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Die
Erfindung betrifft Druckbehälter
mit zumindest einem offenen Ende und Endverschlüsse für solche Druckbehälter. Genauer
gesagt betrifft die Erfindung zylindrische Druckbehälter, die
für druckgetriebene
Filtriervorgänge
ausgestaltet sind, insbesondere Druckbehälter, welche einen Vollbohrungszugang
bieten, um längliche,
zylindrische Filtriermedium-Patronen aufzunehmen. Noch genauer gesagt bezieht
sich die Erfindung auf verbesserte Endverschlussanordnungen für solche
Druckbehälter.
Sie betrifft auch Verfahren zur Herstellung solcher Druckbehälter dieser
allgemeinen Art, und insbesondere solcher, die für druckgetriebene Filtriervorgänge ausgestaltet
sind, insbesondere zum Filtrieren unter Verwendung von Filtrierpatronen,
und genauer gesagt die Herstellung von Behältern, die für die Seitenwandportierung
geeignet sind, um Fluidstromkopplungen durch die zylindrische Seitenwand
des Druckbehälters
hindurch zu schaffen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zylindrische
Druckbehälter
werden für
die verschiedensten industriellen Anwendungen verwendet, und eine
Familie von relativ leichtgewichtigen, starken, verstärkten Plastikverbund-Druckbehältern hat
sich entwickelt als Ergebnis von Fortschritten bei synthetischen
Fasern und polymerischen Kunstharzen, beispielsweise unter Verwendung
von kontinuierlichen Strängen
aus Glas- oder Kohlefasern oder Filamenten, um aushärtbare polymerische
Kunstharzzusammensetzungen zu verstärken, wie beispielsweise Polyesterkunstharz,
Vinylester, Kunstharze, Polyurethan-Kunstharze, Epoxy-Kunstharze, etc. Obwohl
es viele industrielle Anwendungen für solche Druckbehälter gibt,
ist ein hauptsächliches Gebiet
das Gebiet der Filtrierung, und zwar sowohl der direkten als auch
der Filtrierung mit totem Ende und der Kreuzstromfiltrierung; und
zum Zwecke dieser Anmeldung wird die Filtrierung verwendet, um im weitesten
Sinne Separationsvorgänge
zu beinhalten, in welchen semipermeable Membranen verwendet werden.
Der Ausdruck "Filterpatrone" wird im weiteren
Sinne verwendet, um Filterbeutel, Patronenfilter und semipermeable
Membranpatronen oder Elemente zu beinhalten. Der Ausdruck „Patronenfiltrierung" wird verwendet,
um solche Filtriervorgänge,
die solche Filterpatronen verwenden, zu beinhalten.
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Im
Allgemeinen besteht ein Gegensatz zwischen der "Kreuzstrom"-Filtrierung und der Filtrierung, die
manchmal als direkte Filtrierung oder Filtrierung mit "totem Ende" bezeichnet wird.
Bei der Kreuzstrom-Filtrierung tritt nur ein Teil der zugeführten Flüssigkeit
durch das Filtermedium hindurch, wobei der Rest der zugeführten Flüssigkeit über die Oberfläche einer
Membran oder eines anderen Filtermediums hinüberströmt und die Filterpatrone am
anderen Ende verlässt;
in einer solchen Anordnung gibt es zwei Ausgangsöffnungen aus dem Druckbehälter hinaus,
d.h. separate Öffnungen,
durch welche das Kreuzstrom-Konzentrat und das Filtrat oder Permeat austritt.
Bei der direkten Filtrierung oder Filtrierung mit "totem Ende" tritt der gesamte
Strom der zugeführten
Flüssigkeit
durch das Filtermedium hindurch, und es gibt normalerweise nur einen
einzelnen Ausgangsstrom.
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Beispiele
für Kreuzstrom-Filtriervorgänge, die
in den letzten Jahrzehnten weit verbreitet waren, beinhalten, sind
aber nicht begrenzt auf die Hyperfiltrierung (reverse Osmose), die
Nanofiltrierung und Ultrafiltrierung, welche alle semipermeable
Membranmaterialien verwenden und im Allgemeinen als Membranseparationsvorgänge bezeichnet
werden. Bei solchen Vorgängen
sind zylindrische Patronen herkömmlicherweise
verwendet worden, welche in einem umgebenden, röhrenförmigen Druckbehälter aufgenommen
sind, der geeignete Einlass- und Auslassöffnungen hat. Zumindest ein
Endverschluss für einen solchen
Druckbehälter
ist ausgestaltet, um einen so genannten Vollbohrungszugang zu haben; dies
ermöglicht
es, eine zylindrische Patrone oder einen Beutel mit einem definierten äußeren Durchmesser,
der geringfügig
kleiner ist als der Durchmesser der inneren Bohrung des Druckbehälters, gleitend durch
ein offenes Ende des Druckbehälters
einzuführen.
In manchen Fällen
weisen solche zylindrischen Patronen mehrere Umhüllungen aus Lagen aus semipermeablem
Membranmaterial auf, welche spiralförmig um einen mittleren porösen Kern
herumgewickelt sind, um eine relativ große Membranoberfläche innerhalb
eines gegebenen Volumens zu bieten.
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Viele
herkömmliche
Druckbehälter,
die bei Patronenfiltervorgängen,
insbesondere bei der Kreuzstrom-Filtrierung,
verwendet werden, haben röhrenförmige Gehäuse aus
glasfaserverstärkten
polymerischen Kunstharzverbundstoffen, die mit stopfenartigen Endverschlüssen versehen
sind, welche in abdichtender Art und Weise am Ende des Gehäuses mittels
einer herkömmlichen
0Ring-Dichtung und
mittels geeigneter Halteringe angebracht werden. Halteringe, welche
verwendet worden sind, beinhalten herkömmliche Spiral- und Schnappringe
sowie Segmentringe, welche mehrere separate Teile aufweisen, welche
geeignet in zusammengefügter
Art und Weise durch Schrauben oder ähnliche Verbinder gehalten
werden. Allgemein sind bei solchen Druckbehältern aus verstärkten Plastikverbundstoffen
alle Einlass- und Auslassöffnungen
in dem Paar von gegenüberliegenden
Endverschlüssen
vorgesehen, um eine Verletzung der Integrität des ausgehärteten Verbundkörpers zu
vermeiden. Die Endverschlüsse selbst
sind im Allgemeinen flache, plattenartige Körper.
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Sicherheitsbetrachtungen
sind oft sehr wichtig bei Druckfiltrierbehältern, da viele solcher Filtrierungen
relativ hohe Arbeitsdrücke
erfordern. Beispiele von Filtriervorgängen, bei denen es wichtig
ist, eine Speisung bei hohem Druck zu den Patronen zu führen, beinhalten
solche, bei denen eine semipermeable Membranpermeation durchgeführt wird,
weil eine solche Separation eine relativ hohe Druckdifferenz über die
Membran hinüber
erfordert, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen.
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Das
US-Patent Nr. 4,739,899 offenbart Verschlussanordnungen für Druckbehälter, welche
bei Kreuzstrom- oder anderen Druckfiltriereinrichtungen verwendet
werden können,
um einen Vollbohrungszugang zu bieten. Das Patent zeigt einen zylindrischen
Endverschluss, welcher gleitend in eine glatte innere Öffnung eines
Druckbehälters
eingesetzt werden kann. Der ansonsten zylindrische Endverschluss ist
mit einer mittigen Umfangsnut ausgebildet, deren Querschnitt variiert,
so dass eine schräge
Oberfläche ausgebildet
wird. Wenn der Endverschluss eingesetzt wird, dann befindet sich
der O-Ring an der tiefsten Stelle der Umfangsnut, und unter Druck
rollt er entlang der Oberfläche
an eine Stelle nahe dem axialen äußeren Ende
des Druckbehälters,
wo er fest gegen das Innere der zylindrischen Wand des Druckbehältergehäuses abdichtet.
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Das
US-Patent Nr. 4,781,830 zeigt eine andere Art von Endverschlussanordnung
für eine Kreuzstrom-Filtriervorrichtung,
welche auch einen Vollbohrungszugang bietet. Bei der dargestellten
Anordnung ist ein längliches,
zylindrisches Gehäuse aus
rostfreiem Stahl aufgebaut, welches einen allgemein glockenförmigen Adapter
an jedem Ende beinhaltet, der einen Anschlussstutzen für eine seitliche Leitung
beinhalten kann. Eine Abschlusskappe passt mit dem Adapter zusammen, über eine
bajonettartige Passung, um die Endöffnung zu schließen, und
ein herkömmlicher
O-Ring wird verwendet, um eine Dichtung zwischen der Abschlusskappe
und der Sitzfläche
an dem Adapter zu bilden. Diese Anordnung erfordert mehrere spezialisierte
metallische Unteranordnungen und wird nicht als besonders geeignet
für die
Verwendung in einer Druckbehälteranordnung aus
verstärktem
Plastikverbundmaterial angesehen.
