CN110662918A - 极帽增强压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造具有纤维增强极帽(12)的纤维增强压力容器(1)的方法(100)以及一种包括所述极帽(12)的相应的压力容器(1)。该方法具有以下步骤：在端部(110)中的至少一个处通过缠绕过程以极帽的形状将纤维复合材料(FCM)施加(220)到提供的缠绕体(100)上；暂时固化(230)该纤维复合材料(FCM)以便使该形状稳定，所述材料随后保持化学活性以用于以后的交联；以及分离(240)该纤维复合材料以便产生极帽增强层(32)，该极帽增强层(32)从缠绕体脱离(250)，并放置(260)在压力容器(1)的内胆支撑件上。极帽增强层(32)随后与压力容器的纤维复合材料交联以便产生压力容器增强层(3)。

Description

极帽增强压力容器
技术领域
本发明涉及一种用于制造具有纤维增强极帽的纤维增强压力容器的方法以及相应的具有这些极帽的压力容器。
背景技术
由纤维复合材料制成的纤维增强压力容器的市场正在不断增长。天然气和压裂气的增产需要将其存储在压力容器中，特别是在没有适当管道系统的国家。另外，在燃料电池车辆的发展中涉及最多的汽车工业要求燃料应在高压下以气态氢的形式储存在压力容器中。关于压力容器的运输，期望它们应该是轻型压力容器，因为运输重型压力容器与消耗不必要的大量能量相关联，从而导致过高的运输成本。
当前使用的压力容器具有圆柱形的中央部分，在该圆柱形的中央部分的两侧上设有用于封闭中央部分的极帽。这样的压力容器例如是使用纤维缠绕方法制造的。其中，使用了内胆(liner)(用于压力容器的内容器)，该内胆一方面用作缠绕芯，另一方面确保了容器的密封性。为了制造压力容器，该内胆用纤维复合材料包裹起来以对其进行增强，以便确保所得的压力容器获得其稳定性。3型压力容器所用的内胆由金属(例如铝或钢)制成，4型压力容器所用的内胆由塑料制成。其中，外层包括圆周层和所谓的螺旋层，以在径向方向和轴向方向上都提供压力强度。周向层中的纤维具有切向的纤维方向，以在压力容器的圆柱形部分中沿圆周方向提供压力强度。螺旋层在压力容器的中央部分中提供压力容器的轴向压力强度，但也包围极帽以吸收该区域中的内部压力。
其中，用于增强压力容器的极帽而借助于螺旋层来缠绕纤维需要比轴向增强圆柱形中央部分将需要的纤维材料更多的纤维材料。然而，连续缠绕过程包括将螺旋层连续地放置在极帽上和中央部分上，由此在中央部分必须使用大量的纤维材料。
作为替代方案，也可以通过放置预浸渍的纤维段(所谓的预浸料)来增强极帽，该预浸渍的纤维段用于随后以螺旋层的薄层厚度包裹整个压力容器。但是，该过程在成本和时间方面是复杂的，因此也是不利的。
因此，期望有一种压力容器及相应的制造压力容器的方法，利用该方法可以使用尽可能少量的纤维复合材料而同时具有成本效益和时间上有利地有效增强压力容器的极帽。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种压力容器和一种相应的制造所述压力容器的方法，利用该方法可以使用尽可能少量的纤维复合材料而同时具有成本效益和时间上有利地有效增强压力容器的极帽。
该目的通过一种用于制造增强压力容器的方法来实现，该增强压力容器具有圆柱形的中央部分和在两侧封闭所述中央部分的极帽，该增强压力容器包括内胆衬底(linerunderlay)和作为压力容器增强层被施加到内胆衬底上的纤维复合材料，该方法包括以下步骤：
–提供第一缠绕体，该第一缠绕体包括至少一个圆顶形的端部和圆柱形的中央部分层，该端部对应于极帽的内胆衬底的形状；
–使用缠绕过程将纤维复合材料至少施加到第一缠绕体的端部和中央部分层上；
–使用适当的中间固化过程来稳定所缠绕的纤维复合材料的形状；
–使用适当的切断过程来在端部和中央部分层之间(例如，在从端部到中央部分层的过渡处)至少切断纤维复合材料，以产生极帽增强层；
–可选地加工切割区域的边缘区域以扩大接触表面，用于之后的包裹以及接触表面的相应成形，以便在后面的压力容器生产期间在极帽增强和之后的包裹之间进行应力顺应的负载传递；
–从第一个缠绕体分离极帽增强层，并将分离的极帽增强层放置在后面的压力容器的极帽的相应内胆衬底上；
–使用缠绕过程将纤维复合材料施加到内胆上，该内胆与单独产生的极帽增强层重叠；和
–将极帽增强层和另外的纤维复合材料进行交联。
