DE4420366A1 - Verfahren zur Herstellung permanent geschlossener, mit schwierig handhabbaren Massen gefüllter Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung permanent geschlossener, mit schwierig handhabbaren Massen gefüllter Behälter, insbesondere von dünnwandigen, flachen Membranbehäl­ tern für Latentwärmespeicher, mit einem Mantel in Form eines flachgedrückten Zylinders mit zwei zueinander parallelen Sei­ tenwänden und einem den Mantel an einer Stirnseite abschlie­ ßenden Boden und einem die andere Stirnseite abschließenden Deckel.

Unter schwierig handhabbaren Massen werden beispielsweise Salz- bzw. Salz-Wasser-Mischungen verstanden, insbesondere im Fall von Latentwärmespeichern für Kraftfahrzeuge Bariumhydroxid- Oktahydrat, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nicht ohne Probleme in einem nach den Maßstäben industrieller Ferti­ gung wirtschaftlichen Verfahren in Behälter der beschriebenen Art abgefüllt und eingeschlossen werden können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.

Die angesprochenen Behälter besitzen beispielsweise einen Be­ hältermantel aus flachgedrückten, dünnwandigen Kupferrohren aus ca. 0,1 mm dickem Blech, wobei die beiden flachen Wände ein­ ander mit einem Abstand von beispielsweise 6 mm parallel gegen­ überliegen, während die größere Querschnittsabmessung des Man­ tels beispielsweise etwa 150 mm und die axiale Länge des Man­ tels etwa 300 bis 400 mm betragen kann. An einer Stirnseite ist der Behälter durch einen Boden und an der anderen Stirnsei­ te bei dem bisher angewandten Füllverfahren durch einen mit mindestens einem Füllrohr versehenen Deckel abgeschlossen. Im Falle von Latentwärmespeichern enthält der Behälter ein Salz bzw. eine Salzmischung, die beim Über- oder Unterschreiten einer spezifischen Temperatur den Aggregatzustand ändert und dabei Wärme aufnimmt bzw. Wärme abgibt. Die flachgedrückte Behälterform ermöglicht eine besonders große Oberfläche für den Wärmeübergang.

Durch das im Deckel befindliche Füllrohr wird die Füllmasse in den Behälter eingefüllt, wenn Boden und Deckel bereits fest mit dem Mantel verbunden sind. Aufgrund des geringen Abstands der beiden einander gegenüberliegenden flachen Behälterwände stehen unter Berücksichtigung der Wandstärke des Füllrohrs für dessen Innendurchmesser nur noch etwa 3 mm zur Verfügung.

Ein typischer Ablauf für die Fertigung solcher Salzbehälter besteht derzeit aus folgenden Schritten:

• - Fertigung des flachgedrückten Behältermantels aus einem Blech mit einer gelöteten oder geschweißten Längsnaht,
• - Fügen des Bodens und des Deckels, wobei der Deckel üblicherweise bereits mit dem Füllrohr versehen ist,
• - Verflüssigung der einzubringenden Masse auf beispielsweise 90°C,
• - Befüllen des Salzbehälters mit der flüssigen Masse, wobei eine Kanüle durch das Füllrohr in den Salzbe­ hälter eingeschoben wird und die flüssige Masse durch einen gewissen Druck aus dem Vorratsbehälter in den Salzbehälter injiziert wird,
• - dabei präzise Dosierung der Füllmasse, wobei sich der Spiegel der eingefüllten flüssigen Masse direkt un­ terhalb des Deckels befindet, so daß wegen der durch Verdunstung aus der Masse aufsteigenden, sich unter dem Deckel sammelnden Gase oder Dämpfe gewährleistet ist, daß der Behälterinnenraum oberhalb der Masse luftfrei ist,
• - wenn anschließend an den Füllvorgang und der Entfer­ nung der Kanüle aus dem Füllrohr das Füllrohr abge­ quetscht und gegebenenfalls durch Löten oder Schwei­ ßen doppelt versiegelt wird.

Die Probleme bei diesem Fertigungsablauf ergeben sich aus dem engen Innendurchmesser des Füllrohrs, der einen noch engeren Innendurchmesser der Befüllkanüle zur Folge hat, und aus den Eigenschaften des Füllmaterials, z. B. von Bariumhydroxid-Okta­ hydrat, das beim Abkühlen leicht erstarrt.

Um die Befüllung in einem wirtschaftlich vertretbaren Zeitraum durchzuführen, müssen entsprechend hohe Fließgeschwindigkeiten durch die Kanüle realisiert werden, was zum Aufschäumen der Flüssigkeit im Salzbehälter führt. Diese Schäume verunreinigen beispielsweise die Innenwände des Füllrohrs, so daß es zu Un­ dichtigkeiten bei dem späteren Verschließen kommt.

