CN108139024B - 配有连续纤维的压力容器 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及一种用于制造具有至少一个纤维增强层(120)的压力容器(100)的方法。所述纤维增强层(120)的增强纤维(122、122'、122")由至少一根连续纤维(122、122'、122")构成。使所述至少一根连续纤维的弹性模量发生改变。

Description

配有连续纤维的压力容器
技术领域
本文公开的技术涉及一种用于制造具有至少一个纤维增强层的压力容器的方法以及一种压力容器。按照本发明，所述纤维增强层的连续纤维具有变化的弹性模量。
背景技术
由现有技术已知用以储存燃料的压力容器。这种压力容器包括纤维增强层，所述纤维增强层例如通过编结或缠绕被敷设上去。这样的压力容器通常是用一种类型的纤维缠绕或者编结。在纤维刚性相同的情况下，在容器内压作用下，沿压力容器周向方向(切线方向)的应力在压力容器壁体内侧上与在外侧上相比更大。因此，纤维增强层中各根纤维的负荷饱满度并不是最佳的。由DE 10 2006 043582 B3另外已知的是，对于不同的层采用不同类型的纤维，其中外层具有更高的断裂延伸率(Bruchdehnung，即最大伸长量)。
发明内容
本文公开的技术所要达成的目的是，减少或者消除已知解决方案的缺点。由本文公开的技术的有益效果可以得出其他一些目的。这个(些)目的通过根据本发明的一种用于机动车的用以储存燃料的压力容器得以实现。
本文公开的技术涉及一种用于机动车的用以储存燃料的压力容器。这种压力容器例如可以是低温压力容器或者高压气体容器。高压气体容器系统构造为，主要用于在环境温度下持久地在高于约350barü(巴(表压))(＝相对于大气压力的过压)、进一步优选高于约500barü(巴(表压))以及特别优选高于约700barü(巴(表压))的最大工作压力(也称maximum operating pressure或MOP)下储存燃料(例如氢)。低温压力容器系统包括一种低温压力容器。该低温压力容器可以储存液态的或者超临界聚集态的燃料。
所述压力容器可以包括衬里。该衬里为空心体，燃料便是储存于其内。衬里例如可以由铝或钢或者由它们的合金制成。此外优选的是，衬里可以由塑料制成，或者也可以设定一种无衬里的压力容器。
所述压力容器包括至少一个纤维增强层。该纤维增强层可以至少在局部区域包围衬里。纤维增强层常常也被称为层压复合层(Laminat)或包罩外层(Ummantelung)或铠装加强层(Armierung)。在下文中大多使用术语“纤维增强层”。作为纤维增强层，通常采用纤维增强塑料(也缩写为FVK或FKV)，例如碳素纤维增强塑料(CFK)和/或玻璃纤维增强塑料(GFK)。所述纤维增强层适宜包括嵌置于塑料基质中的增强纤维。特别是，基质材料、增强纤维的类型和占比及其取向可以有所改变，从而达到所希望的机械和/或化学特性。优选地，所述纤维增强层包括至少一根连续纤维作为增强纤维，该连续纤维可以通过缠绕和/或编结进行敷设。所述纤维增强层通常具有交叉铺层和环周铺层。为了补偿轴向应力，在整个绕线芯表面上缠绕或编结交叉铺层。在圆柱形侧周区域中，除了交叉铺层之外，通常还设有所谓的环周铺层，环周铺层用来在周向方向上增强加固。所述环周铺层沿着压力容器的周向方向U延伸并且是相对于压力容器的纵轴线A-A成近似90°角度定向的。所述纤维增强层包括至少两个纤维铺层。纤维增强层的所述纤维铺层是增强纤维的铺设片层，它们在纤维增强层之内相叠设置。一个铺层的纤维基本上都布置在一个面中。所述至少一根连续纤维在所述纤维增强层的至少两个纤维铺层上延伸。换言之，也就是由同一根或同一些连续纤维无间断地制成至少两个纤维铺层。连续纤维尤其是长度至少1米的长丝。特别是，所述至少一根连续纤维在所述至少两个纤维铺层内具有不同的弹性模量。换言之，也就是说在纤维增强层的铺层结构之内，加工处理后的连续纤维本身的弹性模量是有变化的。由此，便可以有利地改变所述纤维增强层的机械特性，而不必调整其他参数，例如基质材料、铺层结构、纤维体积等。例如，由此可以在侧周区域中在环周铺层内部改变刚性，而无须改变纤维取向和/或纤维含量。
所述至少一根连续纤维特别优选构造为成束的连续纤维，也称粗纱(Roving，纱束)。