通常，纤维复合材料由嵌入在基质材料中的两种主要成分组成，这两种主要成分在本文中是纤维，该基质材料在纤维之间产生牢固的结合。其中，纤维复合材料可以由一根纤维或由多根纤维缠绕而成，其中，纤维相互紧挨着彼此接触地缠绕在一起。这形成纤维层，其中在另外的纤维层中的纤维缠绕到该纤维层上，直到纤维复合材料具有期望的厚度并呈现出具有该厚度的相应的增强层。在一个实施例中，压力容器增强层包括在多个纤维层中的第一纤维和另外的纤维(例如第二纤维)。该复合材料，相比于所包括的两种单独的成分中的任何一种所能提供的，使纤维复合材料具有更高质量的特性，例如高强度。当纤维在纵向方向上的弹性模量超过基质材料的弹性模量时，当基质材料的断裂伸长率超过纤维的断裂伸长率时并且当纤维的断裂强度超过基质材料的断裂强度时，纤维在纤维方向上的增强效果得以实现。可以使用的纤维可以是任何种类的纤维，例如玻璃纤维、碳纤维，陶瓷纤维、钢纤维、天然纤维或合成纤维。所使用的基质材料可以例如是硬质合金、弹性体或热塑性塑料。纤维和基质材料的材料特性是本领域技术人员已知的，因此，本领域技术人员可以选择纤维和基质材料的合适组合，以用于生产用于特定应用的纤维复合材料。在此，纤维复合区域中的单独的纤维层可以包括单根纤维或多根相同或不同的纤维。
圆柱形压力容器包括圆柱形部分，在本文中称为中央部分，该圆柱形中央部分通常具有垂直于圆柱轴线的圆形横截面。为了确保加压气体能够被储存在该压力容器中，中央部分的圆柱形表面用圆顶形的盖表面(即极帽)封闭。这些几何上的考虑因素同样适用于由内容器(所谓的内胆)和缠绕在内容器(内胆)上的外层(所谓的压力容器增强层)组成的压力容器，以增强内容器(内胆)从而使所得到的压力容器获得其稳定性。类型3压力容器中所用的内胆由金属(例如铝或钢)制成，类型4压力容器中所用的内胆由塑料制成。压力容器增强层用于提供压力容器所需的稳定性，特别是在塑料内胆的情况中。由于内容器被用作压力容器增强层的衬底，因此它在下文中也称为内胆衬底。一方面，这样的容器具有非常轻的重量，这对于例如在运输中的应用是重要的，另一方面，诸如氢气之类的气体可以在高压下以低损耗被存储，因为合适的塑料具有非常低的氢气渗透性并且由纤维复合材料制成的压力容器增强层提供所需的强度。因此，根据本发明的压力容器包括作为内容器的内胆衬底，该内胆衬底具有圆顶状的盖表面，即极帽，优选具有偏离半球的形状，其在与圆柱形中央部分相邻的边缘区域中相对于半球形表面具有较大的曲率，而极帽的中心区域相对于半球形表面具有较小的曲率。这种特别合适的极帽具有等张体(isotensoid)的形状。其中，等张体是指这样的形状，即在由缠绕在其上的纤维复合材料制成的极帽增强层中，在纤维延伸的所有点中产生在纤维中的恒定张力。
为了额外地用作为极帽增强层的纤维复合材料来增强极帽，极帽增强层是与压力容器和内胆衬底分开预制的。用于该目的的第一缠绕体使得可以制造具有所需机械性能且只有很小材料输入的极帽增强层，因为这里基本上仅缠绕体的端部被包裹并且第一缠绕体的中央部分支撑件(可能以及在中央部分支撑件的另一侧上的另一端)仅用于返回纤维材料以进一步包裹端部。
在此，术语“第一缠绕体”是指在其上产生极帽增强层的缠绕体。第二缠主体是指在中央部分中的内胆衬底，其在极帽区域中具有放置的极帽增强层。
随后将要被放置在内胆衬底上的极帽增强层仅被预制到这种程度：即极帽增强层将可以以尺寸上稳定的方式从第一缠绕体中被拆下。可以在中间固化后保持极帽增强层的交联能力，以允许与压力容器的以后施加的纤维复合材料的稳定交联，以便制造用于整个压力容器的最终的压力容器增强层。极帽增强层在其被制造时也可以用结构化材料覆盖，所述结构化材料在中间固化过程之后再次被去除，以便允许与以后施加的压力容器的纤维复合材料的良好结合。
为实现此目的，中间固化过程在一温度下并且以适合于基质材料的过程持续时间执行。中间固化过程可以被执行成使得基质材料随后仍然保持化学反应性。
在中间固化过程之后，在第一缠绕主体上制造的极帽增强层被切断，以使得其可以从第一缠绕体上被去除。在此，极帽增强层的壁厚可以通过机械加工而朝着切割平面减小，以便实现切割区域与以后将施加的增强材料的更大的接触表面，或者影响以后将以合适的方式被缠绕的内胆的表面的轮廓，从而避免峰值载荷。其中，切断可用适合于切断纤维复合材料的任何过程来实现，例如通过锯切、车削或水射流切割。在此，仅在缠绕体上缠绕的纤维复合材料可以被切断，以使得此后可以重复使用缠绕体。然而，作为替代，也可以切断包括缠绕在其上的纤维复合材料的整个缠绕体，以便随后将由此制造的极帽增强层与缠绕体的其余部分分离。
极帽增强层和以后施加的增强层之间的任何剩余切断边缘都填充有基质材料或纤维复合材料，并且通过两个增强层的基质材料的最终交联而消除，从而产生常压容器增强层。其中，使用适合于基质的参数来进行最终的交联过程。通过单独制造极帽增强层，可以在极帽增强层的缠绕过程期间获得用于增强极帽的理想的纤维延伸。
相比于在其他情况下螺旋层必须被缠绕在压力容器上，通过提供极帽增强，以后施加的纤维复合层的螺旋层在中心区域可以被制造得更薄。
