Einsätze 33A, 34A mit dem Rest der Struktur schmelzen oder entfernbare Einsätze definieren, wie dies gewünscht sein kann.
Wenn es in einer gegebenen Konfiguration ungenügend latente Wärme im Vorformling gibt, um ein vollständiges Zusammenfließen der Vorform und des thermoplastischen Materials und die beabsichtigte Übereinstimmung der Außenfläche der Vorform mit der Innenfläche der Form zu bewirken, kann die Form mit zusätzlicher Wärme Q beaufschlagt werden, um die Bildung des Druckbehälters 37 zu vervollständigen. Die Form kann abkühlen gelassen (oder herkömmlicherweise zwangsgekühlt) und geöffnet werden, so daß der fertiggestellte Druckbehälter entnommen werden kann.
Die 14, 15 und 16 (dargestellt im Querschnitt) veranschaulichen ein weiteres Ausformverfahren zum Ausformen einer Vorform 41 zu einem Druckbehälter 41A. Zunächst bezugnehmend auf 14 kann die Vorform 41 gemäß einem der entsprechenden Verfahren, die zuvor beschrieben sind, hergestellt werden, einschließlich des im Zusammenhang mit den 1 bis 10 beschriebenen Verfahrens, das das Wickeln von miteinander vermischter Faser und einem thermoplastischen Material auf einen thermoplastischen Liner umfaßt, der selbst hergestellt sein kann durch Zusammenschweißen oder -nähen von Komponenten aus miteinander vermischter Faser und einem thermoplastischen Material. Oder die Vorform 41 kann relativ grob aus einem geeigneten thermoplastischen Material, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat, ausgeformt werden.
Die Vorform 41, die im Beispiel axiale Öffnungen 44, 46 hat, wird in eine zweiteilige Form 40A oder 40B eingebracht. Dann werden mit Schraubgewinde versehene Einsätze 43, 45 in den Öffnungen 44, 46 angeordnet. (Natürlich könnten solche Einsätze wie 33, 34, die im Verfahren eingesetzt werden, das in den 11 bis 13 veranschaulicht ist, oder irgendein anderer Einsatztyp alternativ eingesetzt werden, abhängig von der genauen Konfiguration des gewünschten Druckbehälters.) Wenn mit Schraubgewinde versehene Einsätze eingesetzt werden, wird deren Material so ausgewählt, daß es einen Schmelzpunkt hat, der deutlich über dem Schmelzpunkt der Vorform 41 liegt. Wenigstens einer der Einsätze schließt eine Öffnung zum Einbringen eines aufblasbaren Silikonkautschukbeutels 42 in das Innere der Vorform 48 ein. Zusätzlich wird eine Heizeinrichtung 48 innerhalb des aufblasbaren Beutels 42 angeordnet, die so ausgewählt wird, daß sie höhere Wärmehandhabungsfähigkeiten als der Schmelzpunkt der Vorform 41 hat. Ein geeigneter Silikonkautschuk für den aufblasbaren Beutel 42 ist Mosites 1453D, geliefert von Mosites Rubber in den Vereinigten Staaten und Aerovac Systems (Keighley) Ltd. im Vereinigten Königreich.
Die Heizeinrichtung 48 kann von jedem geeigneten Typ sein, wie etwa eine elektrische Widerstandsheizung, wobei Strom auch durch Leiter (nicht dargestellt) zugeführt werden kann, die sich durch die Öffnung im mit Schraubgewinde versehenen Einsatz 43 hindurch erstrecken und mit einer geeigneten steuerbaren Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden sind. Zusätzlich können Vorkehrungen getroffen werden, falls erforderlich und wünschenswert, zum getrennten Vorheizen der Vorform 41, wie etwa durch Bereitstellen einer Anordnung von Heizeinrichtungen, dargestellt durch die elektrischen Widerstandsheizungen 47A, 47B in der Nähe der Wände der Vorform. Strom kann den Heizeinrichtungen 47A, 47B über Leiter (nicht dargestellt) zugeführt werden, die sich durch eine oder die andere oder beide der axialen Öffnungen 44, 46 in der Vorform 41 erstrecken und mit einer geeigneten steuerbaren Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Form 40A, 40B kann selbst ebenfalls in herkömmlicher Weise vorerhitzt und/oder während des Ausformverfahrens erhitzt werden.
