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WO2003071181A1 - Pressurised container comprising a tubular connection - Google Patents

Pressurised container comprising a tubular connection Download PDF

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WO2003071181A1
WO2003071181A1 PCT/CH2003/000126 CH0300126W WO03071181A1 WO 2003071181 A1 WO2003071181 A1 WO 2003071181A1 CH 0300126 W CH0300126 W CH 0300126W WO 03071181 A1 WO03071181 A1 WO 03071181A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure vessel
vessel according
oval
stress
connection
Prior art date
Application number
PCT/CH2003/000126
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Jeltsch
Original Assignee
Ems-Chemie Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to AU2003205485A priority patent/AU2003205485A1/en
Priority to DE50305953T priority patent/DE50305953D1/en
Priority to DK03702257T priority patent/DK1476694T3/en
Priority to JP2003570053A priority patent/JP4257212B2/en
Priority to EP03702257A priority patent/EP1476694B1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a pressure container with at least one tubular connection at an opening in the container wall.
  • a pressure vessel e.g. If an internal, pneumatic or hydraulic overpressure is applied, tensions occur in the container wall.
  • pressure vessels are constructed as spherical or cylindrical as possible. If a connection is attached to such a container, the stresses concentrate in the area of the connection, as a result of which this area is subjected to higher loads and forms a weak point of the pressure container.
  • the stresses for each point of the container wall can be described mathematically by stress tensor.
  • the invariant of the stress tensor against coordinate transformations are three so-called main stresses, one of which is defined as the first main stress in the technical terminology of stress tensor mechanics.
  • the first main stress corresponds to the greatest tensile stress. This term is also used in the following.
  • main directions are assigned to the main stresses.
  • WO 01/69187 A1 in relation to a pressure vessel which can be used in particular as a water meter housing, it is proposed to design the bottom part of the latter to be elliptical in order to reduce the voltage. It remains unclear which floor shape WO 01/69187 A1 is based on, since hemispherical or at least approximately elliptical floor shapes (so-called bobbin floors) have of course long been known in the prior art and would have at least equally good properties.
  • WO 01/69187 A1 proposes to shift tensions away from weld seams in the area between two connections and the lower part of the housing, which is identical to the base part Make connections elliptical. 2 shows an example of this.
  • WO 01/69187 A1 does not make any statements about which would allow an understanding of the stress shift claimed, nor does it make any statements about where the voltages are shifted to.
  • the object of the present invention is to specify how the problems mentioned in the connection area of tubular connections can be reduced in the case of pressure vessels and thereby pressure vessels can be produced which can be loaded with a higher pressure difference or which have a higher safety reserve with the same load.
  • the invention proposes ovalizing the connection in the connection area.
  • the cross-sections of the opening and the tubular connection at this opening are oval and aligned with the major axis of the oval shape in the direction of the first main stress, which would result if the pressure vessel were subjected to an internal overpressure at the connection point without the opening and the connection ,
  • the ovality O can be expressed by the ratio of the length of the large (D) and the small (d) axis of the oval shape and is, depending on the application and geometry, approximately in the range between 1, 1 and 3.0, preferably in the range between 1, 1 and 2.5, and particularly preferably in the range between 1, 1 and 1, 9.
  • an essentially circular-cylindrical pressure vessel can be considered, in which stresses in the vessel wall result in internal pressure loading which are approximately twice as great in the circumferential direction as in the longitudinal direction.
  • an oval shape is to be understood quite generally as an elongated round shape, of which e.g. an elliptical shape would represent a special case.
  • the ovalization of the connection in the mentioned main voltage direction not only has a significant influence on the reduction of the maximum voltages that occur in the pressure vessel wall. They can be used to shift the voltages that occur to other areas, e.g. in those where there are no weld lines or sharp edges and where they have a less adverse effect.
  • a certain disadvantage is the reduction in the cross-section available, for example, for a flow, which is associated with ovalization, if this is brought about from a circular cross-sectional shape by flattening this shape or by reducing an axis.
  • it is sufficient to carry out the ovalization only directly in the connection area and to continuously change back to a circular tube shape within a relatively short distance.
  • the length of this transition section L can e.g. are in the order of magnitude of the diameter of the circular shape of the connecting pipe, or may also be very short.
  • Such a limited cross-sectional reduction only causes small pressure losses, which are usually negligible in relation to the losses of an overall system.
  • the invention naturally also includes pressure vessels which are not flowed through and are under static pressure.
  • pressure vessel and / or the tubular connection is to be understood very generally within the scope of the present invention.
  • a pipe bend can be understood as a limit case of a cylindrical pressure vessel closed on one side and reduced in diameter with a pipe socket attached to the side at the closed end, whereby there is no longer even a difference between the part serving as pressure container and the part serving as pipe socket.
  • a pipe bend can also be regarded as a one-armed T-piece.
  • pressure vessel should not be interpreted restrictively in the sense that it always only has an internal overpressure compared to e.g. external normal pressure is loaded.
  • inventive principle and the resulting geometry remain the same for every pressure difference situation and thus also for an external overpressure compared to e.g. an internal normal pressure, such as this e.g. in the case of submarines or the like. This means that it can be used both as an internal pressure vessel and as an external pressure vessel.
  • the pressure container according to the invention can be a gas generator housing for at least one airbag, as is increasingly used in automobile construction.
  • This is a pressure container through which a gaseous medium is directed into the corresponding air bags after the airbag has been triggered. This creates very high pressures in a very short time, which the housing has to withstand.
  • Figure 1 is a perspective view of a cylindrical container with an oval pipe socket attached.
  • Fig. 2 under a) in a sectional view the housing of a water meter with two opposite tubular connecting pieces, under b) a side view and under c) a top view of the same housing; 3 under a) - d) each quarter segments of a housing corresponding to that of Fig.
  • FIG. 5 shows in a view and in several cross sections a T-piece ovalized according to the invention
  • FIG. 6 shows a pipe bend ovalized according to the invention, cut open in a perspective view
  • FIG. 9 sectional drawings through a gas generator housing for a head airbag system.
  • a pressure vessel 1 shows, as a first simple example, a pressure vessel 1 with a circular cylindrical cross section, to which a pipe socket 2 is connected laterally to the lateral surface. If you think away the connection piece 2, then three main stresses can be specified at the connection point of the pipe socket for a load that occurs when the pressure vessel is placed under an internal overpressure. Under the junction of the For example, the raw connector should be understood to be the point of impact P of the connector axis A on the wall of the container 1. Because of the circular cylindrical shape of the pressure vessel 1, the tension in the circumferential direction is approximately twice as great as the tension in the longitudinal direction of the jacket.
  • the pipe socket 2 oval in cross-section and by aligning the large axis of the oval shape in the circumferential direction of the container 1 and thus in the direction of the first main stress, a reduction of the stresses and a favorable distribution of the stresses, especially in the connection area of the Pipe socket 2 reached.
  • the small axis of the oval shape is oriented perpendicular to the large axis and thus in the longitudinal direction of the jacket.
  • Fig. 2 shows under a), b) and c) a pressure vessel 3, as e.g. used for water meters in three views.
  • the pressure vessel 3 has an essentially cylindrical main body 4, which in the present example is closed at the bottom by a spherical cap.
  • Two connecting pieces 5 and 6 are attached to the side of the cylindrical part 4.
  • the connecting piece 5 is oval in the transition region L and the cut surface of its connection point and is therefore designed according to the present invention.
  • the direction of the major axis of the oval shape is, as can be seen under b), oriented in the circumferential direction of the cylindrical part.
  • the large axis corresponds to the circular diameter of the connecting pipe, as can also be seen in the top view under c).
  • the maximum reference voltages occurring in the connection area are thereby reduced and at the same time shifted.
  • the oval cross section changes into a circular cross section, as a result of which the connecting piece can be connected to other pipelines or the like much more easily, for example also by means of a screw connection.
  • the transition length L between the oval shape and the circular shape is chosen so that there is a relatively smooth transition and no additional stresses are generated. In the example, the transition length L corresponds to approximately half the diameter of the circular shape.
  • the connecting piece 6 is not ovalized and is therefore not designed according to the invention. It is used here only for a comparative representation of the state of the art.
  • 3 shows under a) - d) each quarter segment 7 of a housing corresponding to that of FIG. 2 but with differently shaped connecting pieces 8.1. - 8.4, whereby the shading indicates the arithmetically resulting stress state with an internal pressure load.
  • the connection stubs are designed to be closed only for computational reasons.
  • the stress state calculation is based on a finite element model.
  • the inherently multidimensional stress state is indicated by a scalar quantity, the so-called comparative or von Mieses stress ⁇ v , which can be derived from the stress state in a defined manner known to the person skilled in the art. This type of characterization of the stress state is also used in the context of FIGS. 4, 7 and 8 described below.
  • Figure a shows the case with a connection piece with a circular cross-section as a reference, whereby a diameter of 40 mm was assumed for the calculation, which is a common pipe diameter e.g. of water pipes.
  • High voltage concentrations can be seen in zones I and II (white areas in FIG. 3a)).