因此，根据本发明的方法提供了一种压力容器的制造方法，该方法允许使用尽可能少量的纤维复合材料来有效、有成本效益且时间有利地增强压力容器的极帽。
在该方法的一个实施例中，将纤维复合材料施加到第一缠绕体上，以使得极帽增强层包括第一纤维层和/或第二纤维层，该第一纤维层具有纤维材料的纤维的小于20度的第一缠绕方向，例如向下切向于凸部(boss)，第二纤维层具有纤维的在每种情况下相对于中央部分支撑件的圆柱轴线在20至80度之间、优选在65至75度之间的第二缠绕方向。在此，缠绕体的圆柱轴线对应于后面的压力容器的圆柱轴线。第一纤维层中的纤维方向使得在极帽的中央区域中，即围绕圆柱轴线的区域，良好增强了极帽增强层。第二纤维层中的纤维方向使得在与压力容器的中央部分相邻的极帽的边缘区域中良好增强了极帽增强层。根据压力容器的形状和压力容器内的压力状况，极帽增强层可以仅由第一纤维层或第二纤维层组成，或者由第一纤维层和第二纤维层的组合组成，第一纤维层和第二纤维层例如可以以交替层顺序布置在极帽增强层中。
在一个实施例中，将第一纤维层施加在第一缠绕体的整个端部上，以便提供封闭的极帽增强层，该封闭的极帽增强层可以在极帽的边缘区域与中央部分增强层很好地交联。
在另一个实施例中，第二纤维层仅在一个或多个有限区域中被施加在第一缠绕体的端部上和超出该端部的地方。优选地，限制区域中的至少一个覆盖中央支撑件和与中央部分支撑件相邻的端部的边缘区域。中央部分支撑必须被覆盖以确保连续的缠绕过程。在纤维复合材料层已被切断之后，被覆盖的区域因此被布置在极帽的边缘区域中，其中第二纤维层的纤维延伸使产生最佳的增强。
在该方法的另一个实施例中，施加纤维材料的步骤包括以下步骤：
–将一个或多个第一纤维层施加到第一缠绕体上；
–将一个或多个第二纤维层施加到第一纤维层上；
–优选地，用一个或多个另外的第一纤维层包裹先前的第一纤维层和/或第二纤维层。这种层顺序确保了使用少量的纤维复合材料，极帽的在其中间的中央区域和与压力容器的中央部分相邻的边缘区域都能够得以完美地增强。
在该方法的另一种实施例中，在中央部分支撑件的两侧的每侧上布置有有一个端部，该端部具有对应于极帽的内胆衬底的形状。缠绕体的圆柱形中央部分支撑件具有沿着中央部分支撑件的圆柱轴线的长度，该长度小于圆顶形端部沿圆柱轴线的高度，缠绕体的圆柱形中央部分支撑件将两个端部彼此连接起来。在形成极帽增强层的缠绕的纤维复合材料已被切断以与缠绕体脱离之后，在剩余的中央部分支撑件上将仅有少量的纤维复合材料浪费。在一个优选的实施例中，长度LW比高度HP小一个数量级，并且用于施加纤维复合材料的缠绕过程在两个端部之上和超过该两个端部的地方进行。如果必要的话，这可以避免浪费，因为中央部分支撑件的长度恰好对应于在切断过程和可能的加工过程中的切割宽度，其具有合适的轮廓，以便更好地将力传递到在压力容器的制造期间待将进一步施加的纤维复合层上。在另一实施例中，中央部分支撑件的长度因此被调节成使得切断纤维复合材料的步骤产生两个单独的极帽增强层，而不在其中产生浪费。
在该方法的另一实施例中，所述方法包括附加步骤：机械去除在第一缠绕体的中央部分支撑件上以及在端部上的与中央部分支撑件相邻的区域中的纤维复合材料，所述附加步骤在使用中间固化过程和至少切断纤维复合材料之间进行，其中，以后的极帽增强层设有外层，该外层在经受去除的区域中至少部分地平行于圆柱轴线延伸。机械去除已经准备了以后的极帽增强层的相应区域以进行用纤维复合材料包裹中央部分增强层的步骤。平行于圆柱体轴线的由去除所产生的区域可以被包裹，而没有被包裹的纤维复合材料离位的风险。缠绕在去除区域上的中央部分增强层的纤维复合材料的纤维方向基本上具有切向取向，即，相对于压力容器的圆柱轴线的大于80度的纤维角度。因此，它代表了用于极帽的边缘区域的完美增强层。在这些情况下，极帽增强层本身在与压力容器的中央部分相邻的极帽的边缘区域中不是必须包括第二纤维层。
在替代实施例中，该方法包括以下附加步骤：机械去除在中央部分支撑件上以及在第一缠绕体的端部上的相邻区域中的纤维复合材料，所述附加步骤在使用间固化过程以及至少切断纤维复合材料的步骤之间进行，其中，以后的极帽增强层设置有外层，该外层在经受去除的区域中至少部分地以大于0度的角度延伸，例如倾斜于圆柱轴线或者另外垂直于圆柱轴线。
在另一个实施例中，该方法还包括另外的步骤：在与中央部分相邻的极帽增强层的区域中包裹极帽增强层，这允许以相对于中央部分的圆柱轴线大于80度的纤维方向进行防滑包裹。
在另一个实施例中，该方法包括另外的步骤：用另外的纤维复合材料包裹极帽增强层和中央部分。在此可以使用所有的纤维角度：小纤维角度，类似于第一纤维层，其重叠极帽增强层的整个表面；较大的纤维角度，类似于第二纤维层，其不与极帽增强层的整个表面重叠；和相对于中央部分的圆柱轴线超过80度的圆周层，其置于在极帽增强层的有限区域和中央部分中。