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Demzufolge
sind verbesserte Versionen von Endschlussanordnungen für Druckbehälter für die Druckfiltrierung,
insbesondere für
faserverstärkte
polymerische Kunstharzbehälter
für die
Patronenfiltrierung, weiter gesucht.
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WO-A-88/03830
zeigt einen Druckbehälter und
ein Verfahren zur Montage desselben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Druckbehälter gemäß Anspruch
1. Der Druckbehälter
umfasst eine Endverschlussanordnung, die besonders geeignet ist
für die
Verwendung von Druckbehältern
aus faserverstärktem
polymerischen Kunstharz oder ähnlichem,
um einen Vollbohrungszugang für
die druckbetriebene Fluidfiltrierung zu bieten, beispielsweise für die Beutel-
oder Patronenfiltrierung, inklusive der Kreuzstrommembranfiltrierung,
außerdem
werden Verfahren zur verbesserten Herstellung desselben geschaffen.
Die röhrenförmige Schale
aus faserverstärktem
polymerischen Kunstharz weist eine ringförmige Nut in ihrer radialen Innenfläche auf.
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Das Öffnungsende
des Behälters
ist mit einem Kopfmittel verschlossen. Eine Bindung zwischen dem
Kopfmittel und der rohrförmigen
Schale wird durch einen entfernbaren Arretierring geschaffen, welcher
in die Nut in dem Druckbehälter
eingesetzt wird; der Arretierring erstreckt sich ausreichend in
radialer Richtung in den Durchgang, um das Kopfmittel örtlich zu
sichern, wodurch das Öffnungsende des
Druckbehälters
geschlossen und abgedichtet wird. Selbst bei hohen Innendrücken wird
das Kopfmittel so an einer Auswärtsbewegung
vorbei an dem Arretierungsring gehindert.
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Ein
Arretierring, der schraubenförmigen
ist, und vorzugsweise drei Umdrehungen oder Windungen eines flachen
Bandes eines federartigen Materials aufweist, wird verwendet. Ein
aufrecht stehender Bereich, der sich vorzugsweise in axialer Auswärtsrichtung
erstreckt, ist am äußeren Ende
des schraubenförmigen
Verriegelungsrings vorgesehen, und ein Ergreifen dieses Bereichs
ermöglicht
es, den Verriegelungsring manuell zurückzuziehen, indem er in einer
sequentiellen Bewegung um den 360°-Umfang des
Durchgangs herum geführt
wird. Durch Vorsehen einer kreisförmigen Schulter, die radial
einwärts
von der äußeren Kante
des Kopfes beabstandet ist, ist in dem Außenumfang der axial äußeren Fläche des Kopfes
ausgeformt, was als ringförmige
Kerbe bezeichnet werden könnte.
Wenn der Kopf sich in seiner vollständig eingesetzten Position
befindet, ist diese Schulter in Ausrichtung mit der Nut in dem ringförmigen Element
des Druckbehälters,
und eine Tasche wird dadurch erzeugt, die eine solche Tiefe hat,
dass zumindest eine der Umdrehungen des federartigen Verriegelungsrings
vollständig
darin gefangen ist mittels der Schulter und daher physisch keiner
ausreichenden radialen Einwärtsbewegung
unterliegen kann, um ein Herausziehen des Verriegelungsrings aus
der ringförmigen
Nut zu ermöglichen,
während diese
Umdrehung in der Tasche eingeengt ist. Diese Anordnung ist eine
zusätzliche
Maßnahme
der Sicherheit, welche verhindert, dass ein Arbeiter den Verriegelungsring
unabsichtlich entfernt, wenn in dem Druckbehälter noch ein überatmosphärischer Innendruck
herrscht, was sonst möglicherweise
zu einem Austritt des Endverschlusses mit hoher Geschwindigkeit
führen
könnte.
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Außerdem schafft
die Erfindung ein Verfahren (Anspruch 7) zur Herstellung solcher
Druckbehälter
aus faserverstärktem
polymerischem Kunstharz mit diesen verbesserten Endverschlüssen, wobei
ein vergrößerter Hohlraum
oder eine vergrößerte Senkung
in geeigneter Weise direkt axial einwärts des Endverschlusses vorgesehen
ist, wobei ein solcher Hohlraum die Eingliederung von Seitenstromkopplungen
erleichtert, ohne den für
Patronenfiltrierdruckbehälter
oder ähnliches
gewünschten
Vollbohrungszugang zu beeinträchtigen.
In dieser Hinsicht befindet sich ein Opfereinsatz aus einem geeigneten
Plastikmaterial, das sich von dem polymerischen Kunstharz trennen
wird, an einem Stahldorn oder einer anderen geeigneten Form, um
welchen bzw. welche herum die röhrenförmige Schale
gewickelt und dann ausgehärtet
werden soll, unter Verwendung von kontinuierlichen kunstharzimprägnierten
Strängen
oder Tauen aus Glasfasern oder anderem synthetischen Filamentmaterial,
beispielsweise Karbonfasern. Dieser Opfereinsatz wird angrenzend
an eine axial einwärtige
Fläche
des ringförmigen
Elements positioniert, welches selbst an einem dünnen röhrenförmigen Abstandshalter positioniert
werden kann, welcher verwendet wird, um das ringförmige Element
zu zentrieren, welches einen Innendurchmesser hat, der geringfügig größer ist
als der der Hauptbohrung der röhrenförmigen Schale
(welcher natürlich
bestimmt wird durch den Durchmesser des zylindrischen Dorns, der
verwendet wird). Nach dem Wickeln von kunstharzimprägnierten
Strängen
aus kontinuierlichen Fasern um den Kern herum, um die Gesamtanordnung
zu bilden, wird ein Aushärtevorgang
durchgeführt,
um so eine starke, feste röhrenförmige Schale
zu bilden, welche anschließend
von dem Dorn getrennt wird. Nach dem Entfernen des dünnen Abstandshalters,
welcher auch dazu ausgestaltet ist, sich von dem ausgehärteten Kunstharz
zu trennen, wird der Opfereinsatz entfernt. Er kann ursprünglich gespalten
werden, beispielsweise entlang einer diagonalen Linie, oder anderweitig
mit zerbrechlichen Brücken
ausgestaltet sein, um sein Entfernen durch die benachbarte Endöffnung hindurch
zu erleichtern. Ein solches Entfernen schafft vorzugsweise sowohl die
gewünschte
flache Nut unmittelbar angrenzend an das die Nut tragende ringförmige Element
und den großen
Senkungsbereich, welcher die Montage einer Seitenstromkopplung erleichtert,
so das sich nicht alle Einlass- und Auslassöffnungen in den Endverschlussköpfen befinden
müssen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine fragmentarische perspektivische Explosionsansicht, die einen
Patronenfiltrierdruckbehälter
mit seinem Endverschluss zeigt, welcher verschiedene Merkmale der
Erfindung verkörpert.
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2 ist
eine Schnittansicht durch eine hergestellte röhrenförmige Schalenanordnung für den Druckbehälter in 1,
wie sie auf einem geeigneten Kern ausgebildet worden ist.
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3 ist
eine Schnittansicht ähnlich 2, nachdem
die röhrenförmige Schale
von dem Dorn getrennt worden ist und die Fabrikationseinsätze entfernt
worden sind.
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4 ist
eine Schnittansicht durch die röhrenförmige Schale ähnlich 3,
wobei jedoch der in 1 dargestellt Endverschluss
in dichtender Anordnung montiert ist, und wobei eine optionale Seitenstromkopplung
montiert ist.
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4A ist
eine vergrößerte fragmentarische Ansicht
eines Bereichs der 4, gekennzeichnet durch die
durchbrochene Kreislinie.
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5 ist
eine Ansicht ähnlich 1,
die einen Druckbehälter ähnlich dem
in 3 gezeigten darstellt, welcher eine alternative
Ausführungsform eines
Endverschlusses beinhaltet.
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6 ist
eine Schnittansicht durch die in 5 gezeigte
röhrenförmige Schale
mit montiertem Endverschluss, wobei Bereiche der Endverschlussanordnung
im Schnitt und andere vollständige
gezeichnet sind, und wobei eine optionale Seitenstromkopplung montiert
ist.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine alternative Ausführungsform
eines schraubenförmigen Verriegelungsrings
oder -bands zeigt, welcher in dem Druckbehälter der 1 bis 4A oder der 5 und 6 verwendet
werden kann.
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8 ist
eine Vorderansicht des schraubenförmigen Verriegelungsrings der 7.
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9 ist
eine Vorderansicht eines Handwerkzeugs für die Verwendung beim Entfernen
des schraubenförmigen
Verriegelungsrings der 7 aus einem Druckbehälter mit
an seinem Platz angeordnetem Endverschluss.