  • a weld line also results approximately along the cutting edge designated 9 in the direction of flow behind the connecting piece 8.1 by the confluence of two melt streams in the injection mold. Since this coincides with zone II of high voltage, two unfavorable influencing factors with regard to the strength of the container accumulate here.
  • the sequence of images b) - c) and d) shows how the tensions in areas I and II are reduced and also shifted.
  • the ovality is 40:32
  • the second number corresponds to the length of the small axis d in millimeters, while the large axis D was left at the aforementioned 40 mm of the circular reference cross section.
  • the most favorable case is likely to be shown in Figure c), since there are hardly any stress concentrations and the stresses are fairly evenly distributed at a comparatively low level.
  • a zone of high voltage has already formed again in area III.
  • the influence of the nozzle ovality on the maximum comparison voltage is additionally shown in FIG. 4 in the form of a bar diagram, with additional ones in addition to FIG. 3 Ovalities are taken into account.
  • the ovality varies along the horizontal axis, which is expressed on the one hand by the ratio D / d of the length D of the long axis to the length d of the short axis, for example in millimeters.
  • the resulting ratio for the ovality O is also given in each case.
  • the height of the hatched bars indicates, in relative unit ⁇ v, on the one hand the maximum reference stress occurring at I or II, referred to as local, while the height of the non-hatched bars indicates the maximum reference stress somewhere, referred to as global, in Figure d) e.g.
  • the local maximum comparison voltage is identical to the global one.
  • the local as well as the global maximum reference stress starting from the round cross-section (ovality 40:40 or 1), initially decreases with increasing ovality.
  • the global maximum comparison voltage only increases again from the middle of the diagram, because from here a voltage zone begins to form in area III.
  • the local maximum comparison voltage in areas I and II continues to decrease.
  • the ovality is suitably dimensioned according to the voltage profiles shown in FIG. 4, an ovality in the range from 1.5 to 1.7 being suitable, for example. Taking into account the reduced material strength along the weld line of injection molded parts and if a maximum burst pressure for the component is to be reached, it may also make sense to choose the ovality in the range in which the global maximum reference stress is already rising again.
  • the global as well as the local maximum comparison voltage can be reduced by more than 50%.
  • FIG. 4 On the far right in FIG. 4, the case is shown for comparison, which would result for a round cross section without ovality with a diameter of 30.6 mm. With this diameter, the cross-sectional area is the same as in the case and 24 mm. It can be seen from the height of the bars in this case that a simple reduction in cross-section without simultaneous ovalization cannot achieve the effect of a well-known stress reduction which is desired according to the invention. Conversely, one could also say that the reduction in the maximum reference stress is primarily due to the ovalization and only to a small extent to the decrease in the free cross-section due to the reduction in the minor axis according to FIG. 4 (variant 40:24) , As a further application example for the teaching according to the invention, FIG.
  • FIG. 5 shows a T-piece 10 with three ovalized connections 11, 12 and 13, which all lie in the same plane (drawing plane) and also have approximately the same cross section.
  • the large axis of the oval shape of the three connections is selected according to the invention perpendicular to the plane mentioned.
  • the opposite connections 11 and 12 could, for example, be equated with the container 1 of FIG. 1, the connection 13 in this case corresponding to the pipe socket 2.
  • all three connections are ovalized here, as can also be seen from the cross sections BB and CC shown. In principle, however, it would also be possible to ovalize only two of the three connections, for example the connections 11 and 12, or only one of the connections, for example the connection 13.
  • the oval cross-section of all three connections is converted back to their free ends over a relatively short distance into a round cross-sectional shape, so that in each case round pipes can be connected to the connections, for example via a screw connection.
  • the round cross sections are denoted by AA or DD in FIG. 5.
  • FIG. 6 shows a special case, namely a pipe bend 14 which can be produced by injection molding and is cut open in a perspective view, in which sharp edges result from the production.
  • the two connecting pieces 15 and 16 are each ovalized. The big axis of the oval.
  • the shape of both connections is perpendicular to the pipe bend plane. No use has been made of a transition to a round cross section towards its free ends. However, this would be possible and is preferred in itself.
  • the connection 15 is shown closed again for purely computational reasons.
  • FIG. 7 shows under a) - d) half shells of pipe elbows corresponding to that of FIG. 6 but with different ovality, the shading, as already shown in FIG. 3, identifying the resulting stress condition with an internal pressure load.
  • Figure a) of Fig. 7 initially shows the case with a round, not as a reference ovalized cross section. Particularly high comparative stress concentrations can be seen in area I (white area).
  • FIG. 8 shows the four cases of FIG. 7 in a bar diagram corresponding to FIG. 4, the local and global maximum comparison voltages also being shown next to one another as in FIG. 4.
  • the diagram clearly shows that the optimal effect should be around 20:16.
  • the global maximum comparison stress is reduced by approx. 47% compared to the round reference shape, and the local maximum comparison stress on the inside of the curve is even reduced by approx. 65%.
  • FIG. 9 schematically shows an example of a gas generator housing of an airbag.
  • This is a head airbag module.
  • the ignition device and the gas source are integrated into the housing in the form of a gas cartridge via the installation position 19.
  • the gas flows out of the gas cartridge through the oval opening 18 aligned according to the invention, and the gas flow is distributed over the outlets (sockets) 20 and 21, each of which has an airbag (“airbag”) attached a head airbag system for a front and font head airbag is shown schematically, as it is installed laterally in the top center of an automobile, such a gas generator housing could also have an outflow opening 18 for each outlet 20, 21.
  • the invention can be used with particular advantage in the case of injection-molded parts, because in many geometric shapes, weld lines cannot be avoided precisely where the highest stresses occur due to the geometry.
  • Suitable materials for the injection molding of the above-described molds include thermoplastic materials, in particular those made from a glass fiber reinforced polymer, the polymer advantageously being selected from the group of polyamides and copolyamides and having a melting point of at least 250 ° C., such as PA66 and PA46. It is particularly preferred to use a polymer which is a partially aromatic, partially crystalline copolyamide with a melting point in the range from 300 ° C. to 350 ° C. Such particularly well suitable polymer is available, for example under the name "GRIVORY ® HTV-5H1" by the company Ems-Chemie AG / Ems-Grivory, Domat / Ems, Switzerland, in the trade.
  • PA 6T / 6I reinforced with 50% by weight glass fibers (based on the total weight) with a melting point of 325 ° C, i.e. a partially aromatic, partially crystalline copolyamide from the monomer components hexamethylenediamine, terephthalic acid and isophthalic acid.
  • the material is generally particularly suitable for the production of extremely stiff, solid, heat-resistant and dimensionally accurate injection molded parts and is also characterized by very good chemical resistance.
  • the melt temperature during injection molding is approx. 345 ° C.
  • pressure vessels can not only be made from plastics, but in principle from all suitable materials.
  • the invention can also be used in metal container construction.
  • the invention can be used particularly advantageously in die-cast metal (eg aluminum).

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Abstract

The invention relates to a pressurised container (1) comprising at least one tubular connection (2) to an opening in the container wall. According to the invention, the cross-sections of the opening and at least the tubular connection (2) in the vicinity of the opening are oval-shaped, the large axis of the oval shape being aligned with the direction of the first primary stress, which would be generated if the pressurised container (1) were subjected to an internal pressure at the connection point without the opening and the connection (2). This permits both the local and global maximum comparison stress to be advantageously reduced in the component when the latter is subjected to a pressure and/or the stress to be displaced into areas, in which it is not as critical. The invention can be used in a particularly advantageous manner for injection-moulded parts consisting of plastic, as joint lines in many geometrical forms cannot be avoided in precisely those areas where the most stress occurs as a result of the geometry of said parts.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
TITELTITLE
Druckbehälter mit rohrförmigem AnschlussPressure vessel with a tubular connection
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter mit wenigstens einem rohrformigen Anschluss an einer Öffnung in der Behälterwand.The present invention relates to a pressure container with at least one tubular connection at an opening in the container wall.
Wird ein Druckbehälter z.B. mit einem inneren, pneumatischen oder hydraulischen Überdruck beaufschlagt, treten in der Behälterwand Spannungen auf. Zur Minimierung der Spannungen sowie zur Maximierung des Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche werden Druckbehälter möglichst kugelförmig oder zylindrisch konstruiert. Wird an einem solchen Behälter ein Anschluss angebracht, konzentrieren sich die Spannungen im Bereich des Anschlusses, wodurch dieser Bereich höher belastet wird und eine Schwachstelle des Druckbehälters bildet.If a pressure vessel e.g. If an internal, pneumatic or hydraulic overpressure is applied, tensions occur in the container wall. To minimize the stresses and to maximize the ratio of volume to surface, pressure vessels are constructed as spherical or cylindrical as possible. If a connection is attached to such a container, the stresses concentrate in the area of the connection, as a result of which this area is subjected to higher loads and forms a weak point of the pressure container.
