CN115243869A - 用于制造压力容器的方法和压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力容器和一种用于制造压力容器的方法，其中，所述压力容器(1)具有内衬(10)和包围所述内衬(10)的纤维增强层压物(30)，该层压物具有第一纤维层(32)和第二纤维层(34)，各纤维层结合到基质材料(36)中。所述方法包括步骤：a)提供用于储存流体的内衬(10)，该内衬具有一个柱形区域(12)和两个位于柱形区域(12)的相对置的各端部上的盖区域(14A、14B)，b)在所述盖区域(14A、14B)和柱形区域(12)上用浸渍有所述基质材料(36)的纤维材料缠绕内衬(10)，以形成第一纤维层(32)，该第一纤维层已经被基质材料(36)渗透，c)围绕第一纤维层(32)设置第二纤维层(34)，第二纤维层(34)由至少一个干纤维编织软管形成，并且d)在不供应额外基质材料的情况下进行基质材料(36)的时效硬化或固结，以形成纤维增强层压物(30)。

Description

用于制造压力容器的方法和压力容器
技术领域
本发明涉及一种用于制造压力容器、尤其是制造用于机动车的氢气罐的方法以及这种压力容器。
背景技术
车辆、尤其是机动车中使用的氢气罐一方面必须重量轻，以避免不必要地增加车辆重量，另一方面必须非常稳定，以承受储存氢气所需的高压。此外，在发生车辆碰撞的情况下，储罐不得出现严重失效。
这种压力容器通常具有气密地为压力容器加衬里的内衬以及确保压力容器的稳定性的外套。公开文件DE102017206521A1公开了压力容器，在其中，外套由纤维增强夹层结构形成。纤维增强夹层结构包括包围柱形内部区域并围绕柱形区域纵向轴线缠绕的第一纤维层并且包括第二纤维层，该第二纤维层包围柱形区域及与柱形区域相邻的盖区域并且至少在盖区域中进行编织。
为了制造压力容器，根据DE102017206521A1，首先施加第一纤维层并使其时效硬化，然后施加第二纤维层并使其时效硬化。在一种替代的方法变型方案中，第一和第二纤维层可以由干纤维制成，共同以树脂浸润并且随后时效硬化。另一种变型方案规定，为第一和第二纤维层使用预浸渍纤维并且将两个纤维层共同时效硬化。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是，提出一种可以制造压力容器的替代可能性。尤其是压力容器应以经济上特别有利的方式制造并且该方法应适合大批量生产。
所述任务通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求9所述的压力容器来解决。从从属权利要求和以下说明得到其它有利的实施方式。
提出一种用于制造压力容器的方法，其中，所述压力容器具有内衬和包围所述内衬的纤维增强层压物，该层压物具有第一纤维层和第二纤维层，各纤维层结合到基质材料中，所述方法包括下述步骤：
a)提供用于储存流体、优选氢气的内衬，该内衬具有一个柱形区域和两个位于柱形区域的相对置的各端部上的盖区域，
b)在所述盖区域和柱形区域上用浸渍有所述基质材料的纤维材料缠绕内衬，以形成第一纤维层，该第一纤维层已经被基质材料渗透，
c)围绕第一纤维层设置第二纤维层，第二纤维层由至少一个干纤维编织软管形成，并且
d)在不供应额外基质材料的情况下进行基质材料的时效硬化或固结，以形成纤维增强层压物。
换句话说，当用第一纤维层缠绕内衬时，已经施加了整个纤维增强层压物所需的必要的基质材料量。用于第一纤维层的纤维材料为此以基质材料“超载”(überladen)。由此，可提供足够的基质材料，以便也充分湿润或浸透后来施加的第二纤维层并使其一同结合到层压物中。由此不必在后来浸润纤维层，从而简化了所需的设备技术，降低了制造成本，且不必忍受压力容器稳定性的损失。
内衬用于将流体储存在压力容器中。内衬因此设计成流体密封的。如果压力容器例如用作氢气罐，则内衬尤其是不可渗透氢气。内衬是大致柱形的并且具有柱形区域。根据柱形区域来定义内衬的纵向轴线，该纵向轴线也是压力容器的纵向轴线。柱形区域的两端分别用一个盖区域封闭。可以在一个或两个盖区域中设置用于连接的开口。内衬优选构造成一体的。内衬例如可以由塑料或金属制成。在后一种情况下，内衬可以有助于压力容器的稳定性。优选内衬设计为热塑性吹塑成型部件，由此可以实现小壁厚和轻重量。
