CN116249855A - 压力容器和压力容器系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，这里公开的技术涉及一种压力容器(10)，所述压力容器包括编织的壁(20)，所述壁包围内部空间(30)，在所述内部空间中能够形成超压。壁(20)直至至多与预定的阈值相对应的超压为止具有大于1的覆盖度并且在超过预定的阈值的超压的情况下具有小于1的覆盖度。由此，气态燃料比在爆裂事件的情况下排出更慢。根据本发明，本文所公开的技术还涉及一种压力容器系统，其包括至少一个这样的压力容器(10)。

Description

压力容器和压力容器系统
技术领域
此处公开的技术涉及一种压力容器和包括至少一个这样的压力容器的压力容器系统。
背景技术
压力容器通常在机动车或其他移动或固定设备中使用，以便为所述机动车或其他移动或固定设备供应气态燃料。这种压力容器的可能的失效情况是爆裂，在爆裂的情况下，大量的气态燃料可在短时间内泄漏。
发明内容
本文所公开的技术的优选任务是减少或消除在先已知的解决方案的至少一个缺点或提出一个替代的解决方案。尤其是，本文所公开的技术的优选任务是减少在压力容器失效情况下的可能的损伤。另外的优选任务可由本文公开的技术的有利效果得出。这些任务由独立权利要求的技术方案解决。从属权利要求构成优选的设计方案。
此处公开的技术涉及一种压力容器，所述压力容器包括编织的壁，所述壁包围内部空间，在所述内部空间中能够形成超压。所述壁直至至多与预定的阈值相对应的超压为止具有大于1的覆盖度。所述壁在超过预定的阈值的超压的情况下具有小于1的覆盖度。通过这样一个实施方案可以实现：当超过阈值时，有针对性地产生纤维间断裂，由此沿着壁出现泄漏。由此带来与爆裂过程相比更慢的压力平衡。因此，过高压力的后果被显著减轻了。这尤其是与由现有技术已知的压力容器相比适用，在由现有技术已知的压力容器中，通常在覆盖度可能低于1的值之前就发生爆裂事件。
尤其是，所述壁可以具有一个或多个纤维，所述纤维以适合的方式编织，以便包围内部空间。壁通常至少直至阈值为止是压力密封的，从而所述壁能承受相应的超压。所述超压通常被定义为内部空间中的压力减去壁外的压力。壁外的压力可以例如是正常的环境压力，该环境压力通常约为1巴。对于壁的稳定性来说，呈压力差形式的这种超压通常是重要的，从而例如在壁外施加较高的压力时也可施加较高的内部压力。
编织的壁尤其可以由纤维构成，所述纤维尤其是通过编织被带到期望的形式。例如，这可以通过在预成型件上编织来完成。
原则上，当施加超压时，编织的壁发生膨胀，更确切地说超压越大，膨胀越强。在典型的压力容器中(所述典型的压力容器例如具有带有圆形、椭圆形或类似横截面的长形的形状)，这种膨胀可尤其是包含长度的增加和直径的增加。由此，覆盖度也改变，其中，原则上在壁膨胀的情况下覆盖度降低。覆盖度原则上可以理解为在由纤维所覆盖的面(在考虑到多重覆盖的情况下)与壁表面之间的比率。因此，当覆盖度为1时，壁的整个表面在不发生多重覆盖的情况下被覆盖。当覆盖度大于1时，发生多重覆盖，其中，例如当覆盖度为1.2时，20％的表面可以被覆盖两次。当覆盖度小于1时，壁的部分没有被纤维覆盖，从而产生中间空间。这通常可加强地导致纤维间断裂，在当前情况下，有意识地引起所述纤维间断裂，从而超压卸除与在爆裂事件中相比更慢且更受控制地进行。
所述壁可以尤其是在没有超压的情况下具有至少1.05或至少1.1的覆盖率。已经表明，在典型的实施方案中，这样的覆盖度在超压为0时、即在内部压力和外部压力相同的情况下导致覆盖度在通常要使用的阈值的情况下变得小于1。例如，在阈值处，覆盖度可以具有1的值。
尤其是可以规定，壁在没有超压的情况下具有至多1.1、至多1.15或至多1.2的覆盖度。在这样的最大覆盖度的情况下，也已经表明，在通常要使用的阈值的情况下，当超过阈值时出现小于1的覆盖度。
尤其是，覆盖度的所有所提出的下限可以与所有所提出的上限组合成相应的区间。
例如，预定的阈值可以为至少1400巴。这与压力容器的可预期的设计相对应。该预定的阈值也可以为至少1575巴，这也对应于压力容器的典型设计。如果阈值要高于设计压力，则该阈值可以例如具有在1500巴和1650巴之间的值或在1650巴和1800巴之间的值。
尤其是，压力容器可以构造为无衬里的压力容器。因此，尤其是，在壁和内部空间之间没有衬里，并且通常也没有其他材料，从而存放在内部空间中的气态燃料直接与壁接触。由此，可以以有利的方式实现上文描述的有针对性的、较慢的气态燃料排出的功能，因为没有衬里防止可能的气体漏出。
编织的壁尤其可以构造为针对储存在所述内部空间中的气态燃料的渗透屏障。由此，尤其是可以省去额外的衬里。例如，编织的壁可以由纤维制成和/或利用一种或多种热塑性塑料和/或热固性塑料或其他材料浸渍，从而所述壁本身已经确保防止气态燃料漏出(如有可能在允许低泄漏的情况下)。