Bei spritzgusstechnisch hergestellten Druckbehältern aus Kunststoff mit rohrformigen Anschlüssen, wie sie beispielsweise für Wasserzählergehäuse eingesetzt werden, ergeben sich herstellungsbedingt Bindenähte in Fliessrichtung des Spritzgussmaterials hinter den Anschlüssen und damit in einem Bereich, in dem sich auch die Spannungen konzentrieren. Für das Bauteil bedeutet dies eine erhebliche Schwächung, da eine erhöhte Belastung gerade dort auftritt, wo gleichzeitig mit den schwächsten Materialeigenschaften gerechnet werden muss. Auch bei T-Stücken oder dergleichen, bei welchen ein Rohrstutzen von einem Rohrstück mit etwa gleichem Querschnitt abzweigt, entstehen auf der Krümmungsinnenseite der Abzweigung bei Innendruckbelastung deutliche Spannungskonzentrationen. Bei spritzgusstechnisch hergestellten T-Stücken sind in diesem Bereich wiederum Bindenähte vorhanden und es entstehen dort durch das Entformungskonzept scharfe Kanten. Das Zusammenfallen der Spannungskonzentrationen mit den Bindenähten und den Kanten führt auch hier wieder zu einer erheblichen Bauteilschwächung.In the case of plastic injection-molded pressure vessels with tubular connections, such as those used for water meter housings, there are weld lines in the direction of flow of the injection molding material behind the connections due to the manufacturing process, and thus in an area in which the stresses also concentrate. This means a considerable weakening for the component, since an increased load occurs precisely where the weakest material properties have to be expected at the same time. Even in the case of T-pieces or the like, in which a pipe socket branches off from a pipe section with approximately the same cross-section, significant stress concentrations arise on the inside of the bend of the branch when subjected to internal pressure. In the case of injection-molded T-pieces, there are weld lines in this area and the demolding concept creates sharp edges. The collapse of the stress concentrations with the weld lines and the edges again leads to a considerable weakening of the component.
Grundsätzlich ähnliche Probleme treten bei Rohrbögen auf.Fundamentally similar problems occur with pipe bends.
Mathematisch lassen sich die Spannungen für jeden Punkt der Behälterwand durch Spannungstensoren beschreiben. Invariante der Spannungstensoren gegenüber Koordinatentransformationen sind drei sogenannte Hauptspannungen, von denen eine in der Fachterminologie der Spannungstensormechanik als erste Hauptspannung definiert ist. Im Falle eines unter einem inneren Überdruck stehenden Behälters entspricht die erste Hauptspannung der grössten Zugspannung. Dieser Begriff wird im folgenden auch so verwendet. Den Hauptspannungen zugeordnet sind jeweils sogenannte Hauptrichtungen.The stresses for each point of the container wall can be described mathematically by stress tensor. The invariant of the stress tensor against coordinate transformations are three so-called main stresses, one of which is defined as the first main stress in the technical terminology of stress tensor mechanics. In the case of a container under an internal overpressure, the first main stress corresponds to the greatest tensile stress. This term is also used in the following. So-called main directions are assigned to the main stresses.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Um die Verschwächung der Druckbehälter durch den Einbau von Anschlüssen auszugleichen, ist es bekannt, Verstärkungen der Behälterwand und/oder des Anschlusses vorzusehen. Das Anbringen solcher Verstärkungen ist aber nicht immer, inbesondere nachträglich, ohne weiteres möglich und/oder verursacht zusätzlichen Aufwand und Materialeinsatz.In order to compensate for the weakening of the pressure vessels through the installation of connections, it is known to provide reinforcements for the container wall and / or the connection. However, the attachment of such reinforcements is not always possible, in particular retrospectively, and / or causes additional effort and use of materials.
In der WO 01/69187 A1 wird in Bezug auf einen insbesondere als Wasserzählergehäuse einsetzbaren Druckbehälter vorgeschlagen, dessen Bodenteil zur Spannungsreduktion elliptisch auszubilden. Unklar bleibt, von welcher Bodenform die WO 01/69187 A1 dabei ausgeht, da halbkugelige oder wenigstens annähernd elliptische Bodenformen (sogenannte Klöpperböden) im Stand der Technik natürlich schon lange bekannt sind und mindestens gleich gute Eigenschaften aufweisen würden. Ergänzend schlägt die WO 01/69187 A1 vor, zur Verschiebung von Spannungen weg von Schweissnähten im Bereich zwischen zwei Anschlüssen und dem unteren Teil des Gehäuses, der mit dem Bodenteil identisch ist, die Anschlüsse elliptisch auszubilden. Fig. 2 zeigt dafür ein Beispiel. Die WO 01/69187 A1 macht keine Ausführungen darüber, die ein Verständnis der beanspruchten Spannungsverschiebung ermöglichen würden und macht auch keine Ausführungen darüber, wohin die Spannungen verschoben werden.In WO 01/69187 A1, in relation to a pressure vessel which can be used in particular as a water meter housing, it is proposed to design the bottom part of the latter to be elliptical in order to reduce the voltage. It remains unclear which floor shape WO 01/69187 A1 is based on, since hemispherical or at least approximately elliptical floor shapes (so-called bobbin floors) have of course long been known in the prior art and would have at least equally good properties. In addition, WO 01/69187 A1 proposes to shift tensions away from weld seams in the area between two connections and the lower part of the housing, which is identical to the base part Make connections elliptical. 2 shows an example of this. WO 01/69187 A1 does not make any statements about which would allow an understanding of the stress shift claimed, nor does it make any statements about where the voltages are shifted to.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es anzugeben, wie bei Druckbehältem die genannten Probleme im Anschlussbereich von rohrformigen Anschlüssen vermindert und dadurch Druckbehälter hergestellt werden können, welche mit einer höheren Druckdifferenz belastet werden können bzw. welche bei gleicher Belastung über eine höhere Sicherheitsreserve verfügen.The object of the present invention is to specify how the problems mentioned in the connection area of tubular connections can be reduced in the case of pressure vessels and thereby pressure vessels can be produced which can be loaded with a higher pressure difference or which have a higher safety reserve with the same load.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Ovalisierung des Anschlusses im Anschlussbereich vor. Die Querschnitte der Öffnung und des rohrformigen Anschlusses an dieser Öffnung werden oval ausgebildet und mit der grossen Achse der ovalen Form in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet, welche sich bei Beaufschlagung des Druckbehälters mit einem inneren Überdruck an der Anschlusstelle ohne die Öffnung und den Anschluss ergeben würde.To achieve this object, the invention proposes ovalizing the connection in the connection area. The cross-sections of the opening and the tubular connection at this opening are oval and aligned with the major axis of the oval shape in the direction of the first main stress, which would result if the pressure vessel were subjected to an internal overpressure at the connection point without the opening and the connection ,
Die Annahme eines inneren Überdrucks dient hierbei nur als Gedankenmodell zur Bestimmung der Richtung der ersten Hauptspannung und damit der Richtung grossen Achse der ovalen Form. Die sich daraus ergebende Geometrie gilt aber generell auch für einen äusseren Überdruck. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden jedoch im wesentlichen nur der Innendruckfall betrachtet.The assumption of an internal overpressure serves only as a thought model for determining the direction of the first main stress and thus the direction of the large axis of the oval shape. The resulting geometry generally also applies to an external overpressure. To simplify the description, however, essentially only the internal pressure case is considered below.
Die Ovalität O lässt sich ausdrücken durch das Verhältnis der Länge der grossen (D) und der kleinen (d) Achse der ovalen Form und liegt, applikations- und geometrieabhängig, etwa im Bereich zwischen 1 ,1 und 3,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 ,1 und 2,5, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1 ,1 und 1 ,9.The ovality O can be expressed by the ratio of the length of the large (D) and the small (d) axis of the oval shape and is, depending on the application and geometry, approximately in the range between 1, 1 and 3.0, preferably in the range between 1, 1 and 2.5, and particularly preferably in the range between 1, 1 and 1, 9.
Als ein einfaches Beispiel für die Richtung der grössten Hauptspannung kann ein im wesentlichen kreiszylindrischer Druckbehälter betrachtet werden, bei welchem sich bei Innendruckbelastung in der Behälterwand Spannungen ergeben, die in Umfangsrichtung etwa doppelt so gross sind wie in Längsrichtung. Ein rohrförmiger, zumindest im Anschlussbereich ovaler Stutzen müsste nach der Erfindung daher an der Behälterwand mit seiner grossen Achse in Umfangsrichtung ausgerichtet angeschlossen werden.As a simple example of the direction of the greatest main stress, an essentially circular-cylindrical pressure vessel can be considered, in which stresses in the vessel wall result in internal pressure loading which are approximately twice as great in the circumferential direction as in the longitudinal direction. A tubular, at least in According to the invention, the connection area of oval connecting pieces would therefore have to be connected to the container wall with its large axis aligned in the circumferential direction.
Bei rein kugelförmigen Behältern oder solchen mit einer relativ grossen, flachen Behälterwand findet die Erfindung keine Anwendung, da hier geometriebedingt keine grösste Hauptspannung auftritt.In the case of purely spherical containers or those with a relatively large, flat container wall, the invention is not used since, due to the geometry, no major main stress occurs.
