CN105793019B - 用于制造压力容器的方法以及压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造压力容器(1)的方法，该压力容器尤其用于在机动车中储存氢气，其中，首先优选借助塑料吹塑成型法制造压力容器(1)的具有至少一个端帽(2、2’)的内衬(3)，并且然后在内衬(3)的外侧设置、优选编织具有加强纤维(8)的多层的加强层(9)。根据本发明在施加加强纤维(8)之前将纤维给料帽(10、10’)施加到端帽(2、2’)上，纤维给料帽的外表面与端帽(2、2’)的端部区域(21、21’)具有间隔，其中，在施加加强层(9)期间将加强纤维(8)施加到内衬(3)的本体上并且在端部区域(21、21’)中相应地施加到纤维给料帽(10、10’)的外表面上，使得由于在纤维给料帽(10、10’)的外表面和端帽(2、2’)的端部区域(21、21’)之间的间距，加强层(9)的由加强纤维(8)形成的内层在端部区域(21、21’)中设有纤维给料(22)。本发明的对象也包括相应制造的压力容器(1)。

Description

用于制造压力容器的方法以及压力容器
技术领域
本发明涉及用于制造压力容器(Druckspeicher,压力储罐)的方法，该压力容器尤其用于在机动车中储存氢气，
–首先优选借助塑料吹塑成型法制造压力容器的具有至少一个端帽(Polkappe,end cap)的内衬(Inliner)，并且
–然后在内衬的外侧设置、优选编织具有加强纤维的多层的加强层。
背景技术
这种方法例如由WO 2010/145795A2已知。用于在机动车中储存氢气的压力容器一方面必须在预先给定的结构空间中提供尽可能大的储存容积并且另一方面必须具有小的重量，以保证低的燃料消耗。此外，本身需要使这种压力容器还能够以具有竞争力的成本制造。
相比于例如由金属制成的氢气压力容器，具有由塑料制成的内衬的压力容器具有较轻重量的特征。但是为了能够保持在储存足够大的氢气量时所需的高的通常大约700bar的压力，通常必须使这种塑料内衬设有加强层。其例如通过缠绕或卷绕方法施加到内衬上。制造加强层的目的是在运行时使加强层的各个加强纤维尽可能地均匀地受到负荷，加强纤维例如可构造成碳纤维和/或玻璃纤维。以这种方式保证尽可能良好地利用加强纤维的机械负荷承受能力。因此，相比于纤维不均匀地受到负荷的情况，在加强纤维尽可能均匀地受到负荷时可实现加强层的较小的整个厚度。这一方面节省成本，这尤其在使用相对于贵的碳纤维时可体现出。另一方面在较薄加强层的情况下在预先给定结构空间时也为氢气提供了较大的可利用的储存容积。
如果塑料内衬设有由加强纤维构成的加强层，那么通常产生如下问题，在内衬的一般为几百bar的工作内压下加强层的内层的加强纤维承受比外层明显更高的机械负荷。这尤其在加强层在制造压力容器的措施中通过树脂浸泡并且与树脂一起在其固化之后形成高强度的复合物时是这种情况。如果在固化阶段期间存在与制造相关的不均匀的纤维应力，那么该纤维应力在树脂固化之后持续地保持并且降低压力容器的机械负荷承受能力或要求设计较厚的加强层。
发明内容
在该基础上，本发明的目的是给出具有开头所述特征的方法，其在压力容器的预先规定的工作内压下允许加强层的尽可能小的厚度。
根据本发明通过以下方式实现该目的，在施加加强纤维之前将纤维给料帽施加到端帽上，纤维给料帽的外表面与端帽的端部区域具有间隔，其中，在施加加强层期间将加强纤维施加到内衬的本体上并且在端部区域中相应地施加到纤维给料帽的外表面上，使得由于在纤维给料帽的外表面和端帽的端部区域之间的间距，加强层的由加强纤维形成的内层在端部区域中设有纤维给料。于是，根据本发明借助所述方法在加强层的内层的以纤维给料形式的区域中施加比根据内衬的几何形状实际需要量更多的纤维材料，内衬通常具有圆柱形的中间节段。纤维给料的大小由纤维给料帽的外表面与端帽的端部区域的轴向间距确定，由此实现用于相应的加强层的延长的编织路径。于是，根据本发明，该纤维给料如下文还将详细示出的那样用于最终在压力容器工作中保证使加强纤维在加强层的整个厚度上承受尽可能均匀的机械负荷。