在该方法的另一实施例中，内胆衬底在从中央部分到极帽的过渡处具有肩部，所述肩部形成用于待放置的极帽增强层的止挡件，极帽增强层随后被放置为直到肩部处的止挡件。因此，可以以容易和稳定的方式且没有离位风险的情况下将极帽增强层放置在内胆衬底上。
本发明还涉及一种压力容器，该压力容器具有圆柱形中央部分和在两侧封闭中央部分的极帽，该压力容器包括内胆衬底和作为压力容器增强层施加到内胆衬底的纤维复合材料，其中，产生为单独的纤维复合材料的极帽增强层被放置到内胆衬底上，并且极帽增强层具有面向压力容器的中央部分的切断边缘，在该切断边缘处，极帽增强层与压力容器的中央部分的与极帽增强层机械接触的另外的纤维复合材料交联，以形成压力容器增强层。切断边缘对应于切割边缘，沿着该切割边缘，纤维复合材料在缠绕体上被切断。其中，切断边缘相对于压力容器的中央部分的圆柱轴线垂直或倾斜地延伸，以便实现极帽增强层与中央部分增强层的良好交联。如果有必要，可以随后用基质材料填充增强层之间的某些间隙，以确保在切断边缘处的完全交联。
在一个实施例中，极帽增强层包括第一纤维层和/或第二纤维层，第一纤维层具有纤维的第一缠绕方向，其相对于中央部分的圆柱轴线成一角度，该角度如此小以至于用于极帽的内胆衬底在其整个表面上被覆盖，例如小于20度，并且例如向下切向于凸部，第二纤维层具有纤维的第二缠绕方向，其相对于中央部分的圆柱轴线在20度与80度之间、优选为65度至75度，其仅在一个或多个有限区域中部分覆盖极帽的内胆衬底。结果，极帽的中央区域及其边缘区域都可以被完美地增强。
在另一个实施例中，第二纤维层至少在极帽的区域中被布置为与压力容器的中央部分相邻。由此，极帽的边缘区域被完美地增强。
在另一个实施例中，极帽增强层包括与极帽的内胆衬底接触的一个或多个第一纤维层和在一个或多个第一纤维层上的一个或多个第二纤维层。在优选的实施例中，前述的第一纤维层和/或第二纤维层被一个或多个另外的第一纤维层包裹。在极帽增强层中的纤维层的这种顺序以特别完美的方式增强了极帽。
在另一个实施例中，内胆衬底在从中央部分到极帽的过渡处具有肩部，该肩部形成用于放置的极帽增强层的止挡。因此，极帽增强层以稳定的方式且在没有离位的风险的情况下被放置到内胆衬底上。
在另一个实施例中，极帽增强层和压力容器的中央部分被另外的纤维复合材料包裹。其中，可以使用所有的纤维角度：较小的纤维角度，类似于第一纤维层，其覆盖极帽增强层的整个表面；较大的纤维角度，类似于第二纤维层，其不覆盖极帽增强层的整个表面；以及相对于中央部分的圆柱轴线超过80度的圆周层，其被放置在极帽增强层的有限区域和中央部分中。
在另一个实施例中，极帽增强层在与中央部分相邻的区域中具有外层，所述外层平行于中央部分的圆柱轴线延伸。因此，在一个实施例中，极帽增强层可以以相对于中央部分的圆柱轴线大于80度的纤维方向、以防滑的方式并且在极帽增强层的与中央部分相邻的区域中被包裹。
附图说明
下面详细说明本发明的这些方面和其他方面。在附图中：
图1是根据本发明的方法的用于各个方法步骤的实施例的侧向截面图。
图2是用根据本发明的方法获得的极帽增强层的各种实施例(a)至(c)的侧向截面图。
图3示出了关于根据本发明的方法的极帽增强层的另一实施例。
图4是根据本发明的压力容器的实施例的侧向截面图。
图5是根据本发明的压力容器的另一实施例的侧向截面图，示出了极帽增强层在与中央部分相邻的区域中被包裹。
图6是根据本发明的压力容器的另一实施例的侧向截面图，该压力容器具有作为极帽增强层的止挡件的肩部。
图7示出了根据本发明的用于制造例如根据图4的增强压力容器的方法的实施例。
具体实施方式
图1是根据本发明的方法的用于各个方法步骤的实施例的侧向截面图。在所示的实例中，所提供的第一缠绕体100包括圆柱形的中央部分支撑件120，该圆柱形的中央部分支撑件120在两侧被端部110围住，所述端部110具有极帽12的内胆衬底2的形状。将两个端部110彼此连接起来的中央部分支撑件120具有沿着中央部分支撑件的圆柱轴线ZA的长度LW，该长度LW明显小于圆顶形的端部110的沿着圆柱轴线ZA的高度HP。然而，出于清楚的原因，在所示的实例中，没有示出长度LW比高度HP小一个数量级。其中，与中央部分支撑件120相邻的端部110的区域被指定为边缘区域110r。用于施加220纤维复合材料FVM的缠绕过程在缠绕体100的两个端部110之上并且超出缠绕体100的两个端部110的地方进行。在所示的实例中，已经借助于中间固化过程(在所示的实例中未示出)而在尺寸上被稳定的且由缠绕的纤维复合材料FVM组成的层(后面的极帽增强层32)使用合适的切断方法在端部110之间的过渡处穿过中央部分支撑件120沿着切断表面130被切断240，以产生极帽增强层32。随后，通过从缠绕体100分离250两个极帽增强层31而获得两个单独的极帽增强层32，由此制备所述单独的极帽增强层32以用于被放置到内胆衬底2上。由于缠绕体100的形状，纤维复合材料的纤维能够在连续的过程中以最佳的纤维方向缠绕在端部110上，从而能够以较小的层厚度获得极帽增强层32的高稳定性和强度，因此仅消耗少量的纤维复合材料FVM。由于中央部分支撑件120的短的长度，在切断之后没有或仅有少量的纤维复合材料的浪费，因此大大减少了用于良好地增强极帽12的材料量。