Unter einer ovalen Form soll im Rahmen der Erfindung ganz allgemein eine länglich runde Form verstanden werden, von der z.B. eine elliptische Form einen Spezialfall darstellen würde.In the context of the invention, an oval shape is to be understood quite generally as an elongated round shape, of which e.g. an elliptical shape would represent a special case.
Die Ovalisierung des Anschlusses in der erwähnten Hauptspannungsrichtung hat nicht nur einen erheblichen Einfluss auf die Senkung der Maximalspannungen, die in der Druckbehälterwand auftreten. Durch sie lassen sich die auftretenden Spannungen auch in andere Bereiche verschieben, z.B. in solche, in denen keine Bindenähte oder scharfe Kanten vorhanden sind und wo sie sich insofern weniger nachteilig auswirken.The ovalization of the connection in the mentioned main voltage direction not only has a significant influence on the reduction of the maximum voltages that occur in the pressure vessel wall. They can be used to shift the voltages that occur to other areas, e.g. in those where there are no weld lines or sharp edges and where they have a less adverse effect.
Von gewissem Nachteil ist die Reduzierung des beispielsweise für eine Strömung zur Verfügung stehenden Querschnitts die mit der Ovalisierung verbunden ist, wenn diese ausgehend von einer kreisrunden Querschnittsform durch Abflachung dieser Form bzw. durch Verkleinerung einer Achse herbeigeführt wird. Zur Erreichung der erfindungsgemässen Vorteile genügt es jedoch, die Ovalisierung nur unmittelbar im Anschlussbereich vorzunehmen und innerhalb einer relativ kurzen Strecke stetig wieder zu einer kreisrunden Rohrform überzugehen. Die Länge dieser Übergangsstrecke L kann z.B. in der Grössenordnung des Durchmessers der kreisrunden Form des Anschlussrohres liegen, oder unter Umständen auch sehr kurz sein. Durch eine derartige begrenzte Querschnittsreduktion werden nur kleine Druckverluste verursacht, welche in Relation zu den Verlusten eines Gesamtsystems meist vernachlässigbar sind.A certain disadvantage is the reduction in the cross-section available, for example, for a flow, which is associated with ovalization, if this is brought about from a circular cross-sectional shape by flattening this shape or by reducing an axis. In order to achieve the advantages according to the invention, however, it is sufficient to carry out the ovalization only directly in the connection area and to continuously change back to a circular tube shape within a relatively short distance. The length of this transition section L can e.g. are in the order of magnitude of the diameter of the circular shape of the connecting pipe, or may also be very short. Such a limited cross-sectional reduction only causes small pressure losses, which are usually negligible in relation to the losses of an overall system.
Die Erfindung umfasst aber selbstverständlich auch nichtdurchströmte, unter statischem Druck stehende Druckbehälter.However, the invention naturally also includes pressure vessels which are not flowed through and are under static pressure.
Der Begriff des Druckbehälters und/oder des rohrformigen Anschlusses soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung sehr allgemein verstanden werden. In Frage kommen neben dem bereits angegebenen Beispiel grundsätzlich auch Kombinationen von Druckbehältern und Anschlüssen, bei welchen der Druckbehälter und der Anschluss etwa den gleichen Querschnitt aufweisen, wie dies z.B. bei sogenannten T-Stücken der Fall ist. Als Grenzfall eines einseitig geschlossenen zylindrischen, im Durchmesser verkleinerten Druckbehälters mit am geschlossenen Ende seitlich angesetztem Rohrstutzen kann ein Rohrbogen verstanden werden, wobei hierbei ein Unterschied zwischen dem als Druckbehälter dienenden Teil und dem als Rohrstutzen dienenen Teil nicht einmal mehr bestehen muss. Ein Rohrbogen kann andererseits auch als ein einarmiges T-Stück aufgefasst werden.The term pressure vessel and / or the tubular connection is to be understood very generally within the scope of the present invention. In addition to that Example already given in principle also combinations of pressure vessels and connections, in which the pressure vessel and the connection have approximately the same cross-section, as is the case, for example, with so-called T-pieces. A pipe bend can be understood as a limit case of a cylindrical pressure vessel closed on one side and reduced in diameter with a pipe socket attached to the side at the closed end, whereby there is no longer even a difference between the part serving as pressure container and the part serving as pipe socket. On the other hand, a pipe bend can also be regarded as a one-armed T-piece.
Der Begriff des Druckbehälters darf des weiteren, wie bereits erwähnt, nicht in dem Sinne einschränkend verstanden werden, dass dieser immer nur mit einem inneren Überdruck gegenüber z.B. äusserem Normaldruck belastet wird. Das erfinderische Prinzip und die daraus resultierende Geometrie bleibt nämlich dasselbe bei jeder Druckdifferenz-Situation und damit auch bei einem äusseren Überdruck gegenüber z.B. einem inneren Normaldruck, wie dieses z.B. bei Unterseeboten oder dergleichen gegeben ist. Somit sind Verwendungen sowohl als Innendruckbehälter als auch als Aussendruckbehälter möglich.Furthermore, as already mentioned, the term pressure vessel should not be interpreted restrictively in the sense that it always only has an internal overpressure compared to e.g. external normal pressure is loaded. The inventive principle and the resulting geometry remain the same for every pressure difference situation and thus also for an external overpressure compared to e.g. an internal normal pressure, such as this e.g. in the case of submarines or the like. This means that it can be used both as an internal pressure vessel and as an external pressure vessel.
In einer besonderen Ausführungsform kann es sich beim erfindungsgemässen Druckbehälter um ein Gasgeneratorgehäuse für mindestens einen Airbag handeln, wie er im Automobilbau immer breitere Anwendung findet. Hierbei handelt es sich um einen Druckbehälter, durch welchen nach dem Auslösen des Airbags ein gasförmiges Medium in die entsprechenden Luftsäcke geleitet wird. Es entstehen hierbei in sehr kurzer Zeit sehr hohe Drücke, welchen das Gehäuse standhalten muss.In a special embodiment, the pressure container according to the invention can be a gas generator housing for at least one airbag, as is increasingly used in automobile construction. This is a pressure container through which a gaseous medium is directed into the corresponding air bags after the airbag has been triggered. This creates very high pressures in a very short time, which the housing has to withstand.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen zylindrischen Behälter mit angesetztem ovalem Rohrstutzen;Figure 1 is a perspective view of a cylindrical container with an oval pipe socket attached.
Fig. 2 unter a) in geschnittener Darstellung das Gehäuse eines Wasserzählers mit zwei sich gegenüberliegenden rohrformigen Anschlussstutzen, unter b) eine Seitenansicht und unter c) eine Draufsicht des gleichen Gehäuses; Fig. 3 unter a) - d) jeweils Viertelsegmente eines Gehäuses entsprechend dem von Fig.Fig. 2 under a) in a sectional view the housing of a water meter with two opposite tubular connecting pieces, under b) a side view and under c) a top view of the same housing; 3 under a) - d) each quarter segments of a housing corresponding to that of Fig.