适宜的是，纤维给料帽和端帽在施加加强层期间共同形成空腔。空腔的轴向长度基本上确定纤维给料的大小，因为该长度预先给定附加的编织路径，相比于对端帽的直接编织，该编织路径在施加加强层的内层的情况下必须附加地编织。适宜地，纤维给料帽在施加加强层时通过固定装置固定，固定装置在该工序期间保证纤维给料帽与端部区域的间隔。由此确保在编织期间没有使纤维给料帽提前地不期望地靠近端部区域，该靠近会导致纤维给料的降低。
此时为了获得非常紧凑的加强层，其在预先给定的压力容器外部尺寸的情况下实现了可利用的大的储存容积，使用下列方法：优选地，在施加加强层之后将内衬引入包围加强层的工具中并且内部的过压作用在其上，使得压力容器在压力作用下贴靠在工具的内表面上。固定装置适宜地在施加加强层之后被松开并且由于在内衬中的内部的过压使得纤维给料帽朝端部区域移动并由此释放纤维给料。该过程基本上基于两个效果。由于内部的过压使得加强层沿径向扩张并且作为补偿沿轴向被拉到一起。但是该效果在加强层的半径上看显示为不同程度。一方面加强层的内层在比外层更小的半径上伸延，使得在内层中比在外层中提供更少的纤维材料用于扩张但是另一方面必须同时使得内层在期望的加强层的径向压缩情况下比外层扩张地明显更多，因为外层的径向扩张通过工具的刚性的内表面而受到限制。这总体上使得，对于加强层的内层需要比外层明显更大的纤维给料。这种情况通过纤维给料帽的相应的几何形状引起。适宜地，在此之后用树脂、优选环氧树脂浸泡加强层，树脂在其固化之后使得加强层在通过在内衬中的内部的过压而扩张的状态下冻结。树脂可借助渗入(低压方法)或可替代地借助注射(过压方法)引入加强层。在树脂完全固化之后去除内衬的负荷并且将压力容器从工具中取出。通过固化的树脂保证加强层以其径向压缩的形式固化、即“冻结”，加强层在用内部的过压施加内衬的期间具有该形式。因此加强层持续地沿径向压缩并且实现在预先给定压力容器外部尺寸的情况下利用大的自由的容器容积。
适宜的是，加强纤维至少局部地、优选在加强层的内层中以相对于正常角度减小大约54°、例如46-52°、尤其48-50°的角度围绕内衬编织。因此加强层力求接近该正常角度并且由此在内衬的内部的力加载的情况下沿轴向拉紧，由此纤维给料帽压在端帽上。
通过所述的释放纤维给料，在压力容器的未受负荷的状态下，相比于未使用根据本发明的方法，在加强层的内层中的加强纤维承受更低的预紧。由此在工作中降低了该层的机械负荷并且总体上可设计更薄的加强层，其能够增大可利用的容器容积并且同时节省了昂贵的加强材料。如上所述，在松开固定装置之后纤维给料帽由于在加强纤维中的拉应力在压力作用下贴靠到端帽上。对此，在本发明的范围中，尤其规定，纤维给料帽至少局部地与端帽的外部轮廓相匹配。由此保证，在压力容器工作期间纤维给料帽不可相对于端帽移动。适宜的是，纤维给料帽在其与端帽的外部轮廓相匹配时弹性变形并且因此在弹性变形的状态下持续地保持在压力容器中。