纤维增强层压物包围内衬，该纤维增强层压物确保压力容器的稳定性。该纤维增强层压物包含基质材料，纤维层嵌入其中。纤维层包括增强纤维，如碳纤维、玻璃纤维和/或芳族聚酰胺纤维。纤维层尤其是由连续纤维制成。作为基质材料可使用热固性或热塑性塑料材料。
为了制造纤维增强层压物，首先施加第一纤维层，然后向该第一纤维层上施加第二纤维层。在此，第一纤维层被缠绕并且第二纤维层构造为编织物。术语“纤维层”不限于一层纤维，也可以将两层或优选更多纤维层相叠地布置，以形成“纤维层”。
用已经浸渍有基质材料的纤维材料进行第一纤维层的缠绕。纤维材料在此被有意以基质材料“超载”。也就是说，加入到纤维材料中的基质材料多于后来在第一纤维层中所需的量。更确切地说，这样选择基质材料的含量，使得其足够用于整个纤维增强层压物并且也一同结合由编织物制成的第二纤维层。以基质材料浸渍的、用于第一纤维层的缠绕的纤维材料在具有热固性基质的情况下尤其可以是湿浸渍粗纱、预浸渍粗纱或预浸料，并且在具有热塑性基质的情况下尤其是可以是纤维增强带和混合粗纱，它们除了含有增强纤维外还含有热塑性纤维。在此这样调节热塑性纤维的纤维体积分数，使得热塑性塑料含量足够作为基质材料。
在一种优选实施方式中，第一纤维层通过用湿浸渍粗纱进行纤维缠绕而形成。为此例如在即将缠绕内衬之前，将粗纱拉过基质浴或以其它方式用液态热固性基质材料润湿。粗纱在此如上所述被有针对性地以基质材料超载，从而在缠绕过程完成之后已经施加了所需的基质材料量。湿浸渍纤维的基质材料具有相当低的粘度，因此也可以很好地浸透随后施加的编织物并将其结合到层压物中。因此，以简单的方式将第二纤维层特别好地结合到基质材料中。
在一种实施方式中，第一纤维层的缠绕可以通过纤维缠绕或带缠绕进行。纤维缠绕是一种铺置技术，在其中，连续纤维束(粗纱)紧密地并排缠绕在芯件(在此是内衬)上。在柱形区域中，粗纱优选根据负荷而与压力容器或者说内衬的纵向轴线成一定角度缠绕。在各盖区域中，缠绕也可以以一定角度倾斜于纵向轴线进行，由此形成交叉层并防止纤维从盖上滑落。在带缠绕的情况下，使用单向纤维增强带代替粗纱，该带并排或部分重叠地缠绕在芯件上。
在一种替代实施方式中，第一纤维层通过用预浸料缠绕内衬形成。预浸料是一种板状、预浸渍的半成品。在此，一层或多层连续纤维已经嵌入热固体基质材料中并且基质材料处于部分时效硬化状态。预浸料坯件例如可以在压力容器的长度上延伸。在使用预浸料的情况下，第一纤维层可以特别省时地缠绕在内衬上。在使用预浸料的情况下，柱形区域中的纤维也根据负荷而与纵向轴线成一定角度定向。
由于所需的基质材料已经随着第一纤维层被施加，接下来的第二纤维层仅由干纤维制成。在此，未用基质材料浸渍的增强纤维称为“干纤维”。
第二纤维层由编织物形成。第二纤维层优选在整个第一纤维层上延伸，即在内衬的两个盖区域和所述柱形区域上延伸。
在一种实施方式中，第二纤维层通过用干纤维围绕内衬和第一纤维层编织而形成。编织纤维形成编织软管，该编织软管在外部围绕第一纤维层形成。在该实施方式中，编织软管在编织过程期间直接围绕衬垫和第一纤维层形成并被铺置在待编绕的半成品上。为此例如可以引导载有第一纤维层的内衬通过径向编织机。编织软管例如可以是双轴向编织物或三轴向编织物，在其中，还携带平行于压力容器纵向轴线的附加地经。通过编织第二纤维层，可以在编织过程期间改变编织角度并由此例如在各盖区域上有针对性地形成与柱形区域中不同的编织物。多个编织软管可以相叠地被施加。
在一种替代实施方式中，第二纤维层通过套上一个或多个预制编织软管来施加。编织软管例如从一侧被套到内衬和第一纤维层上或被展开，直到它从一个盖区域经过柱形区域延伸到另一个盖区域。通过在端侧拉紧编织线，编织软管可以匹配于盖区域的形状。由于为编织物使用干纤维，因此这种编织软管可以毫无问题地预制和储存，从而可以缩短压力容器的生产时间。
