CN109906142A - 用于制造压力存储器的方法 - Google Patents

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P·希梅斯
R·西和潘
D·林斯特
K·怀尔德
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Abstract

本发明涉及用于制造压力存储器(1)、尤其用于在机动车中储存氢气的压力存储器(1)的方法，其中，首先，优选借助塑料吹塑成型方法制造压力存储器(1)的内衬(3)，其中，然后，在内衬(3)外侧上设置、优选编织具有强化纤维(8)的多层式增强层(9)，以及其中，此后，用树脂、优选环氧树脂浸透增强层(9)，树脂或环氧树脂在其硬化之后使增强层(9)中的强化纤维(8)的层固紧。根据本发明，从内衬(3)的外表面与增强层(9)的接触区域(K)开始朝增强层(9)的外部区域进行浸透。

Description

用于制造压力存储器的方法
技术领域
本发明涉及用于制造压力存储器、尤其用于在机动车中储存氢气的压力存储器的方法，
–首先，优选借助塑料吹塑成型方法制造压力存储器的内衬，
–然后，在内衬外侧上设置、优选编织具有强化纤维的多层式增强层，以及
–此后，用树脂、优选环氧树脂浸透增强层，树脂或环氧树脂在其硬化之后使增强层中的强化纤维的位置固定。
背景技术
这种方法例如由WO 2015/078555 A1公开。用于在机动车中储存氢气的压力存储器必须一方面在预先给定结构空间的情况下提供尽可能大的储存容积并且另一方面具有很小的重量，从而确保低的燃料消耗。此外，自然要求也可以具有竞争力的成本制造这种压力存储器。
相对于例如由金属制成的氢气压力存储器，具有由塑料制成的内衬的压力存储器的特点是较小的重量。但是为了能保持在储存足够大量的氢气的情况下所需的高压，通常约为700bar，必须使这种塑料内衬规则地设置增强层。增强层例如以编织或缠绕方法施加到内衬上。制造增强层的目的是，使得增强层的例如可构造成碳纤维和/或玻璃纤维的各个强化纤维在运行中能尽可能均匀地受到负载。以这种方式确保尽可能好地利用各个强化纤维的机械负荷能力。在施加增强层之后，在制造过程中的压力存储器(也称为预成型件)为此被引入合适的模具中并且用树脂、优选环氧树脂浸透，树脂或环氧树脂在其硬化之后使增强层中的强化纤维的层固紧。可借助真空辅助的RTM方法(树脂转移成型)将树脂引入增强层中。为了避免在浸透、所谓的渗透期间使内衬萎缩，压力存储器被加载内部的过压，从而压力存储器在挤压作用下贴靠到模具的内表面上。为了使树脂完全硬化使内衬不受负载并且从模具中取出压力存储器。
硬化的树脂确保增强层的各个增强纤维在运行期间没有或仅有微小的移动，即，增强层处于近似冻住状态。由此在必要时在使用压力存储器的数十年期间都确保增强层的持久的高性能。通常，从模具的一侧引入树脂，即从一个或多个注塑点将树脂引入模具腔中并且从此处看尽可能均匀地浸透整个增强层。该过程虽然在薄壁的构件中没有问题，但是在增强开头所述的空心体时不是这种情况。如所述地，在增强层被树脂浸透期间内衬被加载内部的过压。但是这导致尤其在内衬的外表面与增强层的接触区域中非常明显地压缩了此处的强化纤维并因此减小它们之间的间隙。这增加了浸透增强层的内置区域的难度。该效果随着强化纤维层的数量增加而明显。由此例如在为了储存氢气在几百bar的压力存储器中通常设置至少30个强化纤维层。在树脂的流动前部此时从外向内行进时，内部的还未浸透的层通过树脂压力进一步被压缩。结果在实践中在不同部位处、尤其在增强层的内部区域中留有气泡或未被浸透的区域，其局部地导致增强层没有通过树脂固紧。这明显地影响增强层的性能。
发明内容
在此基础上，本发明的目的是，提供具有开头所述特征的方法，其使得能够用树脂均匀地浸透增强层。
