CN113614438B - 压力容器和用于制造压力容器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力容器(5)，所述压力容器具有壁(10)，所述壁包围内部空间(8)，其中，所述壁(10)具有由壁线(20)形成的布置结构并且具有基体(22)，并且所述压力容器还设有内部结构(9)，所述内部结构具有一定数量的用于张紧的内线(20、32、34)，其中，各内线在相应的入口位置(16)处进入到壁(10)中并且锚定在基体(22)中；各内线各自将壁的至少两个入口位置彼此张紧；并且各内线为了锚定在基体中而分别在两个入口位置(16)之间围绕一定数量的壁线(20)，和/或在一定数量的壁线(20)与壁的外侧(12)之间伸展穿过基体。这这里公开的技术还涉及一种用于制造这样的压力容器的方法。

Description

压力容器和用于制造压力容器的方法
技术领域
在这里公开的技术涉及一种压力容器以及一种用于制造这样的压力容器的方法。
背景技术
压力罐本身原则上是已知的。所述压力罐例如可以实施为纤维增强的压力罐。所述压力罐例如在机动车中或在其他移动单元中用于存放燃料，所述燃料在室温和常压情况下是气态的。通过在高压情况下存放燃料，可以在预设的容积中存放显著较大量的燃料。
已表明的是，压力罐通常应适配于特定的存在的结构空间(所述结构空间在机动车中存在)，以便尽可能利用这样的结构空间。这样的结构空间通常没有简单的形状、例如球形形状或柱形形状。压力罐越能适配于安装空间，存在的空间就越能够更好地被利用。
为此，由现有技术已知例如蛇形罐、小香肠形罐或蜂窝形罐。蛇形罐例如由多个连通的具有较小直径的罐构成。然而，由此在各罐之间的空间保持未被利用。蜂窝形罐也利用在各罐之间的空间，方式为：蜂窝形罐至少对于在各罐之间的内置的壁偏离圆形的形状。因为在两侧存在相同的压力，所以在那里不需要圆形的形状。然而，蜂窝形罐在制造方面是耗费的。此外，通过通常的缠绕方法仅吸收垂直于纵轴线的应力。
对于沿纵向方向的应力需要单独的解决方案。此外，在蜂窝形罐中，除了非常耗费的制造之外还为内壁设置树脂和内衬，由此降低了容器的使用容积。
发明内容
因此，任务是，提供一种压力容器，所述压力容器对此替代性地或更好地实施，例如还更好地利用存在的结构空间。此外，任务是，提供一种用于制造这样的压力容器的方法。
这通过如下所述的压力容器和方法来实现。
在这里公开的技术涉及一种压力容器。所述压力容器具有壁，所述壁包围内部空间，其中，所述壁具有由壁线形成的布置结构并且具有基体，其中，所述布置结构埋入在所述基体中。压力容器具有内部结构，所述内部结构具有一定数量的内线。各内线在相应的入口位置处进入到壁中并且锚定在所述基体中，各内线各自将壁的至少两个入口位置彼此张紧；并且各内线为了锚定在基体中而分别在两个入口位置之间围绕一定数量的壁线，和/或在一定数量的壁线与壁的外侧之间伸展穿过基体。
通过使用刚刚描述的压力容器，可行的是，仅仅或至少部分地通过内线来提供所需的稳定性。与从现有技术中已知的内壁或具有单独的罐的实施方案相比，内线显著地较不耗费并且占据明显较小的容积。由此能够实现优化的结构空间利用，并且仅非常小的容积由于内壁而损失。
由壁线形成的布置结构例如可以实施成网状的。各内线例如可以成组地彼此平行地设置。通过张紧相应的入口位置能够实现抵抗这些壁位置的对应的膨胀的稳定性。
根据一种实施方案，各内线为了锚定在基体中而分别在两个入口位置之间围绕一定数量的壁线。在此，在制造时，内线可以例如经由线存储装置(例如辊)引导穿过壁线，或在使用自由的线端时例如可以将内线的自由的线端在较长的路径上引导穿过壁线，以便至少再次返回横穿内部空间。
根据另一种实施方案，相应的内线在一定数量的壁线和壁的外侧之间伸展穿过基体。该实施方案具有制造技术上的优点，因为该实施方案能够实现锚定，其中，内线仅需要在最小地需要的路段上被引导。
所提及的实施方案也可以组合，也就是说，可以设有围绕壁线的内线，并且可以设有在壁线与壁的外侧之间伸展的内线。通过所述两种可行的实施方案可以实现将内线相应地锚定在壁中。
根据一种实施方案，相应的内线在其两个入口位置之间仅在基体内伸展。由此能够避免可能的不密封性，所述不密封性可能由于内线从壁的外侧出来而产生。