图2是使用根据本发明的方法获得的极帽增强帽32的各个实施例(a)至(c)的侧向截面图。根据实施例(a)，极帽增强层32由第一纤维层321形成，第一纤维层321具有纤维材料FVM的纤维的第一缠绕方向，其相对于中央部分支撑件120的圆柱轴线ZA成一定角度，该角度如此小以至于纤维材料FVM的纤维已经被施加在第一缠绕体100的整个端部110上。根据实施例(b)，继(a)之后，第二纤维层322已经被施加到第一纤维层321上，第二纤维层322具有纤维的第二缠绕方向，其相对于中央部分支撑件120在20度至80度之间、优选地在65度至75度之间。在所示的实例中，这些第二纤维层322仅在三个不同的有限区域32b中被施加到第一纤维层321上。在所示的实例中，仅以示例性目的示出了具体区域。在此有利的是，在缠绕过程中，至少一个限制区域32b覆盖端部110的边缘区域110r。根据实施例(c)，继(b)之后，纤维层321、322被另外的第一纤维层321额外地包裹。这些纤维层321、322、321的包装代表特别坚固的极帽增强层32。
图3示出了关于根据本发明的方法的极帽增强层32的另一实施例，其中在第一缠绕体100的中央部分支撑件120上方以及在端部110上的与中央部分支撑件120相邻的区域32b中机械地去除235纤维复合材料FVM。例如可以通过磨削进行去除。为了确保可以精确地去除材料，仅在已经执行了中间固化过程230之后才在目前尺寸上稳定的纤维复合材料FVM上执行该步骤。由此，之后的极帽增强层32设置有外层32a，在所示的实例中，该外层32a在经受去除的区域32b中平行于圆柱轴线ZA延伸。
图4是根据本发明的压力容器1的实施例的侧视截面图，该压力容器1具有圆柱形的中央部分11和在两侧封闭中央部分11的极帽12，该压力容器1包括内胆衬底2和纤维复合材料FVM，纤维复合材料FVM作为压力容器增强层3施加到内胆衬底2上，其中，制造为单独的纤维复合材料FVM的极帽增强层32被施加到内胆衬底2上，并且极帽增强层32具有面向压力容器2的中央部分11的切断边缘15，在该切断边缘15处，极帽增强层32和压力容器1的中央部分11的与极帽增强层32机械接触的其他纤维复合材料31(FVM)交联，从而形成压力容器增强层3。极帽中的其中一个还具有阀13，阀13用于以填充气体填充压力容器并用于释放出填充气体。其中，极帽增强层32可以包括第一纤维层321和/或第二纤维层322，第一纤维层321具有纤维的相对于中央部分11的圆柱轴线ZA的第一缠绕方向，其如此之小以至于用于极帽12的内胆衬底2在整个表面上被覆盖，第二纤维层322具有纤维的相对于中央部分12的圆柱轴线ZA的第二缠绕方向，其在20至80度之间、优选在65至75度之间，第二纤维层322仅在一个或多个有限区域32b(在所示实例中未详细示出)中部分覆盖用于极帽12的内胆衬底2。其中，第二纤维层322可以至少在极帽12的区域32b中被布置为与压力容器1的中央部分11相邻。其中，极帽增强层32可以包括一系列纤维层，如图2所示。
图5是根据本发明的压力容器1的另一实施例的侧向截面图，示出了在与中央部分11相邻的区域32b中被包裹的极帽增强层32。在此，极帽增强层32在与中央部分11相邻的区域32b中具有外层32a，所述外层32a平行于中央部分11的圆柱轴线ZA延伸。该平行区域如根据图3所描述的那样产生。在所示的实例中，极帽增强层3在这些区域32b中以相对于中央部分11的圆柱轴线ZA大于80度的纤维方向设置有防滑包裹31b，其改善了中央部分增强层31和极帽增强层之间的交联，并且代表了对极帽增强层31的边缘区域的额外增强。
图6是根据本发明的压力容器1的另一实施例的侧向截面图，压力容器1具有作为用于极帽增强层32的止挡件的肩部14。在此，内胆衬底2在从中央部分11到极帽12的过渡处具有该肩部。其中，极帽增强层32被放置260直到肩部14处的止挡件。为确保与中央部分增强层32的良好交联，肩部14和极帽增强层32的切断表面32c应彼此平行延伸。