Wenn die Vorform 41 vorerhitzt werden soll (typischerweise um den Durchsatz des Verfahrens zu erhöhen), wird dieser Schritt durchgeführt, um die Vorform nahezu fluid zu machen, und die Heizeinrichtungen 47A, 47B werden aus der Form 40A, 40B herausgezogen, die dann geschlossen wird. Nunmehr bezugnehmend auf 15, wird der aufblasbare Silikonkautschukbeutel 42 von einer Druckgasquelle 49 über eine Leitung 50 aufgeblasen, während die Heizeinrichtung 48 die Vorform 41 zu einem fluiden Zustand durch den Beutel erhitzt, so daß der Beutel nach außen gerichtete Kräfte auf die Vorform ausübt, die daher fließt, um an die Innenfläche 40A, 40B anzuliegen, um den Druckbehälter 41A zu bilden. Man wird bemerken, daß in dem Beispiel die Bereiche der axialen Öffnungen der Vorform fließen, um an die Schraubgewinde der Einsätze 43, 45 anzuliegen.
Die Beaufschlagung mit Wärme wird dann beendet, und wenn die Form 40A, 40B und der ausgeformte Druckbehälter 41A entsprechend abgekühlt sind, wird die Form geöffnet, die mit Schraubgewinde versehene Einsätze 43, 45 werden herausgeschraubt und der Silikonkautschukbeutel 42 und die Heizeinrichtung 48 werden herausgezogen, was den ausgeformten Druckbehälter zurückläßt. Man wird bemerken, daß sich, wie dargestellt bei 51, Innenschraubgewinde, wie im Beispiel beabsichtigt, in den axialen Öffnungen des ausgebildeten Druckbehälters aus Verbundwerkstoff ausgebildet haben.
Bei der Herstellung einiger Druckbehälter aus Verbundmaterial, wie etwa Haushaltswassererhitzer, kann die Farbe des Endproduktes von Bedeutung sein. Es ist natürlich möglich, eine Vorform gemäß irgendeiner der zuvor beschriebenen Verfahren unter Verwendung von Materialien) herzustellen, das/die bereits gefärbt ist/sind. Es gibt jedoch zwei potentielle Einwände gegen diesen offensichtlichen Ansatz; nämlich: die vorgefärbten Rohmaterialien sind teurer und eine begrenzte Anzahl von Farben ist bei den vorgefärbten Rohmaterialien verfügbar. Bei Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann jedoch einem fertiggestellten Druckbehälter Farbe auf eine unterschiedliche und hoch befriedigende Art und Weise verliehen werden.
In ähnlicher Weise gibt es Anwendungen für Druckbehälter, wie etwa ultrareine Wasserspeicher, Gasspeicher (z. B. Propan, Butan, Erdgas, etc.) und Lebensmittelvorratsbehälter, bei denen es wünschenswert ist, eine integrale undurchlässige innere Auskleidung in einem Druckbehälter aus Verbundwerkstoff bereitzustellen. Wieder kann ein Verfahren zur Bereitstellung solch einer integralen undurchlässigen inneren Auskleidung gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt werden. Der Einfachheit halber behandelt ein Beispiel, dargestellt in den 17 bis 20, sowohl die Bereitstellung einer gewünschten äußeren Farbe bei einem Druckbehälter aus Verbundwerkstoff als auch die Bereitstellung einer integralen undurchlässigen inneren Auskleidung. Man wird verstehen, daß jedes Merkmal einzeln bereitgestellt werden kann.