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10 ist
eine rechtsseitige Ansicht des in 9 dargestellten
Werkzeugs.
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11 ist
eine perspektivische Ansicht des in den 9 und 10 dargestellten
Werkzeugs.
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12 ist
eine vergrößerte fragmentarische Ansicht ähnlich 4A,
die den gleichen Bereich des Druckbehälters mit dem montierten Endverschluss zeigt,
wobei der alternative schraubenförmige
Verriegelungsring der 7 sich an seiner Stelle befindet.
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13 ist
eine Ansicht, im Allgemeinen im Schnitt, jedoch mit dem vollständig dargestellten Werkzeug,
eines fragmentarischen Bereichs des Druckbehälters und der Endverschlussanordnung aus 12,
wobei das Werkzeug in der Entfernungsstellung eingesetzt ist, vor
seiner Drehung, um das Entfernen des montierten Verriegelungsrings
der 7 zu beginnen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den 1 bis 4 ist eine verbesserter Druckbehälter 11 dargestellt,
der eine separate, entfernbare Endverschlussanordnung 13 beinhaltet,
der einen Vollbohrungszugang bietet, um das Einsetzen von zylindrischen
Filtrierpatronen und ähnlichem
darin zu ermöglichen.
Daher ist der Druckbehälter
gut geeignet für
die Verwendung mit allen zylindrischen Patronen, die für die druckbetriebene
Filtrierung angepasst sind, beispielsweise Kreuzstrom-Filtrierpatronen,
die aus Anordnungen von spiralförmig
gewickelten Blättern
aus semipermeabler Membran bestehen. Der Druckbehälter 11 ist
auch gut geeignet für
die Verwendung bei direkten oder Todend-Druckfiltrierbehandlungen,
unter Verwendung von Filterbeuteln, Filterpatronen oder anderen äquivalenten Paketen
von Filtermedien. Der Druckbehälter 11 beinhaltet
eine längliche
röhrenförmige Schale 15,
welche zumindest ein offenes Ende hat, in welchem sich die Verschlussanordnung 13 befindet,
um den Druckbehälter
zu der Atmosphäre
hin abzudichten und das Aufrechterhalten von überatmosphärischen Drücken von beispielsweise eintausend
Psi oder mehr zu ermöglichen,
die verwendet werden müssen,
um Separationen oder andere Filtrierungen effizient durchzuführen. Weil
ein solcher Vollbohrungszugang vorgesehen ist, kann eine rechte
kreisförmige
zylindrische Filtrierpatrone mit einem Durchmesser, der geringfügig kleiner
ist als die Bohrung der länglichen
röhrenförmigen Schale 15,
einfach gleitend darin eingesetzt werden oder daraus herausgezogen
werden durch das offene Ende, das in 1 gezeigt
ist. Das gegenüberliegende
Ende (nicht dargestellt) der röhrenförmigen Schale
kann einfach ein Duplikat des Endes sein, das dargestellt ist, so
dass eine solche zylindrische Patrone mit kreisförmigem Querschnitt durch beide
Enden hindurch eingesetzt werden kann. Alternativ kann das andere
Ende eine unterschiedliche Art von Endverschluss haben, oder es
kann einfach ein blindes Ende sein, d.h. vollständig geschlossen sein, indem
es mit einer flachen Endwand oder einer integralen Kuppel oder ähnlichem
ausgebildet ist, wie es auf diesem technischen Gebiet wohlbekannt
ist.
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Die
röhrenförmige Schale 15 kann
aus jedem geeigneten Material sein, das die Festigkeit und Stabilität hat, dem
gewünschten überatmosphärischen Druck
zu widerstehen, dem der Druckbehälter
unterzogen werden soll. Beispielsweise könnte die röhrenförmige Schale aus einer geeigneten
Metalllegierung, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder einer anderen
korrosionsresistenten Legierung sein. Sie könnte auch aus bearbeitetem
Thermoplastik sein, welches gegossen oder auf andere Art und Weise geeignet
gestaltet werden kann, abhängig
wiederum von dem Druck, den auszuhalten sie ausgestaltet ist. Vorzugsweise
besteht die röhrenförmige Schale 15 aus
einem faserverstärkten
polymerischen Kunstharzmaterial; beispielsweise kann kunstharzverstärktes Glas
oder anderes synthetisches Filamentmaterial, wie beispielsweise
Karbonfasern, verwendet werden. Solche Fasern werden mit einem geeigneten härtbaren
polymerischen Kunstharz imprägniert,
wie beispielsweise einem Polyester, einem Vinylester, einem Polyurethan,
einem Epoxy oder einem vergleichbaren in Wärme aushärtenden Kunstharz. Am stärksten bevorzugt
wird die Verwendung eines Epoxykunstharzes, wie es auf diesem Gebiet
wohlbekannt ist, und die Herstellung der röhrenförmigen Schale 15 wird
durchgeführt
durch geeignetes Wickeln von mehreren Strängen aus kontinuierlichen Glasfasern
um einen Dorn 17 herum, welche Fasern dazu gebracht werden,
durch ein Bad aus flüssigem Epoxykunstharzmaterial
hindurchzutreten, welches einen geeigneten Härter beinhaltet, der das Aushärten als
Ergebnis des Ablaufs von Zeit und/oder der Anwendung von Hitze fördert, wie
es jeweils auf diesem Gebiet wohlbekannt ist.
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3 zeigt
die röhrenförmige Schale 15 in ihrer
endgültigen
Form; sie hat einen Hauptkörperabschnitt 19 mit
im Wesentlichen konstantem Inneren und äußerem Durchmesser und daher
mit einer gleichmäßigen Wanddicke.
Zumindest ein Ende, der röhrenförmigen Schale
hat einen Kugelabschnitt 21 mit größerem Durchmesser, der integral
mit dem Hauptkörper 19 verbunden
ist; dieser Glockenabschnitt hat fest darin eingebettet ein ringförmiges Element 23,
welches mit der Endverschlussanordnung 13 im wechselseitigen
Eingriff steht. Das ringförmige Element 23 besteht
vorzugsweise aus einer Metalllegierung, beispielsweise Kohlenstoffstahl
oder rostfreiem Stahl, oder aus einem geeigneten Kompositmaterial
mit einer adäquaten
Strukturfestigkeit und Stärke.
Das ringförmige
Element hat eine radial innere Oberfläche 25, welche ein
Abschnitt eines kreisförmigen
Zylinders ist, der koaxial mit der Bohrung mit dem kreisförmigen Querschnitt
durch den Hauptkörper 19 hindurch
ist, welche Oberfläche 25 von
einer zentralen Nut 27 unterbrochen ist. Die Nut 27 hat eine
zylindrische Basisfläche 29,
welche auch koaxial mit dem Hauptdurchgang durch die röhrenförmige Schale
hindurch ist, und sie hat ein Paar von flankierenden Seitenwänden 31.
In der inneren Oberfläche des
Glockenabschnitts 21 ist an einer Stelle unmittelbar angrenzend
an das ringförmige
Element 23 und axial einwärts dieses Elements eine flache
Nut 33 ausgeformt, welche einen Sitz für einen Dichtungsring bildet,
wie er im Folgenden beschrieben wird.
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Die
Herstellung des röhrenförmigen Schalenbereichs
des Druckbehälters
ist schematisch in 2 dargestellt, wenn die bevorzugte
Konstruktion verwendet wird des Ausbildens der röhrenförmigen Schale aus Strängen aus
kontinuierlichem Fasermaterial, das mit einem aushärtbaren
polymerischen Kunstharz imprägniert
ist. Abhängig
von der Länge der
Druckbehälter
können
mehrere röhrenförmige Schalen
in Ende-zu-Ende-Beziehung
auf dem gleichen Dorn hergestellt werden. Weil die radial innere Fläche 25 des
ringförmigen
Elements 23 einen geringfügig größeren Durchmesser hat als die
Bohrung durch den Hauptkörper 19 hindurch,
welche durch die äußere Fläche des
Dorns 17 definiert wird, ist ein dünner Abstandshalter 34 auf
dem Dorn vorgesehen, um das ringförmige Element 23 koaxial
an der gewünschten
Stelle in der Nähe
des äußersten
Endes dessen zu positionieren, was die röhrenförmige Schale werden wird. Eine
erweiterbare, kostengünstige,
thermoplastische Hülse
wird vorzugsweise verwendet, welche lang genug sein kann, um ein
ringförmiges
Element 23 für
die nächste
röhrenförmige Schale
zu stützen,
die auf dem gleichen Dorn ausgeformt wird, oder stattdessen kann
auch eine flexible Lage aus thermoplastischem Material um das Dorninnere
des ringförmigen
Elements herumgewickelt werden. Um einen inneren Hohlraum mit präziser Gestalt
zu bilden, wird ein röhrenförmiger Opfereinsatz 35 verwendet,
welcher einen inneren Durchmesser hat, der gleich dem äußeren Durchmesser
des Dorns 17 ist, und eine äußere Oberflächenkonfiguration, welche das
Komplementäre
der inneren Oberfläche eines
Hohlraums 37 ist, den sie in der endgültigen röhrenförmigen Schale 15 ausbilden
wird. In der dargestellten Ausführungsform
bildet die Ausbildung des Hohlraums den Glockenabschnitt 21.