适宜的是，如此施加加强层的各个层，即，在纤维给料帽上形成的反转点在各个层之间的过渡部上随着层厚的增加而沿轴向朝内衬的方向移动。这尤其与前面所述的需要向外地减少纤维给料相关。由此总体上得到整个编织结构的最佳形状，其保证所有加强纤维的尽可能均匀的负荷。适宜的是，由多个纤维构造的加强层在释放纤维给料之后或可能之前通过树脂浸泡，例如通过注射或渗入树脂，并且在释放纤维给料之后固化，以填充在纤维之间存在的空隙并且由此进一步强化加强层的强度。优选地，加强层在渗入期间从外部或通过施加内部过压从内部挤压到内衬上，以在该工序期间减小空隙的体积并且进而在树脂固化之后获得尽可能小的加强层厚度。因此例如内衬在树脂渗入或注射期间加载2-100bar、优选2-50bar的内部过压。此时，在压力容器的该状态下，被内部的过压沿径向挤压的加强层被树脂浸泡，该树脂在之后适当的内部过压情况下固化。以这种方式将加强层在该沿径向挤压的状态下“冻结”，使得即使在去除对内衬的负荷之后在加强层中仍然保持高的纤维密度。作为树脂例如可使用环氧树脂。
此外，本发明的对象还包括压力容器，尤其用于在机动车中存储氢气，所述压力容器具有：-包括至少一个端帽的、优选基于塑料制造的内衬；-包括加强纤维的、优选编织有加强纤维的、多层的加强层，其施加到所述内衬的外侧；其特征在于，在所述端帽和所述加强层之间设有纤维给料帽，其在将所述加强纤维施加到所述内衬上时保证用于所述加强层的内层的纤维给料。
优选地，所述其特征在于，所述纤维给料帽构造成例如具有<10mm的平均壁厚的薄壁并且优选由塑料制成。
优选地，在所述压力容器的完成制造的状态下所述纤维给料帽的形状与所述端帽的外部轮廓相匹配。
优选地，所述纤维给料帽至少局部地、尤其在外部区域中具有变形能力、优选弹性的变形能力，其实现了对端帽的外部轮廓的匹配。
优选地，所述纤维给料帽具有环绕的材料削弱部，其在所述纤维给料帽与所述端帽的外部轮廓相匹配期间作用于所述纤维给料帽的外部区域的枢转连接部。
优选地，所述纤维给料帽在其轴线附近的内部区域中构造成刚性的。
优选地，所述纤维给料帽在其外部区域中具有朝外边缘伸延的材料削弱部，其在所述外部区域中用于促进与所述端帽的外部轮廓的匹配。
优选地，所述纤维给料帽在其轴线附近的内部区域中具有至少一个连接装置，以用于连接所述纤维给料帽与固定装置，所述固定装置用于在施加所述加强层期间固定所述纤维给料帽。
优选地，所述加强层通过树脂、优选环氧树脂浸泡。
附图说明
下面根据描述仅一个实施例的附图阐述本发明。其中示意性地示出：
图1a、1b：在制造过程期间的根据本发明的压力容器的侧视图或三维立体图；
图2a、2b：在完成制造状态下的在图1a、1b中示出的压力容器，
图3：在制造过程期间的在图1a-2b中示出的压力容器的局部剖面图，以及
图4a至4d：在图3中示出的纤维给料帽的不同的单个视图。
具体实施方式
图1a、1b以及图2a、2b示出了用于在机动车中储存氢气的压力容器1。压力容器1具有包括两个端帽2、2’的由塑料制造的内衬3，该内衬具有圆柱形的中间节段4。在该中间节段4上在端部上模制有两个端帽2、2’。压力容器1的端帽2附加地包括也称为头的具有开口6的管接头5以用于填充或放出氢气。设置在压力容器1的相对端部上的端帽2’附加地包括所谓的盲头7，其仅用于在车辆中安装压力容器1。在内衬3上在外侧上施加具有加强纤维8的编织的多层加强层9。在该实施例中加强纤维8构造成碳纤维并且为了清楚起见在图1a-2b中仅单个地示出。同样地，为了更好地理解附图仅在图1a和2a中示意性地示出加强层9。可从图1a和2a中看出，在端帽2、2’和加强层9之间各设有一个纤维给料帽10、10’，其在将加强纤维8施加到内衬3上的期间保证用于加强层9的内层的纤维给料22(参见图3)。从图3中可看出，在施加加强层9期间纤维给料帽10和端帽2共同形成空腔11并且纤维给料帽10通过固定装置12固定在相应的位置中。类似地，纤维给料帽10’和端帽2’彼此定位。纤维给料帽10、10’分别构造成具有小于5mm的平均壁厚的薄壁并且由塑料制成。尤其，图2a和2b示出了在压力容器1的完成制造的状态下纤维给料帽10、10’的形状与端帽2、2’的外部轮廓相匹配。对此，纤维给料帽10、10’在外部区域13中具有弹性变形能力，其实现了对端帽2、2’的外部轮廓的匹配。这尤其从图1a和2a的比较中看出。