Ein noch größeres Problem besteht darin, daß Bariumhydroxid- Oktahydrat bei 78°C erstarrt. In diesem Fall verstopft sich das Füllrohr oder auch die Kanüle und es ist schwierig, diese Öff­ nungen wieder frei zu bekommen, so daß eine Unterbrechung des Arbeitsablaufs verursacht wird.

Die Verhinderung solcher Erstarrungen ist weiterhin problema­ tisch, weil oberhalb von 90°C Bariumhydroxid-Oktahydrat stark dampft und dadurch an Wasser verliert, was die Speichereigen­ schaften der Füllmasse verändert. Der Bariumhydroxid-Oktahy­ drat-Vorratsbehälter muß deshalb ziemlich präzise auf einer Temperatur von 90°C gehalten werden, wodurch der Abstand zur Erstarrungstemperatur von 78°C sehr gering wird und leichte örtliche Abkühlungen zum Erstarren führen. Abhilfemaßnahmen, wie z. B. Beheizung des Massenflusses vom Vorratsbehälter in die Kanüle, sowie Wärmeisolierung einschließlich Heizung des Füll­ rohrs, machen es gerade möglich, den Prozeß durch Handarbeit und sorgfältige Kontrollen mit hohem finanziellem Aufwand zu beherrschen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Verfah­ renssicherheit bei der Herstellung solcher Behälter, insbeson­ dere bei deren Befüllung, derart zu steigern, daß eine wirt­ schaftliche Automatisierung mit entsprechend kurzen Taktzeiten und niedrigen Kosten möglich wird. Die genaue Dosierung und der dichte Verschluß des Behälters dürfen dabei nicht geopfert werden.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zu­ mindest ein Teil der Füllmasse nach dem Einfügen des Bodens und vor der Einfügung des Deckels in den Behälter eingefüllt wird.

Dadurch kann entweder das Füllrohr und mit ihm die Befüllung über den engen Füllrohrquerschnitt entfallen, oder es reduziert sich das über das Füllrohr zuzuführende Volumen auf ein relativ geringes Restvolumen, das zur präzisen Auffüllung des Behälter­ innenraums nach dem Einfügen des Deckels noch erforderlich ist, wobei die Füllzeit nur noch sehr kurz ist und dadurch die oben geschilderten Probleme nicht entstehen können oder zumindest stark reduziert und dadurch leicht beherrschbar werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß die Masse durch eine rohrförmige Kanüle in den Behälter eingebracht wird, deren Außendurchmesser etwa dem Abstand der beiden zueinander parallelen Seitenwände der Hülle entspricht, und deren Länge ausreichend ist, um die Ausmündung bis nahe an den Boden heranzuführen. Dadurch wird der Füllquerschnitt vergrößert und das Aufschäumen des Füllmaterials weitgehend verhindert. Vorzugsweise ist dabei der Querschnitt der Kanüle ebenfalls flachgedrückt. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn ihre einander gegenüberliegenden langen Außenwände einen Ab­ stand voneinander aufweisen, der etwa der lichten Weite zwi­ schen den zueinander parallelen Wänden des Mantels entspricht.

Eine andere Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß die Masse in flüssigem Zustand eingefüllt wird, wobei vorzugsweise nach dem Einfüllen der flüssigen Masse in den Behälter in die­ sen ein Deckel eingefügt und der Behälter verschlossen wird.

Noch eine andere zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß ein Teil der Füllmasse nach dem Einfügen des Bodens und vor der Einfügung des Deckels in den Behälter eingefüllt wird, daß dann ein Deckel mit Füllrohr in den Behälter eingefügt, das Füll­ volumen ergänzt und dann der Behälter geschlossen wird.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß nach dem Einfügen des Bodens in den Mantel die Füll­ masse in fester Form in den Behälter eingefüllt wird, daß da­ nach die Füllmasse durch Wärmezufuhr geschmolzen und anschlie­ ßend der Behälter durch Einfügen des Deckels verschlossen wird.

Eine andere zweckmäßige Variante des Verfahrens besteht darin, daß nach dem Einfügen des Bodens in den Mantel die Füllmasse in fester Form in den Behälter eingebracht wird, daß danach ein Deckel mit Füllrohr eingefügt wird, worauf die Füllmasse durch Wärmezufuhr geschmolzen und dann der Behälter verschlossen wird, so daß vor dem Verschließen Dämpfe entweichen und Luft­ einschlüsse ausgetrieben werden können.