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Der
Opfereinsatz 35 ist vorzugsweise aus einem geeigneten thermoplastischen
Material, beispielsweise Polypropylen, spritzgegossen, welches Oberflächenmerkmale
hat, an welchen das polymerische Kunstharz nicht anhaftet, und der
Opfereinsatz 35 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass er
relativ einfach entfernt werden kann nach dem Aushärten, um die
Herstellung der röhrenförmigen Schale
zu vervollständigen.
Um das Entfernen zu vereinfachen, kann beispielsweise ein einzelner
Schlitz, der sich diagonal in radialer Richtung erstreckt, vorgesehen
sein, der sich für
die gesamte Länge
des Einsatzes erstreckt, und ein solcher Schlitz kann direkt vor
der äußeren Oberfläche enden,
um so eine zerbrechliche Brücke
zu belassen. Eine solche Konstruktion würde es ermöglichen, den Einsatz durch
Einwärtsquetschen
zu entfernen, so dass er einen geringeren Außendurchmesser hat. Alternativ
könnten
mehrere radiale Schlitze oder andere beabstandete Einkerbungen oder
Kerben vorgesehen sein, die zerbrechliche Brücken an der Oberfläche belassen,
wobei der Opfereinsatz dann relativ leicht in mehrere, beispielsweise
4 oder 5, Abschnitt zerbrochen werden könnte, welche einzeln durch
das benachbarte offene Ende herausgezogen werden könnten. In 2 ist
eine solche Kerbe 36 in der Nahe des Bodens dargestellt, welche
in der inneren Oberfläche
ausgeformt ist und welche vor der äußeren Oberfläche endet,
so dass sie eine zerbrechliche Brücke 36a belässt. An
der äußeren Oberfläche des
Opfereinsatzes 35 ist ein sich nach auswärts erstreckender
ringförmiger
Flansch an deren rechtem Ende ausgeformt, wie in 2 dargestellt,
der die flache Nut 33 in der inneren Oberfläche des
Glockenabschnitts unmittelbar neben dem ringförmigen Element 23 bilden
würde.
Wenn gewünscht,
könnte
der Abstandshalter 34 integral als Teil des Opfereinsatzes 35 geformt
werden; die Einfachheit der Ausgestaltung ist jedoch so, dass die dargestellte
Verwendung eines separaten dünnen röhrenförmigen Abstandshalters
eventuell bevorzugt wird.
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Mit
dem Abstandshalter 34, dem ringförmigen Element 23 und
dem Opfereinsatz 35 an ihren Stellen auf dem Dorn wird
das Umwickeln der Dornanordnung mit mit Kunstharz imprägnierten
kontinuierlichen Fasern, wie beispielsweise mit Epoxykunstharz imprägnierten
Strängen
aus kontinuierlichen Glasfasern, durchgeführt, und zwar unter Verwendung
von bekannten Techniken, um eine Auflage oder Anordnung zu bilden,
wie sie im Allgemeinen in 2 dargestellt
ist. Bei der Vervollständigung
des Umwickelns, um einen röhrenförmigen Körper mit
gewünschter
Wanddicke zu bilden, wird ein Aushärten durchgeführt, wie
beispielsweise durch Erhitzen auf eine Temperatur von ungefähr 100–150°C für ungefähr 3 bis
6 Stunden, um das Epoxykunstharz bis zu einer Härte auszuhärten, wie es in dieser Technik wohlbekannt
ist.
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Statt
die kunstharzimprägnierten
Glasfilamente direkt auf die Oberfläche des Matalldorns 17 zu
wickeln, könnte
auch zunächst
ein dünnes
röhrenförmiges Abstandsstück (nicht
gezeigt) auf den Dorn gepasst werden, welches Abstandsstück ein integraler
Teil der übrigen
röhrenförmigen Schale
werden würde,
wie es in dieser Technik wohlbekannt ist. Solche Abstandsstücke bestehen
normalerweise aus thermoplastischen Materialien, wie beispielsweise Polyethylen,
welche vorzugsweise eine Oberflächenkonfiguration
haben, um eine Verbindung mit dem polymerischen Kunstharz zu fördern, das
zum Imprägnieren
des Filamentmaterials verwendet wird.
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Anschließend an
das Aushärten
und das Entfernen von dem Dorn wird die Endfläche 38 getrimmt. Das
Trimmen schafft eine glatte Endfläche 38 und kann durchgeführt werden
durch Durchschneiden der röhrenförmigen Schalenanordnung
und der Hülse 34,
um gleichzeitig benachbarte röhrenförmige Schalen
zu trennen. Die Hülse 34 wird
dann zurückgezogen,
und der Opfereinsatz 35 wird unter Verwendung eines geeigneten
Werkzeugs entfernt. Beispielsweise könnten Treibschrauben radial
in die innere Oberfläche
des Einsatzes eingesetzt werden, so dass eine Kraft aufgebracht
werden kann, die alle vorhandenen zerbrechlichen Brücken zerbrechen wird,
oder alternativ könnte
ein Paar solcher Treibschrauben in flankierender Beziehung zu einem
diagonalen Schlitz eingesetzt werden, so dass diese zusammenpassenden
Enden zusammengequetscht wurden, wobei effektiv eine Oberfläche auf
die andere geschoben wird, um den Außendurchmesser des Einsatzes
zu senken, um so das Herausziehen des Einsatzes durch das benachbarte
offene Ende der röhrenförmigen Schale
zu ermöglichen.
Die entstehende hergestellte röhrenförmige Schale 15 hat
das in 3 dargestellte Erscheinungsbild, welches eine Vollbohrungsöffnung bietet,
d.h. der Durchgang durch das offene Ende hat einen Durchmesser,
der gleich oder geringfügig
größer ist
als der Durchmesser der länglichen
Bohrung des Hauptkörperabschnitts 19 des
Druckbehälters.
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Wie
in den 1 und 4 zu sehen ist, beinhaltet die
Endverschlussanordnung einen zweistückigen Kopf in Form eines kuppelförmigen Metallelements 39 sowie
eine dazu passende Sicherungs- oder Flächenplatte 41. Das
kuppelförmige
Element 39 hat eine konvexe äußere Oberfläche 43, welche durch
das Innere eines elastomerischen Dichtungsrings 45 mit
ringförmiger
Gestalt und rechteckigem Querschnitt hindurch steht, welcher in
der flachen Nut 33 in dem ringförmigen Element sitzt und darin zurückgehalten
ist. Das kuppelförmige
Element 39 hat in seinem Scheitel eine zentrale Öffnung 47,
welche in seiner operativen Umgebung konzentrisch mit der axialen
Mittellinie der Bohrung der röhrenförmigen Schale positioniert
ist. Die Sicherungsplatte 41 beinhaltet ein Hauptplattenelement 49,
eine sich rückwärts oder
einwärts
erstreckende röhrenförmige Bosse 51 und
mehrere Versteifungsrippen 53, beispielsweise 4,
die in Abständen
von 90° um
die Bosse herum angeordnet sind. Die äußere Umfangskante des Hauptplattenelements 49 passt
genau in das Innere des kuppelförmigen
Elements 39, und das linksseitige freie Ende der röhrenförmigen Bosse 51, wie
in 4 gezeigt, liegt gegen die innere konkave Fläche des
kuppelförmigen
Elements in umgebender Beziehung zu der zentralen Öffnung 47 an.
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Ein
röhrenförmiger Verbinder 55,
welcher eine elastomerische Dichtung 57 trägt und welcher ein äußeres Ende 59 mit
Außengewinde
hat, erstreckt sich durch die zentrale Öffnung 47 und die röhrenförmigen Bosse 51 hindurch;
er verbindet die Sicherungsplatte 41 mit dem kuppelförmigen Element 39 bei
der Montage einer sechseckigen Gewindemutter 61, welche
ein Innengewinde hat, das mit dem Außengewinde an dem vorderen
oder äußeren Ende 59 des
röhrenförmigen Verbinders 55 zusammenpasst.