图4a至4d以不同视图具体地示出了在图3中示出的纤维给料帽10。在图4a中示出了俯视图，在图4b中示出了图4a的剖面A-A并且在图4c、4d中示出了从斜上方或斜下方的三维视图。纤维给料帽10具有环绕的材料削弱部14，其在罩盖10与端帽2的外部轮廓相匹配期间作用于纤维给料帽10的外部区域13的枢转连接部。在该实施例中材料削弱部14由多个周向缝隙15形成。周向缝隙15均匀地分布在周边上。其完全地穿透纤维给料帽10的材料。如前所述，外部区域13是弹性的，从而其可在该区域中具有端帽2的相应的轮廓。而纤维给料帽10在其轴线附近的内部区域16中构造成刚性的，从而其可实现与固定装置12的刚性连接。纤维给料帽10的刚性的内部区域16的几何形状与端帽2的轴线附近的轮廓相匹配，在该实施例中端帽2由头5的轮廓形成。纤维给料帽10还在其外部区域13中具有朝外边缘伸延的材料削弱部17，其在该区域13中用于促进与端帽2的外部轮廓的匹配。在该实施例中该材料削弱部17分别构造成长缝。长缝17均匀地分布在周边上。在纤维给料帽10与端帽2的几何形状相匹配的情况下长缝17扩宽(参见图2a、2b)。而且长缝17完全穿透纤维给料帽10的材料。纤维给料帽10在其轴线附近的内部区域16中还具有多个固定孔19，其共同地形成用于连接纤维给料帽10与固定装置12的连接装置20。
根据本发明的用于制造压力容器1的方法根据图3来阐述。首先借助塑料吹塑成型法制造压力容器1的由在端部具有端帽2、2’的圆柱形中间节段4构成的内衬3。端帽2、2’附加地包括优选相应地由金属制成的头5或盲头7，其根据吹塑成型法安装。然后，使内衬3在外侧通过具有加强纤维8的多层加强层9编织(出于简化示出的原因图3仅示出加强层9的最内层)。在两个端帽2、2’上在施加加强纤维8之前分别施加纤维给料帽10、10'，其外表面与对应的端帽2、2’的端部区域21、21’有间隔。在施加加强层9期间加强纤维8被施加到内衬3的本体上并且在端部区域21、21’中相应地施加到纤维给料帽2、2’的外表面上。由于在纤维给料帽10、10’的外表面和端帽2、2’的端部区域21、21’之间的间距，加强层9的由加强纤维8形成的内层在端部区域21、21’中设有纤维给料22。
图3示出在施加加强层9期间纤维给料帽10和具有头5的端帽2一起形成空腔11。纤维给料帽10在施加加强层9时通过固定装置12固定，其在该工序期间保证纤维给料帽10与端部区域21的间隔。
在施加整个加强层9之后，压力容器1被引入到未示出的完全包围加强层9的与加强层9的外部轮廓相匹配的渗入或注射工具中，松开固定装置12并且以内部的过压加载内衬3。在此加强层9在压力作用下贴靠在工具的内表面上。由于施加的加强纤维8的拉应力，纤维给料帽10沿箭头方向x朝端部区域21移动并且此时纤维给料22被释放。
在释放纤维给料22时纤维给料帽10、10’与端帽2、2’的部分地分别由头5或盲头7形成的外轮廓相匹配(还参见图2a、2b)。对此，如前面关于图4a-4e所述，纤维给料帽10、10’的外部区域13构造成弹性的。在该实施例中，参考端帽2的外表面，从纤维给料帽10的刚性的内部区域16到弹性的外部区域13的过渡部基本与从头5到内衬3的吹塑成型件的过渡部一致。即，纤维给料帽的刚性的内部区域16贴靠在头5的表面上，而外部区域13在弹性变形的情况下在环绕的材料削弱部14上与内衬3的吹塑成型件的邻近表面轮廓相匹配。此外，根据图3可看出，在释放纤维给料22之前施加加强层9的各个层，使得在纤维给料帽10上形成的反转点23在各个层之间的过渡部上随着层厚的增加而沿轴向朝内衬3的方向移动。纤维给料帽10本身确保与端帽2的预先给定的距离ΔX，其基本上确定纤维给料22的大小。通过纤维给料帽10、10’可在所有层中精确预留纤维长度并且对其定位。