Vorzugsweise wird der Behälter durch Abquetschen des Füllrohrs verschlossen. Zusätzlich kann das Füllrohr nach dem Abquet­ schen verlötet oder verschweißt werden.

Um das Befüllen des Behälters zumindest mit dem größten Teil des Füllvolumens zu erleichtern, besteht eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens darin, daß der Mantel an seiner vom Boden abgewandten Stirnseite vor dem Befüllen aufgeweitet, nach dem zumindest teilweisen Befüllen auf die endgültige Quer­ schnittsform zusammengedrückt und dann der Behälter durch Ein­ fügen des Deckels vollendet wird.

Um die Maßhaltigkeit der fertigen, sehr dünnwandigen Behälter trotz des bei noch flüssiger Füllmasse im Behälterinneren herr­ schenden Dampfdrucks sicherzustellen, besteht eine weitere vor­ teilhafte Ausgestaltung darin, daß nach dem Verschluß der mit flüssiger Füllmasse gefüllten Behälter diese in einer maßhalti­ gen Aufnahmeform formstabil gestützt werden, bis die Füllmasse durch Abkühlung erstarrt ist.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen mittels des Verfahrens zu befüllenden Behälter,

Fig. 2 das durch den Deckel zu verschließende Behälterende mit eingefügtem Deckel, wenn das gesamte Füllvolumen vor dem Einfügen des Deckels in den Behälter einge­ bracht wird,

Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte Situation bei fest eingebrach­ ter Füllmasse, oder wenn bei flüssiger Befüllung ein Restvolumen nach dem Einfügen des Deckels eingebracht wird und

Fig. 4 den Behälter bei einer Variante des Verfahrens vor der abschließenden Verformung des unverschlossenen Behälters und dem Einfügen des Deckels.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die Querschnittsform eines dünn­ wandigen Membranbehälters 10 für Latentwärmespeicher, der für einen optimalen Wärmeübergang eine möglichst große Oberfläche aufweisen soll.

Der Behälter besteht aus einem Mantel 12 in Form eines flachge­ drückten Zylinders mit zwei zueinander parallelen Seitenwänden 14 und 16. Beispielsweise wird hierzu ein rechteckiges Blech mit einer Wandstärke von 0,12 mm zu einem Rohr gefaltet, worauf die beiden in Längsrichtung des Rohrs verlaufenden Enden zusam­ mengelötet werden und dann das Rohr zumindest an einem Ende entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Querschnittsform flachge­ drückt wird. Anschließend wird an diesem Ende ein Boden 18 eingefügt und mit dem Mantel verlötet.

Um den Behälter 10 vollständig zu schließen, wird das andere Ende mit einem Deckel 20 verschlossen, jedoch geschieht dies erst, nachdem zumindest ein Teil der Füllmasse 22 durch dieses zunächst noch offene andere Ende eingefüllt worden ist. Hierzu wird der Behälter 10 so angeordnet, daß das offene Ende nach oben weist.

Nach einer Variante des Verfahrens wird durch das offene Behäl­ terende eine Kanüle eingeschoben, deren Außendurchmesser etwa dem Abstand der beiden parallelen Seitenwände 14 und 16 ent­ spricht und die wie der Behälter 10 einen flachgedrückten Quer­ schnitt aufweist, um einen möglichst großen Durchflußquer­ schnitt zur Verfügung zu stellen. Die Länge der Kanüle ist so bemessen, daß sie nahe über dem Boden 18 endet. Zweckmäßiger­ weise wird die Füllmasse in flüssiger Form über die Kanüle eingebracht, wozu die Temperatur der Füllmasse in einem Bereich gehalten werden muß, daß ihr Erstarren während des Füllvorgangs ebenso vermieden wird, wie eine zu intensive Verdampfung.

Der Behälter 10 muß so verschlossen werden, daß sich keine Lufteinschlüsse innerhalb des Behälters befinden. Die Befül­ lung mit flüssiger Füllmasse 22 erfolgt deshalb in der Weise, daß sich der Flüssigkeitsspiegel etwas unterhalb der Position des einzufügenden Deckels 20 bildet, so daß über dem Flüssig­ keitsspiegel durch auf steigende Dämpfe ein luftfreier Raum geschaffen wird, der durch den dann eingesetzten Deckel 20 abgeschlossen wird.