所述至少一根连续纤维可以优选在纤维铺层的至少50％或至少80％或至少90％上或100％上延伸，其中，所述连续纤维至少局部地具有不同的弹性模量，特别是取决于其离开压力容器纵轴线A-A的距离。所述至少一根连续纤维的弹性模量优选随着压力容器的半径的增加而增加。
本文公开的技术还涉及一种用于制造压力容器的方法，特别是用于制造在此公开的具有至少一个纤维增强层的压力容器。所述纤维增强层的增强纤维由至少一根连续纤维构成。使所述至少一根连续纤维的弹性模量发生改变。本文公开的方法可包括以下步骤：构造所述纤维增强层的多个纤维铺层，其中，所述至少一根连续纤维在至少两个纤维铺层上延伸，并且按下述方式改变所述至少一根连续纤维的弹性模量，即：使得所述至少一根连续纤维在所述至少两个纤维铺层之一个纤维铺层内与在所述至少两个纤维铺层之另一纤维铺层内相比具有不同的弹性模量。本文公开的方法可包括以下步骤，即：在构造所述至少两个纤维铺层之前改变所述至少一根连续纤维的弹性模量。本文公开的方法可包括以下步骤，即：在构造所述至少两个纤维铺层之前，将具有变化的弹性模量的所述至少一根连续纤维缠绕在备料辊上。
本文公开的方法可包括以下步骤，即：通过在对所述至少一根连续纤维进行热处理期间改变至少一个参数而改变所述至少一根连续纤维的弹性模量。例如，可以在碳素纤维石墨化期间改变温度、时间和/或保护气体。本文公开的方法可包括以下步骤，即：通过编结和/或缠绕和/或堆置预制的纤维铺层半成品而构成所述纤维增强层的所述至少两个纤维铺层。本文公开的方法可包括以下步骤，即：所述至少一根连续纤维在纤维铺层的至少50％或至少80％或至少90％上或100％上延伸。
换言之，本文公开了对于虽然大体上具有相同强度、但却具备不同刚度的增强纤维的应用。针对压力容器壁的内侧(或者说纤维增强层的内层)，比起设置在包围着该内层的外层中的增强纤维，优选使用具有更低刚性的增强纤维。随着压力容器半径R增大，刚性得以提高。具有最高刚性的增强纤维最好是设置在压力容器的外侧上。增强纤维可以通过缠绕和/或编结和/或堆置预制的纤维铺层半成品进行敷设。例如，可以针对压力容器壁体的不同区域(内-中-外)采用分别具有不同刚性的不同料筒的纤维。特别是对于大采购量，可以预先拟定纤维料筒(其刚性在展程长度上有变化)的制造。所述刚性例如可以通过温度影响在制造碳素纤维时调定。在压力容器壁体中刚性随半径变化，这种刚性变化能够实现：在破裂压力(设计压力)时，在理想情况中所有增强纤维均可达到其(弹性)应力下的极限强度。因此，理论上的纤维利用率是100％。压力容器壁体的厚度可以有利地得以减小。压力容器的质量和重量可以有利地得以减小。压力容器可以变得更为经济和有益，因为生产制造所需的FKV-材料更少。对于相同的结构空间，这种压力容器通常可以储存更多的燃料量。
附图说明
现结合附图详细阐述在此所公开的技术。附图示出：
图1：压力容器100的示意图，和
图2：纤维增强层120的示意性细节图。
具体实施方式
图1示出了压力容器100的示意图。该压力容器100包括衬里110和围绕所述衬里110并对其增强加固的纤维增强层120。衬里110提供用以储存燃料的内部容积腔I。压力容器100具有侧周区域M和极冠区域(Polkappenbereich，端盖区域)P1、P2。在压力容器100的端部142处设有出口170，这里对其不作详细描述。
图2示意性地示出了纤维增强层120的细节图。增强纤维122、122'、122"在这里都是沿压力容器100的周向方向U布置。在此，与容器直径相比，截取部段选择得如此之小，以至于在绘示图中看不出容器曲率。例如，这样的增强纤维122、122'、122"设置在压力容器100的侧周区域M中。不同纤维铺层126、126'、126"的增强纤维122、122'、122"在这里彼此平行。各纤维铺层126、126'、126"是上下相叠设置的。这里示意性地示出了三个纤维铺层126、126'、126"，它们可以设置在纤维增强层120中的任何地方。所述纤维铺层126、126'、126"可以设置成直接相邻或者被其它纤维铺层分隔开。至少一根连续纤维122、122'、122"的独立区段122、122'、122"在此构成了纤维铺层126、126'、126"的相应的增强纤维122、122'、122"。特别是，连续纤维的靠外的区段122"(该区段在径向方向R上距离压力容器纵轴线A-A更远)与连续纤维的靠内的区段122相比具有更高的弹性模量并因此具有更高的刚性。