在纤维给料帽10、10’贴靠到端帽2、2’上之后，加强层9在渗入或注射工具中通过(同样未示出的)树脂浸泡，以填充在各个加强纤维8之间的空隙并且由此进一步加强加强层9的强度。由于在内衬3中的内部的过压，加强层9沿径向被挤压并且由此具有降低的壁厚。同时，通过径向的挤压使得在纤维8之间的空隙的必须由树脂填充的整个体积减小。通过树脂在内衬3的内部的过压的情况下的固化，被挤压的加强层9的外形在完成制造的未加载的压力容器1中最大程度地被保持；其被称为“冻结”。这一方面使得重量和材料得以节省，因为需要更少量的树脂材料，并且另一方面同时保证在压力容器1的预先给定的外部尺寸的情况下具有较大的可利用的储存容积。

Claims (25)

1.用于制造压力容器(1)的方法，
-其中，首先制造所述压力容器(1)的具有至少一个端帽(2、2’)的内衬(3)，并且
-然后在所述内衬(3)的外侧设置具有加强纤维(8)的多层的加强层(9)，
其特征在于，在施加所述加强纤维(8)之前将纤维给料帽(10、10’)施加到所述端帽(2、2’)上，所述纤维给料帽的外表面与所述端帽(2、2’)的端部区域(21、21’)具有间隔，其中，在施加所述加强层(9)期间将所述加强纤维(8)施加到所述内衬(3)的本体上并且在所述端部区域(21、21’)中相应地施加到所述纤维给料帽(10、10’)的外表面上，使得由于在所述纤维给料帽(10、10’)的外表面和所述端帽(2、2’)的端部区域(21、21’)之间的间距，所述加强层(9)的由所述加强纤维(8)形成的内层在所述端部区域(21、21’)中设有纤维给料(22)，
所述纤维给料帽(10、10’)在施加所述加强层(9)时通过固定装置(12)固定，该固定装置在此期间保证所述纤维给料帽(10、10’)与所述端部区域(21、21’)的间隔，
在施加加强层(9)之后将所述内衬(3)引入包围所述加强层(9)的工具中并且内部的过压作用在所述内衬上，使得所述压力容器(1)在压力作用下贴靠在所述工具的内表面上，并且所述固定装置(12)在施加加强层(9)之后被释放并且由于在所述内衬(3)中的内部的过压使得所述纤维给料帽(10、10’)推向所述端部区域(21、21’)并由此释放纤维给料(22)，
在此之后，用树脂浸泡所述加强层(9)，该树脂在其固化之后使得所述加强层(9)在通过内部的过压而扩张的状态下冻结。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力容器用于在机动车中存储氢气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内衬(3)借助塑料吹塑成型法制造。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内衬(3)的外侧编织具有加强纤维(8)的多层的加强层(9)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)和所述端帽(2、2’)在施加所述加强层(9)期间共同形成空腔(11)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂是环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在此使所述纤维给料帽(10、10’)至少局部地与所述端帽(2、2’)的外部轮廓相匹配。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述加强层(9)的各个层如下所述地施加，即，在所述纤维给料帽(10、10’)上形成的反转点(23)在各个层之间的过渡部上随着层厚的增加而沿轴向朝所述内衬(3)的方向移动。