图7示出了根据本发明的用于制造根据本发明的增强压力容器1(例如参见图4)的方法200的实施例，该方法包括提供210第一缠绕体100(例如参见图1)的步骤，以及使用缠绕过程来将纤维复合材料FVM至少施加220到第一缠绕体100的端部110和中央部分支撑件120上的步骤。为实现该步骤，缠绕体100可以在中央部分支撑件的两侧中的每侧上包括端部110，该端部110的形状对应于的极帽12的内胆衬底2，端部110通过圆柱形中央部分支撑件120彼此连接，所述中央部分支撑件具有沿着中央部分支撑件120的圆柱轴线ZA的长度LW，该长度LW小于圆顶形端部110沿着圆柱轴线ZA的高度HP。优选地，长度LW比高度HP小一个数量级，并且在两个端部110之上和超出两个端部110处进行用于施加220纤维复合材料FVM的缠绕过程。其中，施加步骤220可以包括将一个或多个第一纤维层321切向于凸部而施加222到第一缠绕体100上的步骤、将一个或多个第二纤维层322施加224到第一纤维层321上的步骤以及将用一个或多个另外的第一纤维层321包裹225前述的第一纤维层321和/或第二纤维层322的步骤，第一纤维层321具有纤维材料(FVM)的纤维的相对于中央部分支撑件120的圆柱轴线ZA小于20度的第一缠绕方向，第二纤维层322具有相对于中央部分支撑件120的圆柱轴线ZA的第二缠绕方向，其在20和80度之间、优选为65至75度。在此，第一纤维层可以被施加在缠绕体100的整个端部上。在此，第二纤维层322可以仅在一个或多个有限区域32b中被施加在第一缠绕体100的端部110上。在此，有限区域32b中的至少一个可以覆盖中央支撑件120以及与中央部分支撑件120相邻的端部110的边缘区域110r。在已经缠绕纤维复合层之后，使用合适的中间固化过程230来在尺寸上稳定所缠绕的纤维复合材料FVM，但是，该纤维复合材料FVM随后仍具有化学活性，以用于以后与另外的纤维复合材料31交联。随后，使用合适的切断过程，至少在端部110和中央部分支撑件120之间的过渡处切断240纤维复合材料FVM，以产生极帽增强层32。在此，可以调节中央部分支撑件120的长度LW，以使得切断步骤240导致产生两个单独的极帽增强层32。根据该方法的实施例，在第一缠绕体100的中央部分支撑件120上以及在与中央部分支撑件件120相邻的区域32b中机械去除235纤维复合材料FVM的附加步骤仍然可以被预先执行。从而，之后的极帽增强层32设置有外层，该外层在经受去除的区域32b中至少部分地平行、倾斜或垂直于圆柱轴线ZA延伸。切断步骤之后是从第一缠绕体100分离250极帽增强层31的步骤以及将分离的极帽增强层32放置260到压力容器1的极帽12的相应的内胆衬底2上的步骤。如果内胆衬底2在从中央部分11到极帽12的过渡处具有肩部14，所述肩部14形成用于待放置的极帽增强层32的止挡件，则放置步骤260可以简单地被执行到肩部14处的止挡件。随后，执行极帽增强层32和作为中央部分增强层31的另一纤维复合材料FVM进行交联的步骤270。在交联步骤270之前或之后，可以执行在极帽增强层32的与中央部分11相邻的区域32b中包裹280中央部分增强层31的附加步骤，这允许以相对于中央部分11的圆柱轴线ZA大于80度的纤维方向进行防滑包裹280。
在示出的实例中所示的实施例仅代表本发明的示例，并且因此不应被解释为限制性的。本领域技术人员考虑到的替代实施例同样包括在本发明的保护范围内。
附图标记列表
1 压力容器
11 压力容器的圆柱形中央部分
12 压力容器的圆顶形极帽
13 阀
14 在从中央部分到极帽的过渡处的肩部
15 极帽增强层的朝向中央部分的切断边缘
2 压力容器的内胆衬底
3 压力容器增强层
31 中央部分增强层
31b 极帽增强层的防滑包裹
32 极帽增强层
32a 极帽增强层的外层
32b 极帽增强层的有限区域
32c 极帽增强层32的切断面
321 第一纤维层
322 第二纤维层
100 极帽增强层的第一缠绕体
110 缠绕体的一个端部/两个端部
110r 端部的边缘区域
120 缠绕体的圆柱形中央部分支撑件
130 在切断步骤240中的切断表面
200 制造增强压力容器的方法
210 提供第一缠绕体
220 使用缠绕过程将纤维复合材料施加到第一缠绕体上
222 将第一纤维层施加到第一缠绕体上
224 将第二纤维层施加到第一纤维层上
226 用另外的第一纤维层包裹第一纤维层/第二纤维层
230 使用合适的中间固化过程来在尺寸上稳定缠绕的纤维复合材料
235 机械去除在中央部分上方以及与中央部分相邻的区域中的纤维
复合材料
240 切断纤维复合材料以产生极帽增强层
250 从第一缠绕体分离极帽增强层
260 将分离的极帽增强层放置到压力容器的相应内胆衬底上
270 将极帽增强层和另外的纤维复合材料(FVM)进行交联
280 用另外的纤维复合材料在区域32b中防滑包裹压力容器增强层
290 用另外的纤维复合材料包裹压力容器增强层和压力容器的圆柱
形中央部分
FVM 压力容器增强层的纤维复合材料