因此可以有利地实现：直至极限强度，所有增强纤维均匀地或者说更均衡地承受载荷。如果这些区段122、122'、122"由一根连续纤维制成，那么还可以建立一种连续的并因而节省时间的缠绕或编结工艺过程。各纤维铺层的增强纤维122、122'、122"在此通过基质材料124定位保持。作为基质材料124，可以使用任意基质材料。
前面对本发明的说明仅仅用于解释性目的，而非用于限制本发明之目的。在本发明的框架下，可以实现一些不同的改变和变型，而并不脱离本发明及其等同方案的范围。

Claims (9)

1.用于制造具有至少一个纤维增强层(120)的压力容器(100)的方法，其中，所述纤维增强层(120)的增强纤维由至少一根连续纤维(122、122'、122”)构成，其特征在于，使所述至少一根连续纤维(122、122'、122”)的弹性模量发生改变，所述方法包括如下步骤：构造所述纤维增强层(120)的多个纤维铺层(126、126'、126”)，其中，所述至少一根连续纤维(122、122'、122”)在至少两个纤维铺层(126、126'、126”)上延伸，并且按下述方式改变所述至少一根连续纤维(122、122'、122”)的弹性模量，即：使得所述至少一根连续纤维(122、122'、122”)在所述至少两个纤维铺层(126、126'、126”)之一个纤维铺层内与在所述至少两个纤维铺层(126、126'、126”)之另一纤维铺层内相比具有不同的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构造所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")之前改变所述至少一根连续纤维(122、122'、122")的弹性模量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在构造所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")之前，将具有变化的弹性模量的所述至少一根连续纤维(122、122'、122")缠绕在备料辊上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过在对所述至少一根连续纤维(122、122'、122")进行热处理期间改变至少一个参数而改变所述至少一根连续纤维(122、122'、122")的弹性模量。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过编结和/或缠绕和/或堆置预制的纤维铺层半成品而构成所述纤维增强层(120)的所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一根连续纤维(122、122'、122")在所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")的至少80％上延伸。
7.机动车的用以储存燃料的压力容器，包括至少一个纤维增强层(120)，其中，所述纤维增强层(120)包括至少一根连续纤维(122、122'、122")，所述至少一根连续纤维(122、122'、122")在所述纤维增强层(120)的至少两个纤维铺层(126、126'、126")上延伸，并且，所述至少一根连续纤维(122、122'、122")在纤维铺层中的所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")内具有不同的弹性模量。
8.根据权利要求7所述的压力容器，其特征在于，所述至少一根连续纤维(122、122'、122")在所述至少两个纤维铺层(126、126'、126")的至少80％上延伸。
9.根据权利要求7或8所述的压力容器，其特征在于，所述至少一根连续纤维(122、122'、122")的弹性模量随着压力容器的半径的增加而增加。
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