2 jedoch mit unterschiedlich geformten Anschlussstutzen, wobei durch die abgestufte Grautönung der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils kenntlich gemacht ist; dabei bedeuten Weisstöne hohe und Schwarztöne niedrige Spannung;2, however, with connection pieces of different shapes, the graded gray tint identifying the resulting stress condition in the case of an internal pressure load; white tones mean high and black tones mean low voltage;
Fig. 4 in einem Balkendiagramm die lokalen und globalen maximalenFig. 4 in a bar chart, the local and global maximum
Vergleichsspannungen für verschiedene Anschlussovalitäten bei einem Behälter der Art von Fig. 2;Reference voltages for different connection ovalities in a container of the type of FIG. 2;
Fig. 5 in einer Ansicht sowie in mehreren Querschnitten ein nach der Erfindung ovalisiertes T-Stück;5 shows in a view and in several cross sections a T-piece ovalized according to the invention;
Fig. 6 einen nach der Erfindung ovalisierten Rohrbogen halb aufgeschnitten in perspektivischer Darstellung;6 shows a pipe bend ovalized according to the invention, cut open in a perspective view;
Fig. 7 unter a) - d) jeweils Halbschalen von Rohrbögen entsprechend dem von Fig. 6 jedoch mit unterschiedlicher Ovalität, wobei durch die abgestufte Grautönung der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils kenntlich gemacht ist;Fig. 7 under a) - d) each half-shells of pipe bends corresponding to that of Fig. 6 but with different ovality, whereby the gradual gray tint shows the resulting stress condition with an internal pressure load;
Fig. 8 in einem Balkendiagramm die lokalen und globalen maximalen8 shows the local and global maximum in a bar chart
Vergleichsspannungen für verschiedene Ovalitäten bei einem Rohrbogen entsprechend dem von Fig. 6; undComparative stresses for different ovalities in a pipe bend corresponding to that of Fig. 6; and
Fig. 9 Schnittzeichnungen durch ein Gasgeneratorgehäuse für ein Kopfairbagsystem.Fig. 9 sectional drawings through a gas generator housing for a head airbag system.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
Fig. 1 zeigt als ein erstes einfaches Beispiel einen Druckbehälter 1 mit kreiszylindrischem Querschnitt, an welchem ein Rohrstutzen 2 seitlich an der Mantelfläche angeschlossen ist. Denkt man sich den Anschlussstutzen 2 weg, dann können für eine Belastung, die auftritt, wenn der Druckbehälter unter einen inneren Überdruck gesetzt wird, an der Anschlussstelle des Rohrstutzens drei Hauptspannungen angegeben werden. Unter der Anschlussstelle des Rohstutzens soll hierbei z.B. der Auftreffpunkt P der Stutzenachse A auf die Wand des Behälters 1 verstanden werden. Wegen der kreiszylindrischen Form des Druckbehälters 1 ist die Spannung in Umfangsrichtung etwa doppelt so gross wie die Spannung in Längsrichtung des Mantels. Indem der Rohrstutzen 2 von seinem Querschnitt her oval ausgebildet ist und indem die grosse Achse der ovalen Form in Umfangsrichtung des Behälters 1 und damit in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet ist, wird eine Reduktion der Spannungen sowie eine günstige Verteilung der Spannungen vor allem im Anschlussbereich des Rohrstutzens 2 erreicht. Dabei ist die kleine Achse der ovalen Form als Folge der Geomtrie senkrecht zur grossen Achse und damit in Längsrichtung des Mantels ausgerichtet.1 shows, as a first simple example, a pressure vessel 1 with a circular cylindrical cross section, to which a pipe socket 2 is connected laterally to the lateral surface. If you think away the connection piece 2, then three main stresses can be specified at the connection point of the pipe socket for a load that occurs when the pressure vessel is placed under an internal overpressure. Under the junction of the For example, the raw connector should be understood to be the point of impact P of the connector axis A on the wall of the container 1. Because of the circular cylindrical shape of the pressure vessel 1, the tension in the circumferential direction is approximately twice as great as the tension in the longitudinal direction of the jacket. By making the pipe socket 2 oval in cross-section and by aligning the large axis of the oval shape in the circumferential direction of the container 1 and thus in the direction of the first main stress, a reduction of the stresses and a favorable distribution of the stresses, especially in the connection area of the Pipe socket 2 reached. As a result of the geometry, the small axis of the oval shape is oriented perpendicular to the large axis and thus in the longitudinal direction of the jacket.
Fig. 2 zeigt unter a), b) und c) einen Druckbehälter 3, wie er z.B. für Wasserzähler verwendet wird, in drei Ansichten. Der Druckbehälter 3 weist einen im wesentlichen zylindrischen Hauptkörper 4 auf, welcher im vorliegenden Beispiel unten durch eine Kugelkappe abgeschlossenen ist. Seitlich an den zylindrischen Teil 4 angesetzt sind zwei Anschlussstutzen 5 und 6. Der Anschlussstutzen 5 ist im Übergangsbereich L und der Schnittfläche seiner Anschlusstelle oval und damit nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Die Richtung der grossen Achse der ovalen Form ist, wie unter b) erkennbar, in Umfangsrichtung des zylindrischen Teils ausgerichtet. Dabei entspricht im vorliegenden Beispiel die grosse Achse dem Kreisdurchmesser des Anschlussrohres, wie auch in der Draufsicht unter c) zu sehen ist. Die im Anschlussbereich auftretenden maximalen Vergleichsspannungen werden dadurch reduziert und gleichzeitig verschoben.Fig. 2 shows under a), b) and c) a pressure vessel 3, as e.g. used for water meters in three views. The pressure vessel 3 has an essentially cylindrical main body 4, which in the present example is closed at the bottom by a spherical cap. Two connecting pieces 5 and 6 are attached to the side of the cylindrical part 4. The connecting piece 5 is oval in the transition region L and the cut surface of its connection point and is therefore designed according to the present invention. The direction of the major axis of the oval shape is, as can be seen under b), oriented in the circumferential direction of the cylindrical part. In the present example, the large axis corresponds to the circular diameter of the connecting pipe, as can also be seen in the top view under c). The maximum reference voltages occurring in the connection area are thereby reduced and at the same time shifted.
Zum freien Ende des Anschlussstutzens 5 hin geht der ovale Querschnitt in einen kreisrunden Querschnitt über, wodurch der Stutzen wesentlich einfacher, beispielsweise auch mittel einer Schraubverbindung mit weiteren Rohrleitungen oder dergleichen verbindbar ist. Die Übergangslänge L zwischen der ovalen Form und der kreisrunden Form ist hierbei so gewählt, dass sich ein relativ sanfter Übergang ergibt und keine zusätzlich Spannungen erzeugt werden. Im Beispielsfall entspricht die Übergangslänge L etwa der Hälfte des Durchmessers der kreisrunden Form.Towards the free end of the connecting piece 5, the oval cross section changes into a circular cross section, as a result of which the connecting piece can be connected to other pipelines or the like much more easily, for example also by means of a screw connection. The transition length L between the oval shape and the circular shape is chosen so that there is a relatively smooth transition and no additional stresses are generated. In the example, the transition length L corresponds to approximately half the diameter of the circular shape.
Der Anschlussstutzen 6 ist nicht ovalisiert und damit nicht gemäss der Erfindung ausgebildet. Er dient hier nur zur vergleichsweisen Darstellung des Standes der Technik. Fig. 3 zeigt unter a) - d) jeweils Viertelsegmente 7 eines Gehäuses entsprechend dem von Fig. 2 jedoch mit unterschiedlich geformten Anschlussstutzen 8.1. - 8.4, wobei durch die Schattierung der sich rechnerisch ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung kenntlich gemacht ist. Die Anschlussstuzten sind lediglich aus rechentechnischen Gründen geschlossen ausgebildet. Die Berechnung des Spannungszustandes beruht auf einem Finite Elemente Modell. Der an sich mehrdimensionale Spannungszustand ist durch eine skalare Grosse, die sogenannte Vergleichs- oder von Mieses-Spannung σv angegeben, die aus dem Spannungszustand auf definierte und dem Fachmann bekannte Weise ableitbar ist. Von dieser Art der Charakterisierung des Spannungszustands wird übrigens auch im Rahmen der weiter unten noch beschriebenen Figuren 4, 7 und 8 Gebrauch gemacht.The connecting piece 6 is not ovalized and is therefore not designed according to the invention. It is used here only for a comparative representation of the state of the art. 3 shows under a) - d) each quarter segment 7 of a housing corresponding to that of FIG. 2 but with differently shaped connecting pieces 8.1. - 8.4, whereby the shading indicates the arithmetically resulting stress state with an internal pressure load. The connection stubs are designed to be closed only for computational reasons. The stress state calculation is based on a finite element model. The inherently multidimensional stress state is indicated by a scalar quantity, the so-called comparative or von Mieses stress σ v , which can be derived from the stress state in a defined manner known to the person skilled in the art. This type of characterization of the stress state is also used in the context of FIGS. 4, 7 and 8 described below.
Zunächst zeigt Bild a) als Referenz den Fall mit einem Anschlussstutzen mit kreisrundem Querschnitt, wobei für die Berechnung von einem Durchmesser von 40 mm ausgegangen wurde, was einem üblichen Rohrleitungsdurchmesser z.B. von Wasserrohren entspricht. Erkennbar ergeben sich in den Zonen I und II hohe Spannungskonzentrationen (weisse Bereiche in Fig. 3a)). Wird der Behälter spritzgusstechnisch durch Anspritzen auf das Zentrum der Kugelkappe (oben in Fig. 3a)) hergestellt, ergibt sich zusätzlich etwa entlang der mit 9 bezeichneten Schnittkante in Fliessrichtung hinter dem Anschlussstutzen 8.1 eine Bindenaht durch das Zusammenfliessen zweier Schmelzströme in der Spritzgussform. Da diese mit der Zone II hoher Spannung zusammenfällt, kumulieren hier zwei ungünstige Einflussfaktoren bezüglich der Festigkeit des Behälters.First, Figure a) shows the case with a connection piece with a circular cross-section as a reference, whereby a diameter of 40 mm was assumed for the calculation, which is a common pipe diameter e.g. of water pipes. High voltage concentrations can be seen in zones I and II (white areas in FIG. 3a)). If the container is manufactured by injection molding by spraying onto the center of the spherical cap (top in FIG. 3a)), a weld line also results approximately along the cutting edge designated 9 in the direction of flow behind the connecting piece 8.1 by the confluence of two melt streams in the injection mold. Since this coincides with zone II of high voltage, two unfavorable influencing factors with regard to the strength of the container accumulate here.