步骤d)中，基质材料的时效硬化可以以有利的方式在烘箱过程中进行。这种构件时效硬化比在调温模具如RTM(树脂传递模塑)模具中的时效硬化要便宜得多，也快得多，由此可以进一步降低制造成本。
在一种替代实施方式中，步骤d)中的时效硬化可以在调温模具中进行。为此例如将缠绕有纤维层的内衬放置在挤压模具中，关闭模具，并且在那里在升高的温度和压力下挤压压力容器，并且基质材料进行时效硬化。
为了保持形状，在制造压力容器期间，可以用内部压力加载内衬，例如内衬可以被填充流体如空气或水并被置于压力下。
优选，所使用的基质体系是热固性基质体系。原则上，在该方法中也可使用热塑性基质体系。例如缠绕热塑性纤维带将特别适合于此。为了施加第一和第二纤维层，基质材料被加热并且随后在步骤d)中固结。在使用热塑性基质材料的情况下，可以省略后续的烘箱过程或调温模具使用，从而降低制造成本。
此外，提出一种压力容器，其包括用于储存流体的内衬，该内衬具有一个柱形区域和两个位于柱形区域的相对置的各端部上的盖区域，还包括包围内衬的纤维增强层压物，该层压物具有第一纤维层和第二纤维层，各纤维层结合到共同的基质材料中。第一纤维层在盖区域和柱形区域上缠绕内衬，并且第二纤维层由至少一个围绕第一纤维层设置的编织软管形成。
压力容器尤其可以是用于机动车的氢气罐。上述压力容器的特点是结构轻巧但稳定性高。
这种压力容器可以借助上述方法以特别经济的方式制造。
结合压力容器描述的特征和细节也适用于根据本发明的方法，反之亦然，因此本发明的各个方面的公开内容总是被或可以相互引用。
本发明的其它优点、特征和细节由以下说明得出，其中参照附图详细描述了本发明的实施例。在权利要求和说明书中提到的特征可以单独或以任何组合对本发明是必要的。如果在本申请中使用“可以”一词，则这既涉及技术可能性，也涉及实际的技术实现。
附图说明
下面参照附图解释实施例。附图如下：
图1以纵向剖视图示出一种示例性压力容器的局部；
图2示出内衬的示意图；和
图3示出压力容器在该方法的不同时间点的横截面示意图。
具体实施方式
图1示出用于机动车的以氢气罐形式的示例性压力容器1的纵向剖面图。图1中仅示出压力容器1的左半部分。压力容器1尤其可以是旋转对称的。
压力容器具有内衬10，参见图2。内衬10具有一个柱形区域12和两个位于柱形区域12的各端部上的盖区域14A、14B。图1中仅示出一个盖区域14A以及柱形区域12的一部分。在盖区域14A中还可以设置用于安装阀的连接件20，即所谓的“凸台”。这例如可以是带螺纹的金属构件，其套装在内衬10的盖区域14A上。在柱形区域12的另一端部上，内衬10具有图1中未示出的第二盖区域14B，在第二盖区域中可以设置例如封闭件或其它连接可能性。
在外部围绕内衬10构造有纤维增强层压物30。该纤维增强层压物包括第一纤维层32和第二纤维层34。第一纤维层32围绕内衬10缠绕，一层或多层纤维可以相叠地形成第一纤维层32。在外部在第一纤维层32上构造有第二纤维层34。第二纤维层34构造为编织物并且可以通过一层或多层编织物形成。第一和第二纤维层32、34分别在内衬的柱形区域和盖区域上延伸。
两个纤维层嵌入一个共同的基质材料36中。
图3示出压力容器1的制造。首先，在步骤A中提供内衬10。内衬10优选是热塑性吹塑成型元件。在图3中未示出的连接件或封闭件可以集成到内衬10中或套装在其上。
在步骤B中施加第一纤维层32。为此用多层树脂超载的纤维层缠绕内衬10，使得第一纤维层32已经被基质材料36渗透。第一纤维层32既缠绕在盖区域14A、14B上，也缠绕在柱形区域12上。优选缠绕以湿缠绕方法进行。
在步骤C中围绕第一纤维层32设置第二纤维层34。第二纤维层34作为干编织物被施加。为此，编织物可以作为预编织软管被提供并被套在内衬10和第一纤维层34上。作为替代方案，编织物由干纤维直接向第一纤维层34上编织而成。在此优选，柱形区域12中的编织角度恒定。在盖区域14A、14B中，编织角度可以变化并且优选小于柱形区域12中的编织角度。