Durch Festziehen der Gewindemutter 61, so dass sie gegen
eine Außenfläche 63 der
Sicherungsplatte 41 gepresst wird, wird die elastomerische Dichtung 59 komprimiert,
und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
wird zwischen dem röhrenförmigen Verbinder 55 und
dem kuppelförmigen
Element 39 erzeugt. Der röhrenförmige Verbinder 55 hat
einen Durchgang 65, der sich axial dort hindurch erstreckt und
für einen
Flüssigkeitsstrom
zentral durch den Endverschluss hindurch sorgt, entweder in das
Innere des Druckbehälters
hinein oder daraus heraus. In diesem Zusammenhang kann der Verbinder 55 mit einer
vorderen Gewindeaufnahme 67 ausgeformt sein, die Standardröhrengewinde
hat, um eine Armaturverbindung zu erleichtern, und mit einer hinteren Aufnahme 69,
die dazu ausgestaltet ist, eine elastomerische Dichtung zu tragen
und einen Hahn, der von einem Ende einer Filtrierpatrone hervorsteht, gleitend
aufzunehmen, jeweils ausgerichtet an der jeweiligen Mittellinie.
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Das
dargestellte kuppelförmige
Element 39 hat eine allgemein abgeflachte sphäroide Gestalt, vorzugsweise
ellipsoid; es könnte
jedoch alternativ auch eine halbkugelförmige Gestalt haben, wenn dies
gewünscht
ist. Die abgeflachte sphäroide
Gestalt, die dargestellt ist, ist jedoch bevorzugt, wobei die zentrale Öffnung 47 sich
bei dem Pol befindet. Die äußere konvexe
Fläche 43 des
kuppelförmigen Elements
endet in ihrem Außenumfang
in einer kreisförmigen
Kante 71, welche an dem rechten oder axial äußeren Ende
in der dargestellten operativen Anordnung liegt. Die Kante 71 ist
mit einem ringförmigen Flansch
versehen, der sich radial auswärts
von dem Rest der Außenfläche her
erstreckt und eine einwärts weisende
Schulter 73 bildet, wie dies am besten in 4A zu
sehen ist. Ein zylindrischer Übergangsstreifen 75 trennt
vorzugsweise die Kante 71 von dem konvexen Hauptbereich
der Außenfläche. Obwohl
die sphäroide
Oberfläche
sich bis zur Schulter 73 fortsetzen kann, ist der zylindrische
Streifen 75, der vorzugsweise eine Breite hat, die ungefähr gleich der
Breite des Dichtungsrings 45 ist, bevorzugt.
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Die
relative Proportion der Komponenten ist so, dass, wenn der elastomerische
Dichtungsring 45 mit dem rechteckigen Querschnitt in der
flachen Nut 33 in der röhrenförmigen Schale
montiert wird, dessen Außenumfang
fest in der Nut sitzt, und obwohl er flexibel ist, hat er eine ausreichende
strukturelle Definition, um gegen eine axiale Verschiebung Widerstand
zu leisten, so dass er in seiner Position in der flachen Nut verbleibt,
wenn die zweistückige
Kopfanordnung eingesetzt wird. Der elastomerische Dichtungsring 45 ist
eine drehgeschnittene Dichtung mit im Allgemeinen viereckigem Querschnitt,
hergestellt aus einem synthetischen Elastomer, wie beispielsweise
Ethylenpropylengummi oder Nitrilgummi, mit einem Durometer von zumindest
ungefähr
70, welches natürlich
sowohl dehnbar als auch kompressibel ist. Sein äußerer Durchmesser ist so, dass
seine äußere zylindrische
Oberfläche
sich innerhalb der flachen Nut 33 ohne Schwierigkeiten
drehen kann, und sein Innendurchmesser ist geringfügig kleiner
als der Außendurchmesser
des zylindrischen Übergangsstreifens 75 an
der Außenfläche des
Elements 39, beispielsweise um ungefähr 0,028–0,04 Inch (0,071–0,102 cm).
Als Ergebnis dieser Proportionierung dient, wenn der Kopf montiert
wird, die konvexe abgeflachte sphäroide Oberfläche 43 als
Einführfläche, welche
eine sanfte Ausdehnung der Innenfläche des Dichtungsrings 45 mit
dem rechteckigen Querschnitt verursacht, wenn die relative Axialbewegung geschieht,
und wenn das Einführen
vollendet ist, so dass der Dichtungsring 45 mit dem zylindrischen Übergangsstreifen 75 ausgerichtet
ist, ist die Dichtung zwischen dem Streifen 75 und der
Basis der flachen Nut 33 komprimiert worden. Vorzugsweise
beträgt
diese Kompression zwischen ungefähr
7% und ungefähr
20% der Querschnittsdicke in radialer Richtung, was zu einer exzellenten
flüssigkeitsdichten Abdichtung
zwischen dem Äußeren des
kuppelförmigen
Elements 39 und der Innenfläche der röhrenförmigen Schale 15 führt. In
dieser Position kann die Schulter 73 gegen die Seitenfläche des
Dichtungsrings 45 anstoßen, welche als Anschlag dient, über welchen
hinaus der Kopf nicht weiter eingeführt werden kann.
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Wenn
der Kopf vollständig
eingesetzt worden ist, ist die Anordnung so, wie sie allgemein in 4 dargestellt
ist, wobei eine Schulter 77 in der Außenfläche 63 der Sicherungsplatte 41 vorgesehen ist,
welche eine ringförmige
Umfangskerbe erzeugt, die mit der zentralen Nut 27 in dem
ringförmigen
Element 23 ausgerichtet ist, um eine Tasche zu erzeugen,
welche dazu ausgestaltet ist, einen Verriegelungsring 79 aufzunehmen,
der einen wechselseitigen Eingriff zwischen dem Kopf und der röhrenförmigen Schale
bewirkt, um den Kopf in seiner abdichtenden Orientierung zurückzuhalten.
Verschiedene unterschiedliche Verriegelungsringe, wie sie auf diesem Gebiet
bekannt sind, können
verwendet werden, welche in der zentralen Nut 27 sitzen
werden und sich radial einwärts
im Bereich der Tasche ausweiten werden, um so gegen die Außenfläche 63 des
Kopfes anzustoßen
und daher eine axiale Auswärtsbewegung
des Kopfes zu verhindern, wobei dieser effektiv in der geschlossenen
Position verriegelt wird. Beispielsweise kann ein einfacher Schnappring
verwendet werden, oder ein segmentierter Ring könnte verwendet werden, wie
er gegenwärtig
bei Druckfiltrierbehältern
verwendet wird. Vorzugsweise wird jedoch ein schraubenförmiger Verriegelungsring 79,
wie er am besten in 1 zu sehen ist, verwendet, welcher die
Form eines flachen Bandes mit rechteckigem Querschnitt aus federartigem
Material hat, und der zumindest ungefähr zwei vollständige Umdrehungen zwischen
dem inneren und dem äußeren Ende
beinhaltet. Das äußere Ende
hat einen aufwärtsstehenden
Bereich oder ein Endstück 81,
um ein einfaches Entfernen zu erleichtern; das äußere Ende könnte jedoch alternativ auch
einfach geöffnet
oder eingekerbt sein. Der aufwärtsstehende
Bereich 81 wird vorzugsweise ausgestaltet, indem die Breite
des Endes des Bandes reduziert und das Ende des Bands um 90° gebogen
wird. Vorzugsweise hat der Verriegelungsring 79 drei Umdrehungen
und endet in einem aufwärtsstehenden
Bereich 81, der sich axial auswärts in einer Richtung parallel
zur Mittellinie des Durchgangs des röhrenförmigen Elements erstreckt.
Der Verriegelungsring kann aus einem Band aus federartigem Material,
wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder einer anderen geeigneten
federartigen Metalllegierung oder einem Faserkompositmaterial oder ähnlichem
bestehen.
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Der
Verriegelungsring 79 ist so ausgestaltet, dass er einen
Außendurchmesser
hat, der ungefähr gleich
dem Innendurchmesser der Basis 29 der Nut ist, und seine
federartigen Eigenschaften ermöglichen
es, seine Umdrehungen voneinander zu trennen, wie in 1 dargestellt.
Demzufolge wird die Montage des Verriegelungsrings 79 einfach
bewirkt durch Einsetzen des inneren Endes in die zwischen der Basis 29 der
Nut 27 und der Schulter 77 ausgebildete Tasche,
und durch anschließendes
Bewegen des Rings um 360° für jede Umdrehung,
bis der gesamt Verriegelungsring in der Nut sitzt, wie in 4 dargestellt,
wobei sich der zylindrische Bereich 81 axial auswärts in Richtung
des offenen Endes erstreckt. Es wird deutlich, dass der Verriegelungsring 79 im
Wesentlichen die gesamte Nut ausfüllt und in dieser Position
die Auswärtsbewegung
des zweistückigen
Kopfes verhindert, indem er einen Anschlag bildet, welcher sich
radial in den Durchgang erstreckt und gegen welchen die äußere Fläche 63 des
Kopfes anstößt, wenn
das Innere des Druckbehälters
einem überatmosphärischen
Druck ausgesetzt wird. Wie aus 4 deutlich
wird, beträgt
die axiale Tiefe der durch die Schulter 77 erzeugten ringförmigen Kerbe, die
die radial innere Hälfte
der Tasche bildet, weniger als die axiale Breite der Nut 23,
und zwar um einen Betrag, der ungefähr gleich der Dicke einer Umdrehung
des Bandes aus federartigem Material ist. Daher verhindert die Schulter 77 nicht
das Herausziehen der äußersten
Umdrehung des Verriegelungsrings 79, welches bewirkt wird
durch Ergreifen des Bereichs 81 und Bewegen dieses Bereichs
radial einwärts.