根据一种实施方案，壁构造成平滑的。根据另一种实施方案，壁以彼此邻接的球形部段和/或柱形部段的形式构造。这些实施方案也可以组合，也就是说，壁的一部分可以构造成平滑的，而壁的一部分可以以彼此邻接的球形部段和/或柱形部段的形式构造。这可以分别涉及壁的外边界和壁的内边界。然而，壁的外边界和壁的内边界也可以实施成不同的。例如，也可以设置组合方案，其中，例如外侧可以实施成平滑的，而在内侧设置球形部段和/或柱形部段。
只要设置球形部段和/或柱形部段，所述球形部段和/或柱形部段就优选具有小于2.5cm的直径并且特别优选具有小于1cm的直径。这已被证实对于典型的应用是有利的。由此能够尤其是实现有利的压力分布并且将壁厚度降低至最小地需要的程度。
根据一种优选的实施方案，至少一些或所有入口位置位于在两个彼此邻接的球形部段和/或柱形部段之间的相应的边界处。这在稳定性方面已被证实是有利的。
优选地，内线完全或部分自由地在内部空间中伸展。进一步优选地，内线在内部空间中不埋入到基体或内衬中。由此能够实现尽可能好的空间利用。对应的实施方案可以涉及所有的内线或仅涉及内线的一部分。最后，与包裹的实施方案相比，不被内衬和/或基体包裹的每个内线可以导致更好的空间利用。
优选地，内线和壁线彼此交织成平纹组织、斜纹组织或缎纹组织。这样的交织方法已被证实对于典型的应用是有利的。
根据一种优选的实施方案，内线将壁沿一个空间方向、沿两个空间方向或沿三个空间方向张紧。由此能够沿相应的空间方向实现对应的稳定性。可以考虑特定的几何需求。
优选地，内线部分地埋入到基体中，从而在内部空间中构造有一定数量的外置的、分别气密地隔开的腔室。这些腔室可以尤其是靠近壁的内面。由此能够在外侧处实现附加的密封性，从而例如将压力容器的还进一步内置的内部空间通过所述气密地隔开的腔室来与外部的壁隔开。由此能够例如提高对冲击或机械损伤的抵抗力。此外，可以通过这样的腔室来执行泄漏测试，因为这样的腔室能够彼此独立地置于压力下。
在这里公开的技术还涉及一种制造如在这里描述的压力容器的方法。关于压力容器，可以使用这里描述的所有实施方案和变型方案。在所述方法中，壁线连同内线的相应的相邻的或围绕的区段浸入到基体材料的浴液中，在此，基体材料通过沿着内线向上爬升而构造壁的在内线之间的凹的边界面。
通过这样制造壁的凹的边界面能够实现对高压的较好的抵抗力。所描述的基于浸入到基体材料的浴液中的方法已被证实在如下方面是特别有利的，即在没有高的设备花费的情况下构造这样的凹的边界面。
与此对应地，在如这里描述的压力容器中优选构造有壁的凹的边界面，尤其是在内部中并且尤其是以如下方式构造，即相应地在内线处的是壁的相应地位于最内的点。
壁线例如可以形成网络或线性结构。对于壁或对于应嵌入到基体中的内线，可以尤其是使用如下的基体材料，所述基体材料在没有内衬的情况下足够应付，也就是说，在没有内衬的情况下，所述基体材料对要存放的气体的逸出具有足够的密封性。然而，替代于此，也可以使用单独的内衬，所述内衬例如可以以液态的形式添加到压力容器的内部中，其中，所述压力容器然后运动，以便将压力容器的壁的整个内表面润湿。
优选地，内线的相应的入口位置成对地彼此对置。由此能够实现有利的张紧和对高压的抵抗力。
通过在球形部段形的和/或柱形部段形的壁情况下使用小的直径，不仅可以由于更好地适配于平面壁或其他环境而提高容积效率，而且还可以附加地避免厚壁效应，这意味着随着在内径和外径之间的半径增加而越来越强烈地降低的拉应力。这也因此引起容积效率的进一步提高。因此，优选使用少数几个层的纤维材料并且尤其是仅使用一层纤维材料。
附图说明
本领域技术人员在下面参照附图描述的实施例中得到其他特征和优点。在附图中：
图1示出一种压力容器，
图2示出内线的可行的第一布置结构，
图3示出内线的可行的第二布置结构，
图4示出内线的可行的第三布置结构，并且
图5示出内线的可行的锚定。
具体实施方式
图1示出根据一种实施例的压力容器5。所述压力容器5具有壁10。所述壁10具有外侧12和内侧14。壁10包围内部空间8，在所述内部空间中可以存放处于压力下的气体或其他物质。
壁10可以由一定数量的壁线20以及基体22构成，各壁线20埋入在所述基体中。在此，壁线20在当前情况下设置在未进一步示出的网状结构中。