Wird in den Behälter 10 die Füllmasse 22 in fester Form einge­ füllt, ist es zweckmäßig, die offene Seite der Behälters 10 vor dem Befüllen noch nicht in die in Fig. 1 gezeigte Querschnitts­ form zu überführen bzw. die offene Seite des Behälters in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise in eine der Kreisform angenäher­ te Querschnittsform zu überführen, so daß sich ein für die Be­ füllung mit der körnigen Füllmasse geeignetere Öffnung ergibt. Wenn der Füllvorgang abgeschlossen ist und der Deckel 20 einge­ fügt werden soll, wird das offene Ende des Behälters 10 in die in Fig. 1 gezeigte Querschnittsform überführt. Bevor der Dec­ kel 20 eingesetzt wird, wird die Füllmasse durch Wärmezufuhr geschmolzen, wodurch die sich bildenden Dämpfe den Bereich über der Füllmasse luftfrei machen, worauf dann der Deckel in seine Position gebracht und verlötet wird.

Sowohl bei der Befüllung mit flüssiger Füllmasse, als auch bei der Befüllung mit Füllmasse in fester Form kann der Deckel 20 mit einem Füllrohr 24 versehen werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Durch das Füllrohr 24 kann zur Ergänzung der Füllung flüssige Füllmasse nachgefüllt werden. Es kann aber auch be­ nutzt werden, um die beim Erwärmen der festen Füllmasse und deren Verflüssigung auftretenden Dämpfe und die Lufteinschlüsse abzuleiten. Sobald die Nachfüllung bzw. die Ableitung der Dämpfe und Lufteinschlüsse abgeschlossen ist, wird das Füllrohr 24 durch abklemmen geschlossen, wobei das Füllrohr 24 noch zu­ sätzlich verlötet werden kann.

Da der Behälter 10 eine sehr membranartige Wandung mit sehr geringer Wandstärke aufweist und durch den Dampfdruck der Füll­ masse 22 verformt werden kann, wird der mit flüssiger Füllmasse gefüllte Behälter 10 in eine den Umrissen des Behälters 10 angepaßte Form eingesetzt, in der er bis zum Erstarren der Füllmasse 22 verbleibt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung permanent geschlosse­ ner, mit schwierig handhabbaren Massen gefüllter Behälter, insbesondere von dünnwandigen, flachen Membranbehältern für Latentwärmespeicher, mit einem Mantel in Form eines flachge­ drückten Zylinders mit zwei zueinander parallelen Seitenwänden und einem den Mantel an einer Stirnseite abschließenden Boden und einem die andere Stirnseite abschließenden Deckel, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Füllmasse nach dem Einfügen des Bodens und vor der Einfügung des Deckels in den Behälter eingefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse durch eine rohrförmige Kanüle in den Behäl­ ter eingebracht wird, deren Außendurchmesser etwa dem Abstand der beiden zueinander parallelen Seitenwände der Hülle ent­ spricht, und deren Länge ausreichend ist, um die Ausmündung bis nahe an den Boden heranzuführen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanüle ebenfalls flachgedrückt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden langen Außenwände der Kanü­ le einen Abstand voneinander aufweisen, der etwa der lichten Weite zwischen den zueinander parallelen Wänden des Mantels entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Masse in flüssigem Zustand einge­ füllt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einfüllen der flüssigen Masse in den Behälter in diesen ein Deckel eingefügt und der Behälter verschlossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Füllmasse nach dem Einfügen des Bodens und vor der Einfügung des Deckels in den Behälter eingefüllt wird, daß dann ein Deckel mit Füllrohr in den Behälter eingefügt, das Füllvolumen ergänzt und dann der Behälter geschlossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einfügen des Bodens in den Mantel die Füllmasse in fester Form in den Behälter eingefüllt wird, daß danach die Füllmasse durch Wärmezufuhr geschmolzen und anschließend der Behälter durch Einfügen des Deckels verschlossen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einfügen des Bodens in den Mantel die Füllmasse in fester Form in den Behälter eingebracht wird, daß danach ein Deckel mit Füllrohr eingefügt wird, worauf die Füllmasse durch Wärmezufuhr geschmolzen und dann der Behälter verschlossen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Behälter durch Abquetschen des Füllrohrs verschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Füllrohr nach dem Abquetschen verlötet oder verschweißt wird.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel an seiner vom Boden abgewandten Stirnseite vor dem Befüllen aufgeweitet, nach dem zumindest teilweisen Befüllen auf die endgültige Querschnitts­ form zusammengedrückt und dann der Behälter durch Einfügen des Deckels vollendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verschluß der mit flüssiger Füllmasse gefüllten Behälter diese in einer maßhalti­ gen Aufnahmeform formstabil gestützt werden, bis die Füllmasse durch Abkühlung erstarrt ist.