Außerdem
kann ein solches Herausziehen erleichtert werden durch die Verwendung
eines Werkzeugs mit einem Körper
mit rechter zylindrischer kreisförmiger
Gestalt, der von einem Griff herunterhängt, wobei die Arbeitsendfläche des
Werkzeugs eine exzentrisch angeordnete Öffnung hat, welche den aufrechtstehenden
Bereich 81 aufnehmen würde;
beim Drehen eines solchen Werkzeugs um 180° würde die Eingriffswirkung des
Werkzeugs gegen die Innenfläche
des ringförmigen
Elements 23 das äußere Ende
des Verriegelungsrings sanft aus der Tasche herausziehen, so dass
der Ring dann manuell auswärts
bewegt werden könnte,
indem der Montagevorgang umgekehrt wird, d.h. indem die drei 360°-Umdrehungen
manuell um die Öffnung
herum geführt wurden.
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Es
sollte jedoch deutlich sein, dass ein solches Herausziehen nur dann
möglich
ist, wenn sich die Verschlussanordnung in einer "ungeladenen" Position befindet (wie in 4 gezeigt),
wobei die Ausgestaltung der Tasche eine solche radial einwärtige Auslenkung
des schraubenförmigen
Bandes an der Schulter 75 vorbei ermöglicht. Wenn beispielsweise ein
Arbeiter versuchen würde,
den Verriegelungsring 79 versehentlich zu entfernen, wobei
er fälschlicherweise
annimmt, dass der Druckbehälter
nicht unter Druck steht, obwohl sich tatsächlich ein überatmosphärischer Druck in dem Behälter befindet,
würde er davon
abgehalten werden. Es würde
eine axiale Auswärtskraft
auf dem Kopf lasten, die dazu tendieren würde, die Außenfläche 63 der Sicherungsplatte 41 nach
rechts zu bewegen, und eine solche Bewegung würde so weit auftreten, wie
sie durch den Verriegelungsring ermöglicht würde. Als Ergebnis einer solchen
axialen Auswärtsbewegung
des Kopfes würde die
Schulter 77 nach rechts in 4 versetzt
und würde
dazu führen,
dass sich die radial innere Hälfte der
Tasche in der axialen Tiefe reduziert, wenn die Umdrehungen des
Verriegelungsrings entfernt würden,
und wenn die äußerste Umdrehung
des Rings herausgezogen wäre,
wurde die Schulter 77 die verbleibenden zwei Umdrehungen
in der Tasche festsetzen und dann positiv ein weiteres Herausziehen
des Verriegelungsrings verhindern. Demzufolge würde ein Arbeiter positiv daran
gehindert, den Ring versehentlich aus einem unter Druck stehenden
Behälter zu
entfernen, was sonst nämlich
möglicherweise
zu dem Herausschießen
des Kopfes als Projektil aus dem offenen Ende der röhrenförmigen Schale
führen könnte.
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Insgesamt
wird deutlich, dass es mehrere signifikante Vorteile gibt, die sich
aus dieser neuartigen Endverschlussanordnung ergeben.
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Die
Ausbildung des Rückhaltesitzes
in der Innenfläche
der röhrenförmigen Schale 15 ermöglicht es,
den Dichtungsring 45 mit dem rechteckigen Querschnitt mittels
der röhrenförmigen Schale
zu tragen, wobei vorher bei solchen Druckbehältern mit Vollbohrungszugang
diese wichtige Dichtung im Allgemeinen von dem entfernbaren Kopf
getragen worden war. Die vorliegende alternative Anordnung hat einen signifikanten
Vorteil insofern, dass sie eine beträchtliche Breite bei der Ausgestaltung
des Kopfes ermöglicht
und die Verwendung von ökonomischeren
Kopfgestaltungen bei solchen Endverschlussanordnungen erlaubt. Bei
der dargestellten Ausführungsform ist
die Verwendung eines zweistöckigen
Kopfes in Form eines geflanschten und gewölbten Elements 39 beispielsweise
aus 1/16 Inch (0,16 cm) dickem rostfreiem Stahl in Kombination mit
einer spritzgegossenen, gerippten Sicherungsplatte 41 aus
ABS oder einem ähnlichen
thermoplastischen Material möglich, anstelle
eines herkömmlicheren,
9/32 Inch (0,71 cm) dicken plattenartigen Kopfes aus einer Metalllegierung
für einen
4 Inch (10,2 cm) Druckbehälter,
der für den
Betrieb bei internen Drücken
bis zu ungefähr
300 Psi (21,1 kg/cm')
ausgestaltet ist. Obwohl rostfreier Stahl bevorzugt werden könnte, können auch
andere Materialien für
das Element 39 verwendet werden. Beispielsweise kann auch
Karbonstahl verwendet werden, der mit einer Feuchtigkeitsbarriere
beschichtet ist oder mit einer Membran aus einer thermoplastischen
Folie, beispielsweise PVDF oder Polyethylen, verkleidet ist, oder
das Element 39 kann aus einer Lage aus faserverstärktem Kompositmaterial
gebildet werden.
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Zusätzlich zu
dem Schaffen eines Vollbohrungszugangs zu dem Druckbehälter und
eines Sitzes für
den Dichtungsring 45 schafft der Hohlraum 37 in
dem Glockenabschnitt 21 auch Raum, um die einfache Montage
von Seitenkopplungen für
eine röhrenförmigen Schale 15 aus
faserverstärktem
polymerischem Kunstharz zu schaffen, ohne den gewünschten
Vollbohrungszugang zu beeinträchtigen.
In der dargestellten Ausführungsform
ist eine querverlaufende Öffnung 83 in
der Seitenwand des Glockenabschnitts 21 gebohrt oder anderweitig
geeignet ausgebildet. Wenn gewünscht,
kann die Öffnung 83 einfach mit
einem Gewinde versehen sein, da das faserverstärkte Epoxykunstharz ein Rohrgewinde
adäquat stützen wird,
so dass ein Rohranschluss einfach in die mit einem Gewinde versehene Öffnung hineingeschraubt
werden kann. Aufgrund der wesentlichen radialen Tiefe des Hohlraums 37 kann
das Gewindeende eines solchen Rohranschlusses in die röhrenförmige Schale
in diesem Bereich ausreichend weit eintreten, um eine sichere Verbindung
zwischen den zusammenpassenden Gewinden sicherzustellen, ohne mit
der axialen Einwärts-
oder Auswärtsbewegung
einer Filtrierpatrone oder ähnlichem
zu interferieren. Vorzugsweise wird jedoch eine separate Standardkopplung 85 verwendet,
welche durch die querverlaufende Öffnung 83 von innen
her eingesetzt wird, indem sie von dem offenen Ende der röhrenförmigen Schale
her nach einwärts
reicht, so dass sie durch die Seitenwand hindurch nach außen hervorsteht.
Die Kopplung 85 hätte
einen Endflansch 87, der eine elastomerische Dichtung 89 trägt und der
an seiner Stelle gehalten würde
mit der gegen die innere Seitenwand komprimierte Dichtung, und zwar
durch die Montage eines Schnapprings 91 mit herkömmlicher
Ausgestaltung in einer für
diesen Zweck im Äußeren der
Kopplung vorgesehenen Nut. Der Hohlraum 37 hat einen breiten
Zwischenraum für
den Flansch 87 und die elastomerische Dichtung 89 und bietet
daher eine exzellente Lösung
für das
lange bestehende Problem, ökonomisch
Seitenstrom-Fluiddurchgänge
in einen Druckbehälter
aus faserverstärktem
polymerischem Kunstharz vorzusehen, was bisher nicht wirklich kommerziell
möglich
war. Außerdem
kann diese Ausgestaltung zumindest zwei Kopplungen 85 an
einem Glockenabschnitt unterbringen, beispielsweise im Abstand von
90° oder 180°, was die
Verbindung solcher Druckbehälter
in einer parallelen Anordnung stark vereinfachen kann.
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In
den 5 und 6 ist eine alternative Ausführungsform
eines Druckbehälters
dargestellt, welcher eine röhrenförmige Schale 15 beinhaltet,
genauso wie die eben beschriebene, aber mit einer modifizierten
Endverschlussanordnung 97. Allgemein verwendet die Endverschlussanordnung 97 den
gleichen Dichtungsring 45 mit rechteckigem Querschnitt und
den gleichen schraubenförmigen
Verriegelungsring 79, verwendet aber einen plattenartigen
Stopfen 99 und einen röhrenförmigen Verbinder 101 mit
geringfügig
unterschiedlicher Gestalt und Erscheinung.