HP 圆顶形端部沿圆柱轴线的高度
LW 缠绕体的中央部分支撑件的长度
ZA 压力容器的圆柱形中央部分以及缠绕体的中央部分支撑件的圆
柱轴线

Claims (15)

1.一种用于制造增强压力容器(1)的方法(200)，所述增强压力容器(1)具有圆柱形的中央部分(11)和在两侧封闭所述中央部分(11)的极帽(12)，所述增强压力容器(1)包括内胆衬底(2)和作为压力容器增强层(3)被施加到所述内胆衬底(2)上的纤维复合材料(FVM)，所述方法包括以下步骤：
–提供(210)第一缠绕体(100)，所述第一缠绕体(100)包括至少一个圆顶形的端部(110)和与所述端部(110)相邻的圆柱形的中央部分支撑件(120)，所述至少一个圆顶形的端部(110)对应于所述极帽(12)的所述内胆衬底(2)的形状；
–使用缠绕过程将所述纤维复合材料(FVM)至少施加(220)到所述第一缠绕体(100)的所述端部(110)和所述中央部分支撑件(120)上；
–使用合适的中间固化过程(230)来在尺寸上稳定所缠绕的纤维复合材料(FVM)；
–使用合适的切断过程来在所述端部(110)和所述中央部分支撑件(120)之间至少切断(240)所述纤维复合材料(FVM)，用于产生极帽增强层(32)；
–从所述第一缠绕体(100)分离(250)所述极帽增强层(32)，并将分离的极帽增强层(32)放置(260)到所述压力容器(1)的所述极帽(12)的相应的内胆衬底(2)上；
–使用缠绕过程将所述纤维复合材料(FVM)施加到与单独产生的极帽增强层(32)重叠的内胆(2)上；和
–将所述极帽增强层(32)与另外的纤维复合材料(FVM)进行交联。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，执行将所述纤维复合材料(FVM)施加(220)到所述第一缠绕体(100)上的步骤，以使得所述极帽增强层(32)包括第一纤维层(321)和/或第二纤维层(322)，其中，所述第一纤维层(321)具有所述纤维材料(FVM)的纤维的第一缠绕方向，所述第一缠绕方向相对于所述中央部分支撑件(120)的圆柱轴线(ZA)小于20度，所述第二纤维层(322)具有纤维的第二缠绕方向，所述第二缠绕方向相对于所述中央部分支撑件(120)的圆柱轴线(ZA)在20度和80度之间、优选为65度至75度。
3.根据权利要求2所述的方法(200)，其中，所述第一纤维层(321)被施加成遍布于所述第一缠绕体(100)的所述端部(110)上，优选地，其中，有限区域(32b)中的至少一个覆盖所述中央支撑件(120)和与所述中央部分支撑件(120)相邻的所述端部(110)的边缘区域(110r)。
4.根据权利要求2或3所述的方法(200)，其中，施加(220)所述纤维材料(FVM)的步骤包括以下步骤：
–将一个或多个第一纤维层(321)施加(222)到所述第一缠绕体(100)上；
–将一个或多个第二纤维层(322)施加(224)到所述第一缠绕体(321)上；
–优选地，用一个或多个另外的第一纤维层和/或第二纤维层(321)来包裹(225)前述第一纤维层(321)和/或第二纤维层(322)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，具有与所述极帽(12)的所述内胆衬底(2)相对应的形状的所述端部(110)中的一个被布置在所述中央部分支撑件(120)的两侧中的每侧上，并且，将所述两个端部(110)彼此连接的所述圆柱形的中央部分支撑件(120)具有沿着所述圆柱轴线(ZA)的长度(LW)，所述长度(LW)小于所述圆顶形端部(110)沿着所述圆柱轴线(ZA)的高度(HP)，优选地，其中，所述长度(LW)比所述高度(HP)小一个数量级，并且用于施加(220)所述纤维复合材料(FVM)的缠绕过程在两个端部(110)之上和超出所述两个端部(110)处进行，优选地，其中，所述中央部分支撑件(120)的所述长度(LW)被调节成使得切断(240)所述纤维复合材料(FVM)的步骤导致产生两个单独的极帽增强层(32)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，包括以下附加步骤：在所述中央部分支撑件(120)之上和在所述第一缠绕体(100)的所述端部(110)之上的与所述中央部分支撑件(120)相邻的区域(32b)中机械地去除(235)纤维复合材料(FVM)，所述附加步骤是在使用所述中间固化过程(230)的步骤和至少切割(240)所述纤维复合材料(FVM)的步骤之间进行的，其中，以后的极帽增强层(32)设有外层(32a)，所述外层(32a)在经受去除的区域(32b)中至少部分平行于所述圆柱轴线(ZA)延伸，优选地，其中，所述