Bezugnehmend auf 17, wird so eine Baugruppe, die eine Vorform 63 (hergestellt gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren), umgeben von einem Film 67 aus thermoplastischem Material der gewünschten Produktfarbe, einschließt, in eine zweiteilige Form 60A, 60B eingebracht. Wenn eine integrale undurchlässige innere Auskleidung implementiert werden soll, wird ein thermoplastischer Film 66 mit den gewünschten Eigenschaften in das Innere der Vorform 63 eingebracht, bevor Einsätze 64, 65 in geeigneter Weise angeordnet werden. Die Form 60A, 60B schließt entsprechend gegenüberliegende vertiefte Abschnitte 61A, 61B und 62A, 62B ein, die, wenn die Form geschlossen ist, Durchlässe in das Forminnere bereitstellen.
Nunmehr bezugnehmend auf 18, wird die Form 60A, 60B geschlossen und das Innere der Form wird mit einer Vakuumquelle 68 über eine Leitung 69 verbunden. Alternativ, oder zusätzlich, wird das Innere der inneren Auskleidung 66 (oder das Innere der Vorform 63, wenn keine innere Auskleidung eingearbeitet werden soll) mit einer Druckgasquelle 70 über eine Leitung 71 verbunden. Wie dargestellt in 19, wird die Form mit Wärme Q beaufschlagt, um alle Bestandteile des auszuformenden Druckbehälters aus Verbundwerkstoff in einen fluiden Zustand zu bringen, während das Innere der Form evakuiert wird, wie dargestellt durch die Pfeile 72, und das Innere der inneren Auskleidung 66 (oder der Vorform 63, wenn es keine innere Auskleidung gibt) unter Druck gesetzt wird, wie dargestellt durch die Pfeile 73. Folglich fließen die drei (oder zwei) Komponenten zusammen und die Außenfläche des gefärbten Films 67 liegt an die Gestalt des Inneren der Form 60A, 60B an. Nachdem man die Form abkühlen gelassen (oder zwangsabgekühlt) hat und sie geöffnet worden ist, ist der resultierende Druckbehälter aus Verbundwerkstoff, dargestellt in 20 (als eine Querschnittscheibe), fertig für jede folgende Bearbeitung. Wie zuvor angegeben, können die Einsätze 64, 65 natürlich für anschließende Entfernung mit Schraubgewinde versehen sein, was ein oder zwei axiale Öffnungen zurückläßt, wie es geeignet sein kann für den beabsichtigten Zweck des Druckbehälters aus Verbundwerkstoff.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters ist in den 21 bis 23 veranschaulicht. 21 zeigt eine zweiteilige Form 80A, 80B, die zum Beispiel eine einschichtige Metallform sein kann, so daß eine Reihe von Druckbehältern gleichzeitig ausgeformt werden können. Die Form, die in einem geeigneten Ofen 81 angeordnet dargestellt ist, ist mit einer Vorform 82 beladen, die gemäß einem der Verfahren und aus einem der Materialien und/oder Kombinationen von Materialien, die zuvor beschrieben sind, hergestellt ist und wenigstens eine Öffnung für Zugang zum Inneren derselben aufweist. Ein Beutel 83 aus thermoplastischem Film, der dazu gedacht ist, als eine integrale Auskleidung im fertiggestellten Druckbehälter zu dienen, wird in das Innere der Vorform 82 eingebracht, bevor die Form 80A, 80B geschlossen wird.
Nunmehr bezugnehmend auf 22, wird, wenn Wärme Q aus dem Ofen 81 zur Form 80A, 80B überführt wird, Gasdruck P (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht dargestellt) auf das Innere des Beutels 83 aus thermoplastischen Film ausgeübt, wodurch er zur Innenfläche der Vorform 82 gedrückt wird. Zusätzlich wird Vakuum V (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht dargestellt) auf das Innere der Form 80A, 80B gezogen und somit außen an die Vorform 82. Dieser Zustand wird fortgesetzt, bis die Kunststoffmaterialien der Vorform 82 und des Beutels aus Kunststofffilm zusammenfließen und die äußere Oberfläche der Verbundwerkstoffstruktur die Gestalt des Inneren der Form annimmt. Dann wird die Form aus dem Ofen 81 entnommen, abkühlen gelassen und geöffnet, um den fertiggestellten Druckbehälter 85 aus Verbundwerkstoff zu entnehmen, der in 23 als hergestellt aus der integralen Struktur dargestellt ist, die die ausgeformte Vorform 82A und die Auskleidung 83A aus Kunststofffilm einschließt, die an das Innere des Druckbehälters aus Verbundwerkstoff angeschmolzen ist.