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Wie
vielleicht am besten in 6 zu sehen ist, hat der Stopfen 99 genauer
gesagt die Form einer relativ dicken Platte mit kreisförmiger Gestalt,
welche aus einem faserverstärkten
Kompositmaterial bestehen kann, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Epoxykunstharz,
mit PVDF, Polyethylen oder ähnlichem
verkleideten Aluminium, aus normalem Stahl, beschichtet oder verkleidet
wie zuvor erwähnt,
oder möglicherweise
sogar aus rostfreiem Stahl oder einer anderen geeigneten korrosionsresistenten
Metalllegierung. Der plattenartige Stopfen 99 ist so gestaltet, dass
er einen zentralen Flansch 103 mit einem Größendurchmesser
hat, der geringfügig
kleiner ist als der Durchmesser der radial inneren Fläche 25 des ringförmigen Elements 23.
Der Stopfen 99 hat eine äußere Fläche 105, welche mit
einer Schulter 107 versehen ist, die eine ringförmige Umfangskerbe schafft,
welche die Funktion der Schulter 77, zuvor beschrieben,
imitiert und in gleicher Weise eine Tasche mit der zentralen Nut 27 bildet,
um darin den schraubenförmigen
Verriegelungsring 79 zurückzuhalten. Die linksseitige
oder axial innere Fläche
des Stopfens, wie in 6 zu sehen, ist abgestuft, so dass
sie eine Oberfläche
mit geringfügig
kleinerem Durchmesser hat und eine Schulter 111 schafft,
die axial einwärts
zeigt. Die gestufte einwärtige
Fläche des
Stopfens 99 mündet
in einer Fase 113.
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Der
Stopfen 99 hat einen zentralen Durchgang 115,
der angesenkt sein kann, wie dargestellt, und der dazu ausgestaltet
ist, das äußere Ende
des röhrenförmigen Verbinders 101 aufzunehmen,
der dort hindurch hervorsteht. Eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
zwischen dem Stopfen 99 und dem röhrenförmigen Verbinder 101 wird
geschaffen mittels einer elastomerischen Dichtung 117,
welche in einer solchen Senke sitzt, und der röhrenförmige Verbinder ist gegen den
Stopfen 99 mittels eines Standard-Schnapprings 119 verriegelt,
der in einer Nut aufgenommen ist, die geeignet in der Außenfläche des
Verbinders direkt links seines äußeren Endabschnitts
vorgesehen ist, welcher mit einem Außenrohrgewinde 121 versehen
ist. Das innere Ende des röhrenförmigen Verbinders 101 ist
mit einer Aufnahme 123 ähnlich
der zuvor beschriebenen Aufnahme 69 ausgeformt, in welcher
eine elastomerische Dichtung oder ein elastomerischer O-Ring sitzen
wird und welche den Hahn vom Ende einer Filtrierpatrone oder ähnlichem
aufnehmen und abdichten wird, die operativ innerhalb der Bohrung
der röhrenförmigen Schale 15 positioniert
ist.
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Wenn
sich eine solche Filtrierpatrone (nicht dargestellt) einmal in ihrer
Stelle befindet, wird die Anordnung aus Stopfen und röhrenförmigem Verbinder 99, 101 axial
in das Ende der röhrenförmigen Schale 15 eingesetzt,
in welches der Dichtungsring 45 mit dem rechteckigen Querschnitt
zuvor eingesetzt worden war. Die angefaste Fläche 113 tritt in das
Innere des Dichtungsrings ein und führt dazu, dass er sich ausweitet, ähnlich dem
durch die konvexe ellipsoide Oberfläche 43 des zweistückigen Kopfes,
der zuvor beschrieben worden war, erzeugten Effekt. Der Dichtungsring 45 wird
genauso radial komprimiert, um eine exzellente flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen der äußeren Fläche des
Stopfens 99 und der inneren Fläche der röhrenförmigen Schale zu bilden. Die
aufrechtstehende, nach rückwärts weisende
Schulter 111 an der radial äußeren Fläche des Stopfens verhindert
eine weitere axiale Einwärtsbewegung
des Stopfens und hält
eine solche Bewegung mit der Schulter 107 auf, die die
ringförmige Kerbe
bildet, allgemein ausgerichtet mit der Nut 27, um die gewünschte,
zuvor beschriebene Tasche zu bilden. Als Teil eines solchen axialen
Einsetzens der Anordnung aus Stopfen und röhrenförmigem Verbinder tritt ein
Hahn am Ende einer Filtrierpatrone, die sich in der operativen Position
innerhalb des Druckbehälters
befindet, in das linksseitige Ende des röhrenförmigen Verbinders 101 ein
und wird dichtend in der Aufnahme 123 aufgenommen.
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Wenn
sich der Stopfen 99 in der Position befindet, wird der
Verriegelungsring 79 auf die gleiche Art und Weise wie
zuvor beschrieben montiert, indem zuerst das innere Ende in die
teilweise von der Nut 27 gebildete Tasche eingesetzt wird
und dann manuell einwärts
an dem federartigen Band gedrückt
wird, wobei drei 360°-Umdrehungen
geführt
werden, wobei die radial äußere Fläche des
Verriegelungsrings 79 gegen die innere zylindrische Fläche 25 des
ringförmigen
Elements 23 gleitet, bis das äußere Ende des Verriegelungsrings
schließlich
in seine Position einschnappt, so dass der Ring vollständig montiert ist,
wie in 6 dargestellt. In dieser Orientierung schafft
der Verriegelungsring die sich radial erstreckende Barriere, gegen
welche die äußere Fläche 105
im Bereich der Kerbe 107 unter Innendruck anstößt, was
eine axiale Auswärtsbewegung
des Stopfens verhindert und daher den Endverschluss an seiner Stelle
verriegelt. Die Dimensionierung der Tasche, wie zuvor beschrieben,
verhindert gleichzeitig ein versehentliches Entfernen der beiden
innersten Umdrehungen des Verriegelungsrings, solange das Innere
des Druckbehälters
unter überatmosphärischem
Druck steht. Eine einen Seitenstrom-Fluiddurchgang schaffende Kopplung 85 kann
ebenso in einem querverlaufenden Durchgang durch die Seitenwand
des Glockenabschnitts 21 der röhrenförmigen Schale eines Druckbehälters aus
faserverstärktem
polymerischem Kunstharz montiert werden.
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In 7 ist
eine alternative Ausführungsform eines
schraubenförmigen
Verriegelungsrings oder -bands 79a dargestellt, der im
Wesentlichen dem Verriegelungsring in 1 und 5 gleicht,
abgesehen davon, dass anstelle des axial hervorstehenden Bereichs 81 am äußeren Ende
des Verriegelungsrings 79a eine gerundete Kerbe 125 ausgeformt ist,
wie es am besten in 18 zu sehen ist.
Der Verriegelungsring 79a besteht ansonsten aus dem gleichen
federartigen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, und
ist auch gleich dimensioniert. Er wird auf die gleiche Art und Weise
wie der Verriegelungsring 79 montiert, und wenn er einmal,
wie in 12 dargestellt, montiert ist,
bietet die abgerundete Kerbe 125 eine Ausnehmung innerhalb
des äußeren Endes
des Verriegelungsrings.
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Um
das Entfernen des Rings, um den Endverschluss zu entfernen, zu erleichtern,
wird ein einfaches Werkzeug 131, das in den 9 bis 11 dargestellt
ist, vorgesehen. Das Werkzeug beinhaltet einen röhrenförmigen Zylinder 133,
der eine gebohrte Öffnung
hat, die durch sein oberes Ende hindurchtritt, und dessen unteres
Ende bearbeitet ist. Die Öffnung
am oberen Ende nimmt eine Stange 135 auf, die als Griff
für das
Werkzeug dient. Sein unteres Ende ist geschnitten und dann gebogen,
um einen Zeigefinger 137 zu schaffen, welcher allgemein
tangential zum Rest des röhrenförmigen Zylinders
ausgerichtet und mittels eines Schlitzes davon getrennt ist. Der
Verriegelungsring 79a kann einfach entfernt werden, indem
das Werkzeug, siehe 13, eingeführt wird, so dass sein unteres
Ende an der Fläche der
zentralen Umdrehung der Helix ruht, wobei der Zeigefinger 137 allgemein
gegen die äußere Spitze des
Verriegelungsrings anliegt. Eine Drehung des Griffs 135 im
Uhrzeigersinn führt
dazu, dass das Ende des Rings, verengt durch die abgerundete Kerbe,
in den Schlitz neben dem Finger 137 mit einem hörbaren Geräusch einschnappt.