在步骤D中进行基质材料36的时效硬化以形成纤维增强层压物。通过为第一纤维层32使用树脂超载的纤维，已经在缠绕过程期间施加了足够的基质材料36，以便也一同渗入编织物34中。因此，无论在步骤C中还是在步骤D中均未添加更多的基质材料36。基质材料36的时效硬化在升高的温度下例如在烘箱过程中进行。通过升高的温度，基质材料36的粘度降低并且该基质材料也浸透所施加的编织物34，通过图3中的箭头示出。时效硬化后，不仅第一而且第二纤维层结合到基质材料36中。作为替代方案，所述层结构可以为了时效硬化而被放入(未示出的)挤压模具中，在那里工件附加地受到从外部施加的外部压力并被挤压。内衬在此期间可以被填充流体并被置于内部压力P下以保持其形状。
作为所述方法的替代方案，也可以使用热塑性基质材料36，为此，第一纤维层32例如可以作为热塑性纤维带围绕内衬10缠绕。例如可以加热热塑性基质材料，以使其铺置在内衬10上并随后渗入编织物34中。接下来的固结可以在有或没有挤压模具的情况下进行。
附图标记列表
1 压力容器
10 内衬
12 柱形区域
14A、14B 盖区域
20 连接件
30 纤维增强层压物
32 第一纤维层
34 第二纤维层
36 基质材料
P 内部压力
A、B、C、D 方法步骤

Claims (10)

1.用于制造压力容器的方法，其中，所述压力容器(1)具有内衬(10)和包围所述内衬(10)的纤维增强的层压物(30)，该层压物具有第一纤维层(32)和第二纤维层(34)，所述第一纤维层和第二纤维层结合到基质材料(36)中，所述方法包括下述步骤：
a)提供用于储存流体的内衬(10)，该内衬具有一个柱形区域(12)和两个位于柱形区域(12)的相对置的各端部上的盖区域(14A、14B)，
b)在所述盖区域(14A、14B)和柱形区域(12)上用浸渍有所述基质材料(36)的纤维材料缠绕内衬(10)，以形成第一纤维层(32)，该第一纤维层已经被基质材料(36)渗透，
c)围绕第一纤维层(32)设置第二纤维层(34)，第二纤维层(34)由至少一个干纤维编织软管形成，并且
d)在不供应额外基质材料的情况下进行基质材料(36)的时效硬化或固结，以形成所述纤维增强的层压物(30)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)中作为浸渍纤维材料使用湿浸渍粗纱、预浸渍粗纱、混合粗纱、单向纤维增强带或预浸料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一纤维层(32)通过用湿浸渍粗纱进行纤维缠绕而形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一纤维层(32)通过用预浸料缠绕内衬(10)而形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二纤维层(34)通过用干纤维围绕内衬(10)和第一纤维层(32)编织而形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二纤维层(34)通过套上至少一个预制编织软管来施加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤d)中的时效硬化在烘箱过程中进行。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤d)中的时效硬化在调温模具中进行。
9.压力容器，包括：
用于储存流体的内衬(10)，该内衬具有一个柱形区域(12)和两个位于柱形区域(12)的相对置的各端部上的盖区域(14A、14B)，
包围内衬(10)的纤维增强的层压物(30)，该层压物具有第一纤维层(32)和第二纤维层(34)，所述第一纤维层和第二纤维层结合到共同的基质材料(36)中，
第一纤维层(32)在盖区域(14A、14B)和柱形区域(12)上缠绕内衬(10)，并且
第二纤维层(34)由至少一个围绕第一纤维层(32)设置的编织软管形成。
10.根据权利要求9所述的压力容器，所述压力容器是用于机动车的氢气罐。
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