In der Folge der Bilder b) - c) and d) lässt sich erkennen, wie sich die Spannungen in den Bereichen I und II reduzieren und sich auch verschieben. In Bild b) beträgt die Ovalität 40:32, in Bild c) 40: 26 und in Bild d) 40:22. Die zweite Zahl entspricht hierbei jeweils der Länge der kleinen Achse d in Millimetern, während die grosse Achse D bei den erwähnten 40 mm des kreisrunden Referenzquerschnitts belassen wurde. Der günstigste Fall dürfte hier in Bild c) vorliegen, da hier kaum Spannungskonzentrationen vorliegen und die Spannungen auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau recht gleichmässig verteilt sind. In Bild d) hat sich in einem Bereich III dagegen bereits schon wieder eine Zone hoher Spannung ausgebildet.The sequence of images b) - c) and d) shows how the tensions in areas I and II are reduced and also shifted. In picture b) the ovality is 40:32, in picture c) 40:26 and in picture d) 40:22. The second number corresponds to the length of the small axis d in millimeters, while the large axis D was left at the aforementioned 40 mm of the circular reference cross section. The most favorable case is likely to be shown in Figure c), since there are hardly any stress concentrations and the stresses are fairly evenly distributed at a comparatively low level. In contrast, in Figure d) a zone of high voltage has already formed again in area III.
Der Einfluss der Stutzenovalität auf die maximale Vergleichsspannung ist in Fig. 4 zusätzlich in Form eines Balkendiagramms dargestellt, wobei hier zusätzlich zu Fig. 3 noch weitere Ovalitäten berücksichtigt sind. Entlang der horizontalen Achse variiert die Ovalität, welche einerseits ausgedrückt ist durch das Verhältnis D/d der Länge D der langen Achse zur Länge d der kurzen Achse z.B. jeweils in Millimetern. Der sich ergebende Verhältniswert für die Ovalität O ist ebenfalls jeweils angegeben. Die Höhe der schraffierten Balken gibt in relativer Einheit σv einerseits die bei I oder II auftretende, als lokale bezeichnete maximale Vergeichsspannung an, während die Höhe der nicht schraffierten Balken die auftretende, als globale bezeichnete maximale Vergleichsspannung irgendwo, in Bild d) z.B. an der Stelle III, angibt. Solange das globale Maximum an den Stellen I und II liegt, ist die lokale maximale Vergleichsspannung mit der globalen identisch. Erkennbar nehmen die lokale wie auch die globale maximale Vergleichsspannung vom runden Querschnitt ausgehend (Ovalität 40:40 bzw. 1 ) mit zunehmender Ovalität zunächst ab. Erst ab der Mitte des Diagramms nimmt die globale maximale Vergleichsspannung wieder zu, weil sich ab hier im Bereich III eine Spannungszone auszubilden beginnt.. Die lokale maximale Vergleichsspannung in den Bereichen I und II nimmt hingegen weiter ab. Je nach den gestellten Anforderungen an das Bauteil wird man die Ovalität nach den aus Fig. 4 entnehmbaren Spannungsverläufen geeignet bemessen, wobei sich z.B. eine Ovalität im Bereich von 1 ,5 bis 1 ,7 anbietet. Unter Berücksichtigung der reduzierten Materialfestigkeit entlang der Bindenaht von Spritzgussteilen und wenn ein maximaler Berstdruck für das Bauteil errreicht werden soll, kann es ggf. jedoch auch sinnvoll sein, die Ovalität in dem Bereich zu wählen, in dem die globale maximale Vergleichsspannung schon wieder ansteigt.The influence of the nozzle ovality on the maximum comparison voltage is additionally shown in FIG. 4 in the form of a bar diagram, with additional ones in addition to FIG. 3 Ovalities are taken into account. The ovality varies along the horizontal axis, which is expressed on the one hand by the ratio D / d of the length D of the long axis to the length d of the short axis, for example in millimeters. The resulting ratio for the ovality O is also given in each case. The height of the hatched bars indicates, in relative unit σ v, on the one hand the maximum reference stress occurring at I or II, referred to as local, while the height of the non-hatched bars indicates the maximum reference stress somewhere, referred to as global, in Figure d) e.g. at the Digit III, indicates. As long as the global maximum is at positions I and II, the local maximum comparison voltage is identical to the global one. As can be seen, the local as well as the global maximum reference stress, starting from the round cross-section (ovality 40:40 or 1), initially decreases with increasing ovality. The global maximum comparison voltage only increases again from the middle of the diagram, because from here a voltage zone begins to form in area III. The local maximum comparison voltage in areas I and II, however, continues to decrease. Depending on the requirements placed on the component, the ovality is suitably dimensioned according to the voltage profiles shown in FIG. 4, an ovality in the range from 1.5 to 1.7 being suitable, for example. Taking into account the reduced material strength along the weld line of injection molded parts and if a maximum burst pressure for the component is to be reached, it may also make sense to choose the ovality in the range in which the global maximum reference stress is already rising again.
Bei den Behältern der Art von Fig. 2 kann die globale wie auch die lokale maximale Vergleichsspannung um mehr als 50% gesenkt werden.2, the global as well as the local maximum comparison voltage can be reduced by more than 50%.
Ganz rechts in Fig. 4 ist zum Vergleich noch der Fall dargestellt, der sich für einen runden Querschnitt ohne Ovalität mit einem Durchmesser von 30.6 mm ergeben würde. Bei diesem Durchmesser ergibt sich die gleiche Querschnittsfläche wie in dem Fall und 24 mm. Man erkennt aus der Höhe der Balken dieses Falls, dass durch eine einfache Querschnittsverringerung ohne gleichzeitige Ovalisierung der erfindungsgemäss angestrebte Effekt einer namhaften Spannungsreduktion nicht erzielbar ist. Umgekehrt ausgedrückt könnte man auch sagen, dass die Reduktion der maximalen Vergleichsspannung in erster Linie auf die Ovalisierung und nur zu einem kleinen Teil auf die Abnahme des freien Querschnitts durch die gemäss Fig. 4 (Variante 40:24) vorgenommene Verkleinerung der kleinen Achse zurückzuführen ist. Als ein weiteres Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemässe Lehre zeigt Fig. 5 ein T- Stück 10 mit drei ovalisierten Anschlüssen 11 , 12 und 13, welche alle in der gleichen Ebene (Zeichenebene) liegen und etwa auch den gleichen Querschnitt aufweisen. Die grosse Achse der ovalen Form der drei Anschlüsse ist erfindungsgemäss jeweils senkrecht zu der genannten Ebene gewählt. Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse 11 und 12 könnten z.B. mit dem Behälter 1 von Fig. 1 gleichgesetzt werden, wobei der Anschluss 13 in diesem Fall dem Rohrstutzen 2 entsprechen würde. Im Unterschied zum Beispiel von Fig. 1 sind hier hier alle drei Anschlüsse ovalisiert, wie dies anhand der dargestellten Querschnitte B-B und C-C auch erkennbar ist. Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, nur zwei der drei Anschlüse, z.B. die Anschnlüsse 11 und 12, oder auch nur einen der Anschlüsse, wie z.B den Anschluss 13, zu ovalisieren. Wie beim Anschlussstutzen 5 von Fig. 2 ist der ovale Querschnitt aller drei Anschlüsse zu ihren freien Enden hin auf einer relativ kurzen Strecke wieder in eine runde Querschittsform überführt, so dass an den Anschlüssen jeweils runde Rohre beispielsweise über eine Schraubverbindung angeschlossen werden können. Die runden Querschnitte sind in Fig. 5 mit A-A bzw. D-D bezeichnet.On the far right in FIG. 4, the case is shown for comparison, which would result for a round cross section without ovality with a diameter of 30.6 mm. With this diameter, the cross-sectional area is the same as in the case and 24 mm. It can be seen from the height of the bars in this case that a simple reduction in cross-section without simultaneous ovalization cannot achieve the effect of a well-known stress reduction which is desired according to the invention. Conversely, one could also say that the reduction in the maximum reference stress is primarily due to the ovalization and only to a small extent to the decrease in the free cross-section due to the reduction in the minor axis according to FIG. 4 (variant 40:24) , As a further application example for the teaching according to the invention, FIG. 5 shows a T-piece 10 with three ovalized connections 11, 12 and 13, which all lie in the same plane (drawing plane) and also have approximately the same cross section. The large axis of the oval shape of the three connections is selected according to the invention perpendicular to the plane mentioned. The opposite connections 11 and 12 could, for example, be equated with the container 1 of FIG. 1, the connection 13 in this case corresponding to the pipe socket 2. In contrast to the example of FIG. 1, all three connections are ovalized here, as can also be seen from the cross sections BB and CC shown. In principle, however, it would also be possible to ovalize only two of the three connections, for example the connections 11 and 12, or only one of the connections, for example the connection 13. As with the connecting piece 5 of FIG. 2, the oval cross-section of all three connections is converted back to their free ends over a relatively short distance into a round cross-sectional shape, so that in each case round pipes can be connected to the connections, for example via a screw connection. The round cross sections are denoted by AA or DD in FIG. 5.
Lässt man im Anwendungsbeispiel von Fig. 5 z.B. einen der beiden sich gegenüberliegenden Anschlüsse 11 oder 12 weg, so erhält man einen 90°-Rohrbogen.In the application example of Fig. 5, e.g. one of the two opposite connections 11 or 12 away, you get a 90 ° elbow.