根据本发明，该目的通过以下方式实现，即，从内衬的外表面与增强层的接触区域开始朝增强层的外部区域进行浸透。根据本发明，不是如普通方法那样在增强层的外表面开始进行浸透。根据本发明，例如通过真空辅助的RTM方法，通过从内向外地对增强层进行树脂浸透确保，尤其使处于所述接触区域中的强化纤维也均匀地被树脂浸透，因此通过树脂闭合在纤维之间的间隙并且相应地在树脂硬化之后使纤维相对彼此精确固紧。通过根据本发明的方法，该接触区域在浸透期间从开始并且持续地被加载树脂，从而即使在该区域中的在强化纤维之间的小间隙也可充分地、优选完全地被树脂填充。这总体上明显改进了增强层的性能，因为通过使树脂均匀位于增强层的整个横截面上确保了增强纤维彼此的固紧。
适宜地，为了辅助树脂在所述接触区域中的流动，内衬的外表面设有多个、例如至少8个、尤其至少16个轨道状的凹陷部。凹陷部优选均匀分布地布置在内衬的圆周上。适宜地，凹陷部在内衬的圆柱形区域中至少基本平行于压力存储器的旋转轴线地伸延。凹陷部可具有的深度为0.2-10mm，例如0.5-5mm。适宜地，凹陷部的宽度为1-20mm、例如2-10mm。通过凹陷部使得树脂可在与增强层的接触区域中轻松地沿着内衬的外表面流动。适宜地，凹陷部延伸直至内衬的在侧视图中弯曲的端部区域中。因此，在端部区域中也确保辅助树脂沿着内衬的外表面的流动。
优选地，内衬在至少一个端部区域中设有端盖元件，在端盖元件中引入流动通道，通过流动通道将树脂导向所述接触区域。端盖元件例如可为后面还将详细描述的纤维预存罩和/或管接头，尤其所谓的“凸出部”。压力存储器的称为凸出部的管接头设有开口，开口用于填充或输出氢气。设置在压力存储器的相对端部上的端盖还可具有所谓的封闭凸出部(优选没有开口)，封闭凸出部仅用于压力存储器在车辆中的安装。借助流动通道可首先将树脂有针对性地经由相应装备的端盖元件导向接触区域并且相应地在此开始对增强层进行树脂浸透。适宜地，端盖元件具有多个、例如至少四个、尤其至少十个流动通道，流动通道优选均匀分布在圆周上。代替在圆周上的均匀分布，流动通道也可成组地分布在圆周上，即，例如在一组沿周向方向均匀间隔开的流动通道(＝流动通道组)之后接着一个没有流动通道的圆周区段，在该圆周区段上又连接流动通道组。没有流动通道的圆周区段例如可用于布置端盖元件的加强件(Versteifungselementen)、尤其加强肋。
适宜地，内衬由刚性的、仅可稍微弹性变形的塑料制成，例如聚酰胺制成。这具有以下优点，即，在对内衬加载内部的过压时强化纤维尤其在接触区域中的所述压缩比在加载内部压力时明显变形的内衬中表现得明显更小。
如所述地，处于制造工艺中的压力存储器在涂覆增强层之后被引入包围增强层的模具中以进行树脂浸透。适宜地，该模具设有至少一个抽吸管接头，通过抽吸管接头在浸透期间在模具之内维持低压。优选地，借助真空辅助的RTM方法进行浸透。如同样所述地，适宜地，内衬在浸透期间被加载内部的过压，从而压力存储器在挤压作用下贴靠在模具的内表面上。优选地，增强层通过树脂硬化而在通过内部的过压而扩展的状态下冻住。
在本发明中还涉及，增强层在引入模具之前被涂层、优选无纺布包围，其补偿朝模具的内表面的公差。由此防止树脂在增强层和内部的模具表面之间的间隙中流动，防止树脂所谓的直接溢出到环形间隙中。这种涂层还具有以下优点，即，涂层通过树脂浸透持久地保留在压力存储器上并因此可用作压力存储器的外部保护层。在本发明中还尤其涉及，在内衬的至少一个端部区域中将布置在增强层和模具之间的至少一个密封环压紧在模具的内表面上，密封环在浸透期间使树脂朝接触区域偏转。通过该措施也防止，在内部区域、尤其接触区域中完全浸透之前树脂提前移动到增强层的外部区域中。密封环在制造过程结束之后持久地保留在压力存储器上。