Druckbehälter aus Verbundwerkstoff, hergestellt gemäß allen oben offenbarten Verfahren, haben Leistungseigenschaften und ästhetische Eigenschaften, die signifikant verbessert sind gegenüber denjenigen, die mit Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt sind. Insbesondere können sie höheren Drücken und Temperaturen widerstehen, sind stoßfester und zeigen ein signifikant besseres Finish. Sie haben auch gute Attribute der maschinellen Verarbeitbarkeit und können leicht verschweißt, geschnitten, gebohrt, mit Schraubgewinde versehen, gestanzt oder dergleichen werden, wie erwünscht sein könnte, um ein Endprodukt mit hoher Qualität herzustellen.
Somit wird es den Fachleuten, obgleich die Prinzipien der Erfindung nunmehr in veranschaulichenden Ausführungsformen deutlich gemacht worden sind, viele Modifikationen der Struktur und der Komponenten, die in der Praxis der Erfindung verwendet werden, offensichtlich sein, die besonders angepaßt sind an spezifische Umgebungen und Betriebsanforderungen, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Behälters (37) aus Verbundwerkstoff, welches die Schritte umfaßt: A) Vorformen eines faserverstärkten thermoplastischen Mantels (31) für den Behälter, wobei der thermoplastische Mantel wenigstens eine Öffnung (37, 38) für Zugang zum Inneren desselben aufweist; B) Extrudieren eines im allgemeinen kreisförmigen Querschnitts eines fluiden Vorformlings (32) aus thermoplastischem Material in das Innere des thermoplastischen Mantels durch die wenigstens eine Öffnung darin; C) in einer Form (30A, 30B), Anlegen wenigstens einer Kraft, die dazu führt, daß der fluide Vorformling zu den Innenwänden des thermoplastischen Mantels hin gezwungen wird, so daß der fluide Vorformling Wärme auf den thermoplastischen Mantel überträgt; D) Fortsetzen von Schritt C), bis der thermoplastische Mantel und der fluide Vorformling zusammenfließen, um einen Behälter (37) aus Verbundwerkstoff zu bilden; E) Abkühlen des Behälters aus Verbundwerkstoff, bis er erstarrt ist; und F) Entnehmen des ausgeformten Behälters aus Verbundwerkstoff aus der Form.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Mantel, vor Schritt C), vorerhitzt wird, um das Zusammenfließen des thermoplastischen Mantels und des fluiden Vorformlings während Schritt D) sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, vor Schritt C), ein Einsatz (33) in das Innere des Vorformlings eingebracht und fluchtend mit der Öffnung im thermoplastischen Mantel angeordnet wird, so daß der Einsatz während Schritt D) mit dem Behälter aus Verbundwerkstoff zu einem Stück ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Mantel hergestellt wird durch Aufwickeln von Faser und wenigstens einer thermoplastischen Substanz auf den thermoplastischen Liner.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Mantel, vor Schritt C), vorerhitzt wird, um das Zusammenfließen des thermoplastischen Mantels und des fluiden Vorformlings während Schritt D) sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, vor Schritt C), ein Einsatz in das Innere des Vorformlings eingebracht und fluchtend mit der Öffnung im thermoplastischen Mantel angeordnet wird, so daß der Einsatz während Schritt D) mit dem Behälter aus Verbundwerkstoff zu einem Stück ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kraft, während der Schritte C) und D), Gasdruck umfaßt, der in das Innere des Vorformlings eingeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material so ausgewählt wird, daß es einen Schmelzpunkt hat, der niedriger ist als derjenige des thermoplastischen Mantels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material ausgewählt wird aus der Gruppe, die Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat umfaßt.