Fig. 6 zeigt einen Spezialfall, nämlich einen spritzgusstechnisch herstellbaren Rohrbogen 14 halb aufgeschnitten in perspektivischer Darstellung, bei dem sich herstellungsbedingt scharfe Kanten ergeben. Die beiden Anschlussstutzen 15 und 16 sind jeweils ovalisiert. Die grosse Achse der ovalen eben. Form ist bei beiden Anschlüssen senkrecht zur Ebene des Rohrbogens gewählt. Von einem Übergang zu einem runden Querschnitt zu ihren freien Enden hin ist hier kein Gebrauch gemacht. Dies wäre jedoch möglich und ist an sich auch bevorzugt. Der Anschluss 15 ist aus rein rechentechnischen Gründen wieder geschlossen dargestellt.FIG. 6 shows a special case, namely a pipe bend 14 which can be produced by injection molding and is cut open in a perspective view, in which sharp edges result from the production. The two connecting pieces 15 and 16 are each ovalized. The big axis of the oval. The shape of both connections is perpendicular to the pipe bend plane. No use has been made of a transition to a round cross section towards its free ends. However, this would be possible and is preferred in itself. The connection 15 is shown closed again for purely computational reasons.
Fig. 7 zeigt unter a) - d) jeweils Halbschalen von Rohrbögen entsprechend dem von Fig. 6 jedoch mit unterschiedlicher Ovalität, wobei durch die Schattierung wie bereits in Fig. 3 der sich ergebende Spannungszustand bei einer Innendruckbelastung jeweils wieder kenntlich gemacht ist. Bild a) von Fig. 7 zeigt als Referenz zunächst den Fall mit einem runden, nicht ovalisierten Querschnitt. Man erkennt im Bereich I besonders hohe Vergleichsspannungskonzentrationen (weisser Bereich).7 shows under a) - d) half shells of pipe elbows corresponding to that of FIG. 6 but with different ovality, the shading, as already shown in FIG. 3, identifying the resulting stress condition with an internal pressure load. Figure a) of Fig. 7 initially shows the case with a round, not as a reference ovalized cross section. Particularly high comparative stress concentrations can be seen in area I (white area).
Anhand der Folge der Bilder b) - d), bei denen nur die kleine Achse in der Zeichenebene unter Festhalten der Länge der grossen Achse wieder schrittweise verkleinert wurde, wird deutlich, dass mit zunehmender Ovalität der Anschlüsse 15 und 16 die Spannungen im Bereich I abnehmen, andererseits jedoch in den Bereichen II und III neue Spannungskonzentrationen entstehen, wenngleich in den Bildern b) und c) flächenmässig grösser verteilt und insgesamt noch auf einem niedrigen Niveau. Erst in Bild d) sind die Vergleichsspannungen in den Zentren der Bereiche II und III deutlich erhöht. In Bild b) beträgt die Ovalität 20:18, in Bild c) 20:16 und in Bild d) 20:14.Based on the sequence of images b) - d), in which only the small axis in the drawing plane has been gradually reduced while keeping the length of the large axis, it becomes clear that the voltages in area I decrease with increasing ovality of the connections 15 and 16 , on the other hand, however, new stress concentrations arise in areas II and III, although in figures b) and c) there is a larger area distribution and overall still at a low level. Only in Figure d) are the comparative stresses in the centers of areas II and III significantly increased. In picture b) the ovality is 20:18, in picture c) 20:16 and in picture d) 20:14.
Fig. 8 zeigt die vier Fälle von Fig. 7 in einem Balkendiagramm entsprechend Fig. 4, wobei wie in Fig. 4 die lokalen und die globalen maximalen Vergleichsspannungen jeweils auch wieder nebeneinander dargestellt sind. Anhand des Diagramms ergibt sich besonders deutlich, dass der optimale Effekt im Bereich einer Ovalität von ca. 20:16 liegen dürfte. Im Falle der Ovalität von 20:16 ist die globale maximale Vergleichsspannung gegenüber der runden Referenzform um ca. 47% reduziert, die lokale maximale Vergleichsspannung an der Krümmungsinnenseite sogar um ca. 65%.FIG. 8 shows the four cases of FIG. 7 in a bar diagram corresponding to FIG. 4, the local and global maximum comparison voltages also being shown next to one another as in FIG. 4. The diagram clearly shows that the optimal effect should be around 20:16. In the case of an ovality of 20:16, the global maximum comparison stress is reduced by approx. 47% compared to the round reference shape, and the local maximum comparison stress on the inside of the curve is even reduced by approx. 65%.
Fig. 9 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Gasgeneratorgehäuse eines Airbags. Es handelt sich hier um ein Kopfairbagmodul. Die Zündeinrichtung und die Gasquelle werden über die Einbaulage 19 in Form einer Gaspatrone in das Gehäuse integriert. Nach dem Zünden des Airbags strömt das Gas von der Gaspatrone über die erfindungsgemäss ausgerichtete ovale Öffnung 18 aus, und der Gasstrom verteilt sich auf die Abgänge (Stutzen) 20 und 21 , wo je ein Luftsack („Airbag") befestigt ist. Beispielhaft ist hier ein Kopfairbagsystem für einen Front- und Font-Kopfairbag schematisch dargestellt, wie es seitlich oben in der Mitte eines Automobils installiert wird. Ein solches Gasgeneratorgehäuse könnte pro Abgang 20, 21 auch jeweils eine Ausströmöffnung 18 haben.9 schematically shows an example of a gas generator housing of an airbag. This is a head airbag module. The ignition device and the gas source are integrated into the housing in the form of a gas cartridge via the installation position 19. After the airbag has been ignited, the gas flows out of the gas cartridge through the oval opening 18 aligned according to the invention, and the gas flow is distributed over the outlets (sockets) 20 and 21, each of which has an airbag (“airbag”) attached a head airbag system for a front and font head airbag is shown schematically, as it is installed laterally in the top center of an automobile, such a gas generator housing could also have an outflow opening 18 for each outlet 20, 21.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass die Erfindungsidee der Ovalisierung an vielen verschiedenen Behälter- und Anschlussgeometrien realisierbar ist, wobei, wie bereits ausgeführt, der Begriff des Behälters und des Anschlusses sehr allgemein verstanden werden kann und sollte. Das Beispiel des Rohrbogens zeigt insbesondere, dass die beiden Begriffe Behälter einerseits und Anschluss andererseits ggf. sogar dieselbe Geometrie bezeichnen und begrifflich miteinander vertauscht werden können.The above examples show that the idea of ovalization can be realized on many different container and connection geometries, whereby, as already stated, the concept of the container and the connection can and should be understood in a very general manner. The example of the pipe bend shows in particular that the two Terms container on the one hand and connection on the other hand may even denote the same geometry and can be conceptually interchanged.
Mit besonderem Vorteil anwendbar ist die Erfindung bei Spritzgussteilen, weil sich hierbei bei vielen geometrischen Formen Bindenähte gerade dort nicht vermeiden lassen, wo geometrisch bedingt die höchsten Spannungen auftreten.The invention can be used with particular advantage in the case of injection-molded parts, because in many geometric shapes, weld lines cannot be avoided precisely where the highest stresses occur due to the geometry.
Als Material für die spritzgusstechnische Herstellung der vorbeschrieben Formen eignen sich u.a. thermoplastische Kunststoffe, insbesondere solche aus einem glasfaserverstärkten Polymer, wobei das Polymer mit Vorteil ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyamide und Copolyamide und einen Schmelzpunkt von mindestens 250°C besitzt, wie z.B. PA66 und PA46. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Polymers, bei welchem es sich um ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 300°C bis 350°C handelt. Ein solches speziell gut geeignetes Polymer ist beispielsweise unter der Bezeichnung "GRIVORY® HTV-5H1" von der Firma Ems-Chemie AG/Ems-Grivory, Domat/Ems, Schweiz, im Handel erhältlich. Es handelt sich dabei um ein mit 50 Gewichts-% Glasfasern (bezogen auf das gesamte Gewicht) verstärktes PA 6T/6I mit Schmelzpunkt 325 °C, also ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid aus den Monomerkomponenten Hexamethylendiamin, Terephthalsäure und Isophthalsäure. Das Material eignet sich allgemein speziell zur Herstellung äusserst steifer, fester, wärmebeständiger und massgenauer Spritzgussteile und zeichnet sich überdies durch sehr gute Chemikalienbeständigkeit aus. Die Massetemperatur beim Spritzgiessen beträgt ca. 345°C.Suitable materials for the injection molding of the above-described molds include thermoplastic materials, in particular those made from a glass fiber reinforced polymer, the polymer advantageously being selected from the group of polyamides and copolyamides and having a melting point of at least 250 ° C., such as PA66 and PA46. It is particularly preferred to use a polymer which is a partially aromatic, partially crystalline copolyamide with a melting point in the range from 300 ° C. to 350 ° C. Such particularly well suitable polymer is available, for example under the name "GRIVORY ® HTV-5H1" by the company Ems-Chemie AG / Ems-Grivory, Domat / Ems, Switzerland, in the trade. It is a PA 6T / 6I reinforced with 50% by weight glass fibers (based on the total weight) with a melting point of 325 ° C, i.e. a partially aromatic, partially crystalline copolyamide from the monomer components hexamethylenediamine, terephthalic acid and isophthalic acid. The material is generally particularly suitable for the production of extremely stiff, solid, heat-resistant and dimensionally accurate injection molded parts and is also characterized by very good chemical resistance. The melt temperature during injection molding is approx. 345 ° C.