本发明的对象还涉及压力存储器，压力存储器借助前述的根据本发明的方法制成。如所述地，根据本发明制造的压力存储器尤其用于在机动车中存储氢气，例如在500bar以及更高的过压下存储。但是由此不排除其他的应用情况。
附图说明
下面仅根据示出实施例的附图详细阐述本发明。其中示意性地示出：
图1a、1b示出了在制造完成的状态下的根据本发明制造的压力存储器；
图2a、2b示出了在图1a、1b中示出的压力存储器在施加强化纤维期间的局部横截面示意图或侧视图；
图3示出了在图1a、1b中示出的压力存储器在根据本发明的用树脂浸透强化纤维期间的视图；
图4a、4b示出了在图1-3中示意性示出的内衬的单独的三维视图以及单独的侧视图；
图5a、5b示出了在图1-3中已经基本示出的凸出部的两个不同的实施方式，凸出部用于填充或抽取氢气，以及
图6示出了在图5b中示出的凸出部的横截面示意图。
具体实施方式
图1a、1b示出了用于在机动车中储存氢气的压力存储器1。压力存储器1具有包括两个端盖2、2’的由塑料制成的内衬3，内衬具有圆柱形的中间区段4。两个端盖2、2’在端侧模制在该中间区段4上。为了填充或输出氢气，压力存储器1的端盖2额外地包括也称为凸出部(boss)的具有开口6的管嘴(Stutzen)5。设置在压力存储器1的相对端部上的端盖2’在该实施例中额外地包括所谓的封闭凸出部7，即没有开口的凸出部，其仅用于在车辆中安装压力存储器1。在内衬3的外侧上施加具有强化纤维8的编织的多层的增强层9。强化纤维8在该实施例中构造成碳纤维并且在图1a、1b中为了更清楚仅单个地示出。同样为了更好地理解，具有多层的、例如多于30层的强化纤维层的增强层9在图1a中仅示意性地示出。从图1a、1b中可看出，在端盖2、2’和增强层9之间相应设置其所谓的纤维供应罩(Faservorratskappe)10、10’，其在将强化纤维8施加到内衬上期间确保对增强层9的内层的纤维供应22(参见图2a)。从图2a中可看出在施加增强层9期间预存罩10和端盖2共同形成空腔11并且纤维预存罩10通过固紧装置12固紧在相应的位置中。类似地也使纤维预存罩10’和端盖2’相对彼此定位(参见图2b)。纤维预存罩10、10’分别构造成平均壁厚＜5mm的薄壁并且由塑料制成。与图2a、2b相对，图1a和1b示出，在压力存储器1制成的状态下纤维预存罩10、10’的构型匹配端盖2、2’的外轮廓。对此，纤维预存罩10、10’在外部区域13(图2a)中具有可弹性变形能力，该可弹性变形能力使得能够匹配端盖2、2’的外轮廓。
现在根据图2a、2b和图3阐述根据本发明的用于制造压力存储器1的方法。首先借助塑料吹塑成型方法制造压力存储器1的由圆柱形中间区段4与端侧的端盖2构造的内衬3(参见图4a、图4b)。在端盖2、2’上分别安装呈优选分别由金属制成的凸出部5或封闭凸出部7形式的端盖元件(Polkappenanbauteil)，端盖元件根据吹塑成型方法被安装(参见图1a、图1b)。然后在内衬3的外侧编织具有强化纤维8的多层式增强层9。在施加强化纤维8之前，在两个端盖2、2’上安装分别呈纤维预存罩10、10’形式的另外的端盖元件，端盖元件的外表面与相应的端盖2、2’的端部区域21、21’间隔开(参见图2b)。在施加增强层9期间，将强化纤维8施加到内衬3的主体上并且在端部区域21、21’中相应地施加到纤维预存罩10、10’的外表面上。基于在纤维预存罩10、10’的外表面和端盖2、2’的端部区域21、21’之间的间距，使在端部区域21、21’中的增强层9的由强化纤维8形成的内层设有纤维预存22(图2a)。在施加增强层9期间，纤维预存罩10和带有凸出部5的端盖2共同形成空腔11。在施加增强层9时通过固紧装置12固紧纤维预存罩10，固紧装置在该工序期间确保纤维预存罩10与端盖21间隔开。