9.一种压力容器(1)，所述压力容器具有
-包括至少一个端帽(2、2’)的内衬(3)，
-包括加强纤维(8)的、多层的加强层(9)，其施加到所述内衬(3)的外侧，
其特征在于，在所述端帽(2、2’)和所述加强层(9)之间设有纤维给料帽(10、10’)，其在将所述加强纤维(8)施加到所述内衬(3)上时保证用于所述加强层(9)的内层的纤维给料(22)。
10.根据权利要求9所述的压力容器(1)，其特征在于，所述压力容器用于在机动车中存储氢气。
11.根据权利要求9所述的压力容器(1)，其特征在于，所述内衬是基于塑料制造的。
12.根据权利要求9所述的压力容器，其特征在于，所述多层的加强层是编织的。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)构造成薄壁。
14.根据权利要求13所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)具有<10mm的平均壁厚。
15.根据权利要求13所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)由塑料制成。
16.根据权利要求9-12中任一项所述的压力容器(1)，其特征在于，在所述压力容器(1)的完成制造的状态下所述纤维给料帽(10、10’)的形状与所述端帽(2、2’)的外部轮廓相匹配。
17.根据权利要求16所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)至少局部地具有变形能力，其实现了对端帽(2、2’)的外部轮廓的匹配。
18.根据权利要求17所述的压力容器(1)，其特征在于，所述至少局部地是指在外部区域(13)中。
19.根据权利要求17所述的压力容器(1)，其特征在于，所述变形能力是弹性的变形能力。
20.根据权利要求16所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)具有环绕的材料削弱部(14)，其在所述纤维给料帽(10、10’)与所述端帽(2、2’)的外部轮廓相匹配期间作用于所述纤维给料帽(10、10’)的外部区域(13)的枢转连接部。
21.根据权利要求9至12中任一项所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)在其轴线附近的内部区域(16)中构造成刚性的。
22.根据权利要求16所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)在其外部区域(13)中具有朝外边缘伸延的材料削弱部(17)，其在所述外部区域(13)中用于促进与所述端帽(2、2’)的外部轮廓的匹配。
23.根据权利要求9至12中任一项所述的压力容器(1)，其特征在于，所述纤维给料帽(10、10’)在其轴线附近的内部区域(16)中具有至少一个连接装置(20)，以用于连接所述纤维给料帽(10、10’)与固定装置(12)，所述固定装置用于在施加所述加强层(9)期间固定所述纤维给料帽(10、10’)。
24.根据权利要求9至12中任一项所述的压力容器(1)，其特征在于，所述加强层(9)通过树脂浸泡。
25.根据权利要求24所述的压力容器(1)，其特征在于，所述树脂是环氧树脂。
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