在压力容器5的内部中设置有内部结构9，所述内部结构具有一定数量的竖直的内线30和水平的内线32。各内线30、32在此在相应的入口位置16处进入到壁10中或者说进入到基体22中。
在此，如示出的那样，内线30、32相应地围绕壁线20。由此，内线30、32与壁线20交织，因此可以建立特别高的稳定性。原则上，内线30、32锚定在基体22中。
如示出的那样，入口位置16分别成对地彼此对置，在所述入口位置处，内线30、32进入到壁10中。内线30、32能够以这样的方式有利地确保压力容器5的稳定性，因为相应的入口位置16的拉开和因此还有壁10的拉开能够通过内线30、32来防止。这允许在壁厚保持不变的情况下的较高的压力负荷，或者对于特定的压力允许较低的壁厚。
已表明的是，根据一种有利的实施方案，仅在壁10中将内线30、32埋入到基体22中，以便防止滑脱。对于纯受拉的内部空间8，可以放弃在其他情况下围绕内线30、32的基体。因此，内线30、32自由地位于内部空间8中。这例如在假设纤维体积含量为60％的情况下节省所有内壁的体积的总共40％，其中，该因此而空出来的体积附加地用于存储燃料。换句话说，内壁简化为拉杆。
如已经提到的那样，内线30、32在壁10中的锚定通过在壁10中伸展的壁线20来支持。多个并且交叉的壁线20也可以用于相应地锚定一个内线30、32。反之，一个壁线20也可以用于相应地锚定多个内线30、32。换句话说，所有的组织类型，例如平纹、斜纹或缎纹编织也可以用于壁线20和内线30、32的相互作用。
图2示出一种替代性的实施方案，在该实施方案中，仅存在在一个维度中的通过内线30引起的拉力支撑。图3示出从图1中已知的实施方案，在该实施方案中，存在在两个维度中的通过内线30、32引起的支撑。图4示出另一种替代性方案，其中，存在在三个维度中的通过内线30、32、34引起的支撑。这样的实施方案可以在压力容器10中使用。然而，内线30、32、34的其他布置结构也是可行的。
在一些空间方向中没有由于内线30、32、34而存在支撑，这些空间方向可以例如相应地以如在传统的压力罐的设计方案中的解决方案来实施。通过将纤维或者说线从壁10移动到内部空间中可以设计与传统的解决方案(例如柱形或球形)明显不同的空间，并且现在可以具有平面的罐壁。内衬可以施加在外壁的内侧上。然而，优选地，也可以使用基体材料，其使得不需要使用内衬作为单独的渗透屏障。尤其地，可以为此使用热塑性塑料或热固性塑料作为基体材料。
图5示出将内线30锚定在壁10中的替代性的实施方案，该替代性的实施方案可以与在图1中示出的实施方案在压力容器中组合或也可以仅作为替代性方案使用。在此，内线30不包围壁线20，而是在壁线20与壁10的外侧12之间以大致T形的方式埋入到基体22中。由此也能够实现高的稳定性和良好的锚定。尽管如此，壁线20在对应的荷载情况下仍用作用于内线30的稳定件。
“半T形”或者说“L形”，即基本上埋入在一侧，也是可行的。然而，优选的是三维的埋入，即内纤维30在基体22中伸展成，使得内纤维在内部空间8中的伸展和在基体22中的伸展不位于一个平面中。例如，在基体22中的伸展可以描绘圆形、椭圆形或“8字形”。
用于壁10的基体的制造可以通过不同的方法来进行。例如，较晚的壁或者说壁线20可以浸入到树脂浴液中。在此时，重力和毛细力可以引起基体材料围绕内线30、32、34，从而避免刚度跃变。为此，也可以使用增材制造方法，尤其是液体材料方法。浴液和浸入方法和液体材料方法的执行都由于罐壁的平面的几何结构而明显变得容易。
优选地，在制造罐壁时，通过基体也可以产生围绕内线30、32、34的凹的结构，更准确地说从内部空间向外观察。这已经在图1中被示出。这样的凹的结构有利地影响强度特性，因为作用到外壁上的力良好地分布到内线30、32、34上。
理想地，压力容器10设计成，使得随着内部压力的上升，在所有侧面都进行均匀的膨胀。由此在很大程度上避免弯曲力。
锚定在外壁中的内线30、32、34的单位面积密度直接影响相应的面元件的刚度特性。通过适配锚定在壁10中的内线30、32、34的单位面积密度，可以因此设计或加强均匀的膨胀。尤其地，这可以应用在边缘和拐角的附近处，因为壁10通过壁线20具有横向于内线30、32、34的固有刚度，这被考虑用于设计压力容器10。