在施加整个增强层9之后，在制造工艺中，压力存储器1被引入图3示出的、完全包围增强层9的、匹配增强层9的外轮廓的、具有两个半模31、32的模具30中，模具30用于在真空辅助的RTM方法中用树脂H浸透增强层。松开固紧装置12并且给内衬3加载内部的过压pi。在此增强层9在挤压作用下贴靠在模具30的两个半模31、32的内表面上。由于施加的强化纤维8的拉应力，纤维预存罩10沿箭头方向x(图2a)朝端部区域21移动并且在此释放纤维预存22。在释放纤维预存22时，纤维预存罩10、10’匹配端盖2、2’的(部分地相应由凸出部5或封闭凸出部7形成的)外轮廓(也参见图1a、1b)。对此，纤维预存罩10、10’的外部区域13构造成弹性的。在该实施例中，从纤维预存罩10的刚性的内部区域16至关于端盖的外表面为弹性的外部区域的过渡部基本相应于从凸出部至内衬的吹塑成型部的过渡部。即，纤维预存罩的刚性的内部区域16贴靠在凸出部5的表面上，而外部区域13在纤维预存罩10、10’的环绕的材料削弱部14的弹性变形的情况下匹配内衬3的吹塑成型部的邻接的表面轮廓。在纤维预存罩10、10’匹配端盖2、2’的外轮廓期间，环绕的材料削弱部14用作纤维预存罩10、10’的外部区域13的铰接部。在该实施例中，材料削弱部14由多个周边槽15构成。周边槽15均匀地分布在圆周上。周边槽完全地贯穿纤维预存罩10的材料。周边槽15可设有指向内衬3的(未示出的)间隔件(Abstandshaltern)，间隔件防止纤维预存罩10、10’平面式地贴靠在凸出部5上并因此有利于纤维预存罩10、10’之下的树脂H的熔体流动。间隔件可构造成模制在周边槽15的边缘的突起(Nasen)。
此外，根据图2a可看出，在释放纤维预存22之前施加增强层9的各个层，使得在各个层之间的过渡部上的在纤维预存罩10上产生的转折点2(Umkehrpunkte)3随着层厚的增加而沿轴向朝内衬3的方向移动。纤维预存罩10本身确保与端盖2的预定间距ΔX，该预定间距主要确定纤维预存(Faservorrats)22的大小。通过纤维预存罩10、10’可在所有层中精确地预留和定位纤维长度。
在纤维预留罩10、10’已施加(angelgt)在端盖2、2’之后，在模具30中用树脂H浸透增强层9，以便填充位于各个强化纤维8之间的自由空间并且由此进一步加强增强层的强度。根据本发明，此时开始以注射形式从内衬3的外表面与增强层9的接触区域K起始朝增强层9的外部区域进行浸透。这在图3中通过表示树脂H的流动的箭头示出。箭头示出，树脂H在浸透增强层9期间首先沿着接触区域K流动并且从此处以径向的流动分量向外移动。对此，树脂H首先通过设置在凸出部5中以及封闭凸出部7中的相应均匀地分布在圆周上的流动通道40引入，通过流动通道将树脂H导向接触区域K。在端部区域21、21’中，树脂H的流动前部在此通常比在内衬3的圆柱形的中间区域4的区域中的情况更早地到达增强层9的外部区域。此外通过以下方式辅助增强层9在接触区域K中的浸透，即，内衬3的外表面在吹塑成型方法期间设置轨道形的凹陷部50(参见图4a、4b)，凹陷部均匀分布地布置在内衬3的圆周上。在内衬3的圆柱形区域中，凹陷部50平行于压力存储器1的旋转轴线x伸延。根据图4a、4b可看出，凹陷部50延伸直至内衬3的在侧视图中弯曲的端部区域21、21’中。内衬3由聚酰胺制成并因此基于内部的过压pi仅微小地弹性变形。模具30设有抽吸管接头33，通过抽吸管接头在渗透期间在模具30中维持低压(Unterdruck)。基于内衬3中的内部的过压pi，压力存储器1在挤压作用下贴靠在模具30的内表面上。在树脂H硬化时，增强层9在通过内部的过压pi而稍微扩展的状态下被冻住。在引入模具30之前，用无纺布70包围增强层9，无纺布补偿朝模具30的两个半模31、32的内表面方向的公差并且因此防止树脂H直接溢出到该区域中。根据图3还可看出，在在内衬3的两个端部区域21、21’中接合两个半模31、32时，密封环60分别匹配模具30的内表面，在后续的树脂H浸透期间密封环使树脂朝接触区域K转向。