内胆衬底(2)在从所述中央部分(11)到所述极帽(12)的过渡处具有肩部(14)，所述肩部(14)形成用于待放置的所述极帽增强层(32)的止挡件，并且其中，放置(260)的步骤朝所述肩部(14)处的止挡件而执行，或者，包括附加步骤：在所述中央部分支撑件(120)之上和在所述第一缠绕体(100)的所述端部(110)上的与所述中央部分支撑件(120)相邻的区域(32b)中，机械地去除(235)纤维复合材料(FVM)，所述附加步骤在使用所述中间固化过程(230)的步骤和至少切断(240)所述纤维复合材料(FVM)的步骤之间进行，其中，以后的极帽增强层(32)设有外层(32a)，所述外层(32a)在经受去除的所述区域(32b)中至少部分地以相对于所述圆柱轴线(ZA)大于0度的角度延伸。
7.根据权利要求6所述的方法(200)，包括另外的步骤：在与所述中央部分(11)相邻的所述极帽增强层(32)的区域(32b)中包裹(280)所述极帽增强层(32)，其允许以相对于所述中央部分(11)的所述圆柱轴线(ZA)大于80度的纤维方向防滑地进行包裹(280)。
8.根据权利要求6或7所述的方法(200)，包括另外的步骤：用另外的纤维复合材料(FVM)包裹(290)所述极帽增强层(32)和所述中央部分(11)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，在所述端部(110)和所述中央部分支撑件(120)之间至少切断(240)所述纤维复合材料(FVM)的步骤之后并且在从所述第一缠绕体(100)分离(250)所述极帽增强层(32)的步骤之前，加工切割区域的边缘区域，以扩大接触表面，用于以后的包裹和所述接触表面的相应成形，从而在以后的压力容器生产期间在极帽增强和以后的包裹之间进行应力顺应的负载传递。
10.一种压力容器(1)，所述压力容器(1)具有圆柱形的中央部分(11)和在两侧封闭所述中央部分(11)的极帽(12)，所述压力容器(1)包括内胆衬底(2)和作为压力容器增强层(3)施加到所述内胆衬底(2)上的纤维复合材料(FVM)，其中，产生为单独的纤维复合材料(FVM)的所述极帽增强层(32)被放置到所述内胆衬底(2)上，并且所述极帽增强层(32)具有面向所述压力容器(1)的所述中央部分(11)的切断边缘(15)，在所述切断边缘(15)处，所述极帽增强层(32)与机械接触于所述极帽增强层(32)的所述压力容器(1)的所述中央部分(11)的其他的纤维复合材料(31，FVM)交联，以形成压力容器增强层(3)。
11.根据权利要求10所述的压力容器(1)，其特征在于，所述极帽增强层(32)包括第一纤维层(321)和/或第二纤维层(322)，其中，所述第一纤维层(321)具有纤维的相对于所述中央部分(11)的所述圆柱轴线(ZA)小于20度的第一缠绕方向，其在整个表面上覆盖用于所述极帽(12)的所述内胆衬底(2)，所述第二纤维层(322)具有纤维的相对于所述中央部分(12)的所述圆柱轴线(ZA)在20度和80度之间的第二缠绕方向，其仅在一个或多个有限区域(32b)中部分覆盖用于所述极帽(12)的所述内胆衬底(2)，优选地，其中，所述第二纤维层(322)至少布置在所述压力容器(1)的所述极帽(12)的与所述中央部分(11)相邻的区域(32b)中。
12.根据权利要求10或11所述的压力容器(1)，其特征在于，所述极帽增强层(32)包括与所述极帽(12)的所述内胆衬底(2)接触的一个或多个第一纤维层(321)，在所述一个或多个第一纤维层(321)上的一个或多个第二纤维层(322)，优选地，其中，前述第一纤维层(321)和/或第二纤维层(322)被一个或多个另外的第一纤维层(321)包裹。
13.根据权利要求10至12所述的压力容器(1)，其特征在于，所述内胆衬底(2)在从所述中央部分(11)到所述极帽(12)的过渡处具有肩部(14)，所述肩部(14)形成用于所放置的极帽增强层(32)的止挡件。
14.根据权利要求10至13所述的压力容器(1)，其特征在于，所述极帽增强层(32)和所述中央部分(11)被另外的纤维复合材料(FVM)包裹。
15.根据权利要求10至14所述的压力容器(1)，其特征在于，所述极帽增强层(32)在与所述中央部分(11)相邻的区域中具有外层(32a)，所述外层(32a)平行于所述中央部分(11)的所述圆柱轴线(ZA)延伸；和/或
所述极帽增强层(32)在所述极帽增强层(32)的与所述中央部分(11)相邻的区域(32b)中以防滑包裹(31b)以相对于所述中央部分(11)的所述圆柱轴线(ZA)大于80度的纤维方向(FVM)而被包裹。
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