Abschliessend soll noch darauf hingewiesen werden, dass Druckbehälter nicht nur aus Kunststoffen, sondern im Prinzip aus allen geeigneten Werkstoffen hergestellt werden können. Insbesondere ist die Erfindung auch im Metallbehälterbau anwendbar. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung beim Metalldruckguss (z.B. Aluminium) einsetzen. BEZEICHNUNGSLISTEFinally, it should be pointed out that pressure vessels can not only be made from plastics, but in principle from all suitable materials. In particular, the invention can also be used in metal container construction. The invention can be used particularly advantageously in die-cast metal (eg aluminum). NAME LIST
1 Druckbehälter1 pressure vessel
2 ovalisierter Anschlussstutzen am Druckbehälter 12 ovalized connecting pieces on the pressure vessel 1
3 Druckbehälter3 pressure vessels
4 zylindrischer Hauptkörper des Druckbehälters 34 cylindrical main body of the pressure vessel 3
5 ovalisierter Anschlussstutzen am Druckbehälter 35 ovalized connecting piece on the pressure vessel 3
6 runder Anschlussstutzen am Druckbehälter 36 round connecting piece on the pressure vessel 3
7 Viertelsegmente des Druckbehälters 3 8.1-8.4 Anschlussstutzen an den Viertelsegmenten 77 quarter segments of the pressure vessel 3 8.1-8.4 connecting piece on the quarter segments 7
9 Schnittkante/Bindenaht9 cut edge / weld line
10 T-Stück10 T-piece
11 - 13 Anschlüsse des T-Stücks 1111 - 13 connections of the T-piece 11
14 Rohrbogen14 elbows
15, 16 Anschlüsse des Rohrbogens15, 16 connections of the pipe bend
17 Gasgeneratorgehäuse17 gas generator housing
18 ovale Ausströmöffnung18 oval outflow opening
19 Einbaulage der Gaspatrone19 Installation position of the gas cartridge
20, 21 Abgänge (Stutzen) zu den Airbags20, 21 outlets (sockets) to the airbags
A-A SchnittebeneA-A cutting plane
A StutzenachseA nozzle axis
P Auftreffpunkt der StutzenachseP point of impact of the nozzle axis
I, II, III SpannungszonenI, II, III tension zones
L ÜbergangslängeL transition length
D Länge der grossen Achse der ovalen Form d Länger der kleinen Achse der ovalen FormD length of the major axis of the oval shape d longer of the minor axis of the oval shape
0 Ovalität σv Vergleichsspannung (bzw. maximale Vergleichsspannung) 0 ovality σ v reference stress (or maximum reference stress)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Druckbehälter (1 , 3,10, 14) mit wenigstens einem rohrformigen Anschluss (2; 5; 8.2 - 8.4; 11-13; 15, 16) an einer Öffnung in der Behälterwand, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Öffnung und des rohrformigen Anschlusses an dieser Öfnung oval und mit der grossen Achse der ovalen Form in Richtung der ersten Hauptspannung ausgerichtet sind, welche sich bei Beaufschlagung des Druckbehälters mit einem inneren Überdruck an der Anschlussteile ohne die Öffnung und den Anschluss ergeben würde.1. Pressure vessel (1, 3, 10, 14) with at least one tubular connection (2; 5; 8.2 - 8.4; 11-13; 15, 16) at an opening in the container wall, characterized in that the cross sections of the opening and of the tubular connection at this opening are oval and aligned with the major axis of the oval shape in the direction of the first main stress, which would result if the pressure vessel were subjected to an internal overpressure on the connecting parts without the opening and the connection.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er (3) einen im wesentlichen zylindrischen Hauptkörper (4) aufweist, an welchem seitlich an den zylindrischen Teil zwei sich vorzugsweise gegenüberliegende Anschlussstutzen (5, 6) mit wenigstens abschnittsweise ovalem Querschnitt angesetzt sind, wobei die grosse Achse der ovalen Form in Umfangsrichtung des zylindrischen Hauptkörpers ausgerichtet ist.2. Pressure vessel according to claim 1, characterized in that it (3) has an essentially cylindrical main body (4), on which two preferably opposite connection pieces (5, 6) with at least partially oval cross-section are attached to the side of the cylindrical part, wherein the major axis of the oval shape is aligned in the circumferential direction of the cylindrical main body.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als T-Stück (10) mit drei in einer Ebene liegenden Anschlüssen (11 , 12, 13) ausgebildet ist, von denen mindestens einer wenigstens abschnittsweise im Querschnitt oval ausgebildet ist, wobei die grosse Achse der ovalen Form jeweils senkrecht zu der genannten Ebene ausgerichtet ist.3. Pressure vessel according to claim 1, characterized in that it is designed as a T-piece (10) with three in-plane connections (11, 12, 13), at least one of which is at least partially oval in cross section, the major axis of the oval shape is oriented perpendicular to the plane mentioned.
4. Druckbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als Rohrbogen (14) mit zwei in einer Ebene liegenden, im wesentlichen formgleichen, wenigstens abschnittsweise im Querschnitt ovalen Anschlüssen (15, 16) ausgebildet ist, wobei die grosse Achse der ovalen Form jeweils senkrecht zu der genannten Ebene ausgerichtet ist.4. Pressure vessel according to claim 1, characterized in that it is designed as a pipe bend (14) with two in one plane, substantially the same shape, at least partially oval in cross-section connections (15, 16), the major axis of the oval shape in each case is aligned perpendicular to said plane.
5. Druckbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gasgeneratorgehäuse (17) für mindestens einen Airbag ist.5. Pressure vessel according to claim 1, characterized in that it is a gas generator housing (17) for at least one airbag.
6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ovalität als Verhältnis der grossen (D) zur kleinen (d) Achse der ovalen Form im Bereich zwischen 1 ,1 und 3,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 ,1 und 2,5, und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 1 ,1 und 1 ,9 gewählt ist. 6. Pressure vessel according to one of claims 1-5, characterized in that the ovality as a ratio of the large (D) to the small (d) axis of the oval shape in the range between 1, 1 and 3.0, preferably in the range between 1, 1 and 2.5, and particularly preferably in the range between 1.1 and 1.9.
7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Druckgussteil ist.7. Pressure vessel according to one of claims 1-6, characterized in that it is a die-cast part.
8. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Polymer besteht.8. Pressure vessel according to one of claims 1-6, characterized in that it consists of a thermoplastic, in particular a glass fiber reinforced polymer.
9. Druckbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Spritzgussteil ist.9. Pressure vessel according to claim 8, characterized in that it is an injection molded part.
10. Druckbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Bindenaht aufweist und dass die Bindenaht in Richtung der kleinen Achse der ovalen Form verlaufend gewählt ist.10. Pressure vessel according to claim 9, characterized in that it has a weld line and that the weld line is chosen to run in the direction of the small axis of the oval shape.
11. Druckbehälter nach Anspruch 2 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Hauptkörper (4) auf seiner einen Seite durch eine Kappe abgeschlossen und ein durch Anspritzen vom Zentrum dieser Kappe aus hergestelltes Spritzgussteil mit Bindenähten in Fliessrichtung hinter den Anschlussstutzen (5, 6) ist.11. Pressure vessel according to claim 2 or 10, characterized in that the cylindrical main body (4) is closed on one side by a cap and an injection molded part made by injection from the center of this cap with weld lines in the flow direction behind the connecting piece (5, 6) is.
12. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 8 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyamide und Copolyamide und einen Schmelzpunkt von mindestens 250°C besitzt.12. Pressure vessel according to one of claims 8 - 11, characterized in that the polymer is selected from the group of polyamides and copolyamides and has a melting point of at least 250 ° C.
13. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymer um ein partiell aromatisches, teilkristallines Copolyamid mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 300°C bis 350°C handelt.13. Pressure vessel according to one of claims 8 - 12, characterized in that the polymer is a partially aromatic, partially crystalline copolyamide with a melting point in the range from 300 ° C to 350 ° C.
14. Verwendung des Druckbehälters nach einem der Ansprüche 1 - 13 als Innendruckbehälter.14. Use of the pressure vessel according to one of claims 1-13 as an internal pressure vessel.
15. Verwendung des Druckbehälters nach einem der Ansprüche 1 - 13 als Aussendruckbehälter. 15. Use of the pressure vessel according to one of claims 1-13 as an external pressure vessel.
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