上述根据本发明的方法实现了用树脂H非常均匀地浸透增强层9，从而尤其也可在接触区域K中用树脂填充在各个强化纤维8之间的间隙。由此在整个增强层9之内的各个强化纤维8可非常好地相对彼此固紧，由此确保增强层9的高性能。

Claims (12)

1.一种用于制造压力存储器(1)、尤其用于在机动车中储存氢气的压力存储器(1)的方法，
-首先，优选借助塑料吹塑成型方法制造所述压力存储器(1)的内衬(3)，
-然后，在所述内衬(3)外侧上设置、优选编织具有强化纤维(8)的多层式增强层(9)，以及
-此后，用树脂、优选环氧树脂浸透所述增强层(9)，树脂或环氧树脂在其硬化之后使所述增强层(9)中的强化纤维(8)的层固紧，
其特征在于，从所述内衬(3)的外表面与所述增强层(9)的接触区域(K)开始朝所述增强层(9)的外部区域进行浸透。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了辅助所述树脂(H)在所述接触区域(K)中的流动，所述内衬(3)的外表面设有轨道状的凹陷部(50)，所述凹陷部优选均匀分布地在所述内衬(3)的圆周上伸延。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从侧视图中观察，所述凹陷部(50)延伸至所述内衬(3)端部区域(21、21’)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述内衬(3)在至少一个端部区域(21、21’)中设有端盖元件(5、7、10、10’)，在所述端盖元件中引入至少一个流动通道(40)，通过所述流动通道将树脂(H)导向所述接触区域(K)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述内衬(3)由聚酰胺制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，处于制造工艺中的压力存储器(1)在施加增强层(9)之后被引入到包围所述增强层(9)的模具(30)中以进行树脂浸透。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述模具(30)设有抽吸管接头(33)，通过所述抽吸管接头在浸透期间在所述模具(30)之内维持低压。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述内衬(3)在浸透期间被加载内部的过压(pi)，从而所述压力存储器(1)在挤压作用下贴靠在所述模具(30)的内表面上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述增强层(9)通过树脂(H)的硬化而在通过内部的过压(pi)而扩展的状态下冻住。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述增强层(9)在引入所述模具(30)之前被涂层(70)、优选无纺布包围，所述无纺布补偿朝所述模具(30)的内表面的公差。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，在所述内衬(3)的至少一个端部区域(21、21’)中将布置在增强层(9)和模具(30)之间的至少一个密封环(60)压紧在所述模具(30)的内表面上，所述密封环在浸透期间使树脂朝接触区域(K)偏转。
12.一种压力存储器(1)，所述压力存储器借助根据权利要求1至11中任一项所述的方法制成。
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