Wenn sich der Finger an seiner Position und das Ende des Verriegelungsrings
in dem Schlitz befindet, bringt ein Ziehen des Werkzeugs allgemein
radial einwärts
das äußere Ende
des Rings mit sich. Wenn dieses Ende einmal frei ist, wird der Rest
des Rings manuell nach außen bewegt
aus der Tasche, wie im Fall des Verriegelungsrings 79.
Zusammengefasst kann gesehen werden, dass die Ausgestaltungen der
Endverschlussanordnung geeignet sind für die Verwendung mit Druckbehältern verschiedener
Gestalt, die aus einer Vielzahl von unterschiedlichen strukturellen
Materialien bestehen können.
Sie sind jedoch besonders vorteilhaft, um einen Vollbohrungszugang
zu Druckbehältern
zu schaffen, die für
die Verwendung bei der Druckfiltrierung vorgesehen sind, und vor
allem für die
Patronenfiltrierung, wobei zumindest eine zylindrische Patrone durch
ein offenes Ende in die Bohrung einer röhrenförmigen Schale eingesetzt werden
wird. Das Einsetzen eines elastomerischen Dichtungsrings, vorzugsweise
mit rechteckigem oder allgemein viereckigem Querschnitt, in die
Innenfläche
der röhrenförmigen Schale
ermöglicht
eine beträchtliche Breite
bei der Kopfausgestaltung und erleichtert die effiziente und ökonomische
Verwendung von geflanschten und gewölbten kuppelförmigen Köpfen. Solche
Köpfe,
die keine in sich zurückkehrenden Strukturen
haben, können
relativ kostengünstig
aus Metall oder Kompositmaterial ausgebildet werden, und sie können leicht
mit einer thermoplastischen Folie beschichtet oder ausgekleidet
werden, um den chemischen Widerstand zu verbessern, wie gewünscht. Außerdem erleichtert
eine solche glatte konvexe ellipsoide Fläche die einfache Montage des Endverschlusses,
indem sie eine graduelle Ausweitung des ringförmigen Dichtungsrings 75 sicherstellt, was
beides ein einfaches endgültiges
Einsetzen fördert
und die Sicherheit einer dichten Abdichtung zwischen dem Kopf und
der Innenfläche
der röhrenförmigen Schale.
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Außerdem ermöglicht es
die gesamte Ausgestaltung, welche einen schraubenförmigen Verriegelungsring
in Form eines flachen Bandes mit zumindest zwei Umdrehungen verwendet,
eine ausfallsichere Tasche auszubilden, welche positiv ein versehentliches
Entfernen eines solchen Verriegelungsrings verhindert, während der
Druckbehälter
unter einem hohen Innendruck steht. Außerdem ist das Design besonders
geeignet für
die Realisierung bei Druckbehältern
aus faserverstärktem
polymerischem Kunstharz, wobei ein geeigneter Hohlraum mit präziser Gestalt
und Dimension effizient innerhalb eines Glockenendes auf einem Dorn
durch Verwendung eines Opfereinsatzes ausgeformt werden kann. Dieses Herstellverfahren
bietet nicht nur einen Weg, effizient einen präzisen Sitz in der Innenfläche der
röhrenförmigen Schale
zum Rückhalten
des Dichtungsrings mit rechteckigem Querschnitt zu schaffen (was,
wie bereits erwähnt,
zu einer vorteilhaften Freiheit bei der Ausgestaltung des Kopfes
führt),
sondern es kann auch einen ringförmigen
Raum direkt innerhalb des Endverschlusses schaffen, welcher Seitenleitungsverbindungen
unterbringen kann, die bis jetzt bei Druckbehältern aus faserverstärktem polymerischem Kunstharz
schwierig zu realisieren waren. Solche Seitenflussverbindungen sind
besonders vorteilhaft für
die Verwendung in einer Kreuzstrom-Filtriereinrichtung, beispielsweise
bei umgekehrten Osmose-Separationsvorgängen, obwohl sie auch vorteilhaft
bei anderen Druckfiltriersystemen verwendbar sind.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, welche die Art und Weise zeigen, die die Erfinder
gegenwärtig
für die
beste zur Ausführung der
Erfindung halten, können
natürlich
verschiedene Veränderungen
und Modifikationen, die Fachleuten offensichtlich sind, durchgeführt werden,
ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen wird, der in den anliegenden
Ansprüchen
definiert ist. Beispielsweise kann, wie zuvor erwähnt, wenn
eine röhrenförmige Schale
aus faserverstärktem
polymerischem Kunstharz verwendet wird, sie mit einer dünnen inneren thermoplastischen
Auskleidung versehen werden, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist,
welche sich im Wesentlichen über
die gesamte Länge
der Schale erstreckt, und wenn gewünscht, kann diese Auskleidung
verwendet werden, um den abgesenkten Bereich und die flache Nut 33 zu
bilden, in welcher die Dichtung mit dem rechteckigen Querschnitt
sitzt, wobei die flache Nut in der Oberfläche der Auskleidung selbst
oder unmittelbar angrenzend an ihr Ende ausgebildet wird, wie gewünscht. Eine
Alternative zum Schaffen der flachen Nut 33 besteht auch
darin, das ringförmige
Element 23 zu erweitern und zu verdicken und eine solche
Nut in der wand eines abgesenkten Bereichs an einem Ende zu erzeugen.
Wenn der Druckbehälter
aus Metall oder einem geeigneten Kompositmaterial hergestellt ist,
können
die Nuten 27 und 33 natürlich auch in der Innenfläche ausgebildet
werden; eine solche Ausgestaltung hätte jedoch nicht die Wirtschaftlichkeit
der Herstellung, die sich bei der Verwendung eines ringförmigen Einsatzes
mit definierter Gestalt ergibt. Andererseits sollte es machbar sein,
den ringförmigen
Einsatz in Metallrohr rollzuformen, das den Körper des Druckbehälters bilden
würde.
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Obwohl
die dargestellten Köpfe
mit zentralen Durchgängen
dargestellt sind für
das Vorsehen eines Fluideinlasses oder -auslasses an der Mittellinie
des Endverschlusses, könnte
ein zusätzlicher
Fluiddurchgang auch außerhalb
der Mitte in dem Stopfen 99 beispielsweise vorgesehen sein.
Alternativ könnten
beide Köpfe
auch ohne Öffnungen
ausgestaltet sein und keinen Fluiddurchgang haben; als solche wären sie
nützlich
zum Verschließen
eines Endes eines Druckbehälters,
in welchem, wenn gewünscht, ein
Durchgang oder Durchgänge
optional in der Nahe dieses Endes durch Seitenkopplungen vorgesehen sein
könnten,
so wie die beschriebenen, die in querverlaufenden Öffnungen
durch die Seitenwand der Glockenendabschnitte hindurch sitzen. Wenn
ein stopfenartiger Verschlusskopf verwendet wird, könnte er
alternativ den Dichtungsring 45 tragen, obwohl dies nicht
bevorzugt ist.
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Außerdem könnten auch
einige andere Alternativen von Kopfkonstruktionen in der gesamten
Erfindung verwendet werden. Das kuppelförmige Element 39 könnte so
ausgestaltet sein, dass es mit einem geringfügig axial längeren Dichtungsbereich funktioniert
und mit der axial auswärts
weisenden konvexen sphäroiden
Oberfläche.
In einer solchen Modifikation könnte
statt einer gerippten Sicherungsplatte 41 ein ringförmiger Lagerring,
der gegen die konvexe Fläche
passen würde,
verwendet werden, um die Schulter zu schaffen, die die radial innere Hälfte der
Tasche für
den Verriegelungsring 79 definiert, und eine solche alternative
Version eines kuppelförmigen
Elements würde
die zylindrische Oberfläche,
an welcher der Dichtungsring erweitert würde, auf der gegenüberliegenden
Seite der Kante anordnen. Andere wechselseitige Eingriffsmittel
können auch
alternativ verwendet werden; beispielsweise könnte die Nut 27 verwendet
werden, um einen axialen Flansch oder Kragenbereich am Ende eines
für einmalige
Verwendung ausgestalteten kuppelförmigen Kopfes aufzunehmen.
Eine solche Nut könnte durch
ein separates ringförmiges
Element vorgesehen werden oder direkt in der Wand der Schale selbst,
wenn ein Betrieb bei niedrigem Druck in Betracht gezogen wird. Dieser
Kragen würde
gerollt oder anderweitig deformiert werden, beispielsweise durch
Kaltverformen, so dass er in der Nut sitzt (welche in ihrer Gestalt
geeignet modifiziert werden könnte,
um dies zu erleichtern), obwohl eine solche Konstruktion wahrscheinlich
das Zerstören
des kuppelförmigen
Kopfes mit sich bringen würde,
um ihn am Ende der Lebensdauer der Filtrierpatrone oder ähnlichem
zu entfernen.
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Besondere
Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.