为了还进一步提高容器安全性，可以不对所有内置的壁或内线30、32、34实行完全省去内衬和基体材料。代替于此，通过针对靠近罐壁10的内壁有针对性地使用基体和可能也使用内衬，可以实现一种双壁结构或一般性而言实现一种多壁结构。这可以例如用于泄漏诊断。此外，针对例如在碰撞情况下的外部的机械影响的特性也得到改善。
完全一般性地，在内部空间8中的内线30、32、34改善破裂特性，因为内线实现对如在罐破裂的情况下会发生的非常高的速度的流动障碍，并且因此可以在破裂事件中有效地抚平压力波。在没有围绕的基体材料的情况下，通过内线30、32、34实现到壁10的非常有效的热传递。此外，内线30、32、34实现非常大的表面。
例如，也可以使用短纤维增强的塑料或金属合金来制造壁10，其中，例如可以使用非常成本有利的挤出方法。在短纤维增强的塑料的情况下，应优选如此进行成型，使得在此时，纤维在压力罐10的负荷方向上定向。在这里，也可以再次使用增材制造方法。因此，例如可以使用粉末床方法，优选利用金属粉末来使用粉末床方法。因此，通过对应的过程控制，例如壁10可以设计为气密的，但内壁有意地设计为透气的。
总体上已表明的是，在所讨论的实施方案中的压力容器10的情况下，容积效率得到非常大的改善。对方形的或不同设计的结构空间的有效利用能够得以实现。此外，至壁10的非常有效的热传导得以实现。此外，通过内部的多壁结构能够实现破裂保护和附加的安全性。

Claims (9)

1.一种压力容器(5)，所述压力容器具有：
壁(10)，所述壁包围内部空间(8)，其中，所述壁(10)具有由壁线(20)形成的布置结构并且具有基体(22)，其中，所述布置结构埋入在所述基体(22)中；和
内部结构(9)，所述内部结构具有一定数量的内线(30、32、34)；
其中，各内线(30、32、34)在相应的入口位置(16)处进入到壁(10)中并且锚定在基体(22)中；
各内线(30、32、34)各自将壁(10)的至少两个入口位置(16)彼此张紧；并且
各内线(30、32、34)为了锚定在基体(22)中而分别在两个入口位置(16)之间围绕一定数量的壁线(20)，和/或在一定数量的壁线(20)与壁(10)的外侧(12)之间伸展穿过基体(22)；
在制造壁(10)时通过基体(22)也产生围绕内线(30、32、34)的凹的结构。
2.根据权利要求1所述的压力容器(5)，其中，相应的内线(30、32、34)在其两个入口位置(16)之间仅在基体(22)内伸展。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器(5)，其中，所述壁(10)构造成平滑的或以彼此邻接的球形部段和/或柱形部段的形式构造。
4.根据权利要求3所述的压力容器(5)，其中，至少一些或所有入口位置(16)位于在两个彼此邻接的球形部段和/或柱形部段之间的相应的边界处。
5.根据权利要求1或2所述的压力容器(5)，其中，各内线(30、32、34)完全或部分自由地在内部空间(8)中伸展，和/或在内部空间(8)中不埋入到基体中或不埋入到内衬中。
6.根据权利要求1或2所述的压力容器(5)，其中，各内线(30、32、34)和壁线(20)彼此交织成平纹组织、斜纹组织或缎纹组织。
7.根据权利要求1或2所述的压力容器(5)，其中，各内线(30、32、34)将壁(10)沿一个空间方向、沿两个空间方向或沿三个空间方向张紧。
8.根据权利要求1或2所述的压力容器(5)，其中，各内线(30、32、34)部分地埋入到基体中，从而在内部空间(8)中构造有一定数量的外置的、分别气密地隔开的腔室。
9.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的压力容器(5)的方法，
其中，壁线(20)连同内线(30、32、34)的相应的相邻的或围绕的区段浸入到基体材料的浴液中，
其中，基体材料通过沿着内线(30、32、34)向上爬升而构造壁(10)的在各内线(30、32、34)之间的凹的边界面。
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