编织的壁尤其可以利用一种或多种热塑性塑料和/或一种或多种热固性塑料浸渍。这种材料也可称为基体材料。由此可以改善其作为渗透屏障的作用和/或可以提高稳定性。原则上，由相同或不同塑料类型组成的弹性体或多层复合材料也可以用作用于壁——尤其是用于形成壁的纤维增强塑料——的基体材料。
热塑性塑料和/或热固性塑料或者在上一节中提到的其他材料可以尤其是在覆盖度小于1的情况下部分地形成针对存放在所述内部空间中的气态燃料的渗透屏障。因此，最初仍然可以容忍覆盖度一定程度上降到低于1，尤其是直至发生已经描述的纤维间断裂。在出现纤维间断裂之后，壁的稳定性至少局部地通常不再足以防止气态燃料的泄漏。如上已经描述的，这在本文公开的技术中是期望的。
尤其是，所述壁可以由纤维编织而成，在覆盖度小于1的情况下在各所述纤维之间产生中间空间。这样的中间空间可以对于已经描述的气态燃料漏出的情况尤其是构成薄弱部位，气态燃料可在所述薄弱部位处漏出。
中间空间尤其可以利用一种或多种热塑性塑料和/或热固性塑料覆盖。也可以相应地使用上文已经提到的其他材料。
中间空间尤其可以构造为设定断裂部位。由此，尤其是对于所期望的气态燃料漏出的情况，例如在所期望的纤维间断裂之后，可以支持已经描述的功能。
此处公开的技术还涉及一种压力容器系统，该压力容器系统包括一个或多个如此处所述的压力容器。关于压力容器，可以使用所有所描述的变型。尤其是，该压力容器系统可用于为机动车或其他移动或固定设备供应气态燃料，这些气态燃料可例如在气体运行的内燃机或燃料电池中使用。
覆盖度可以在压力容器的制造中进行调整、尤其是在编织过程中进行调整，其中，可以有针对性地影响不同的因素。这些因素例如包括编织纱线的数量、编织纱线厚度、编织芯的编织速度或进给速度和/或编织线圈在编织轮上的环绕速度。附加地，也可以使用一些机制、例如在放置纱线之前——例如通过供应压缩空气——使纱线张开以用于影响覆盖度。
压力容器尤其是用于储存在环境条件下气态的燃料。压力容器或压力容器系统尤其可在利用压缩天然气(也称为CNG)或液化天然气(也称为LNG)或利用氢气运行的机动车中使用。压力容器系统可以与至少一个能量转换器流体连接，该能量转换器设置用于将燃料的化学能转换成其他能量形式。尤其是，压力容器可以是复合材料包覆的压力容器。例如，该压力容器可以是低温压力容器或高压气体容器。高压气体容器构造用于在环境温度的情况下持久地在至少350barü(＝与大气压力相比的超压)或至少700barü的额定运行压力(也称为额定工作压力或NWP)的情况下储存燃料。低温压力容器适用于在上述运行压力的情况下也在明显(例如超过50K或超过100K)低于机动车的运行温度的温度的情况下储存燃料。
尤其是，在本文所公开的压力容器中可以省去过压阀，因为对于超压的情况，影响减少并且因此能更容易控制。
换句话说，已经认识到，在压力容器发生失效的情况下，通常压力容器的外壁或壁发生失效，这可导致所储存的介质突然泄漏。在此发生的在环境和介质之间的压力平衡可导致爆裂压力波和对环境的损害。例如，碳纤维增强塑料(CFRP)用作用于外壁或壁的材料。用于压力容器的常见的制造方法是在缠绕/编织芯上进行纤维缠绕或纤维编织。在压力容器的内部空间中可以设有衬里，该衬里确保针对压力容器的密封性和渗透屏障，其中，这样的实施方案被称为IV型压力容器。此外，还有V型压力容器，在V型压力容器中，CFRP层的基体材料具有如此好的渗透特性，使得不再需要用于压力容器的衬里。
出于安全原因，压力容器可以设有过压阀。然而，也可以期望省去这种过压阀。例如，对于这种情况，在考虑到适当的安全因素情况下，可以对容器壁进行超标设计，以便也承受特别高的超压。不仅这种超标设计而且过压阀通常都可以通过这里公开的技术来省去，因为如前所述，超压的后果能更容易控制。
对于在编织方法中制造的压力容器，编织结构可以通过机器工艺参数和制造工艺参数有针对性地进行调整。这意味着，首先编织纱线的数量和用于各个编织纱线的放置宽度可以有针对性地受到影响。因此可以影响编织纱线对编织芯的覆盖度。一旦编织芯完全被纱线覆盖并且编织图案没有“孔”，覆盖度则为1。如果存在比完全覆盖所需的编织纱线更多或更少的编织纱线，覆盖度则大于或小于1。如果现在机器工艺参数和制造工艺参数保持恒定并且编织纱线的直径减小或增大，则覆盖度增加或减小。由于压力容器壁或壁的材料弹性，压力容器在运行情况下在轴向和径向方向上经受明显可测量的膨胀。在此，压力容器从未受压状态连续膨胀直至爆裂情况，并且直径在此过程中增大。对于编织的压力容器，这意味着在编织纱线之间的力连续升高，从而编织物要减少其覆盖度。一旦覆盖度达到值1，则纤维之间出现高的力，这些力不能由基体材料单独承担，基体材料与纤维相比具有非常低的强度。然后发生基体断裂，这也被称为纤维间断裂。
在V型压力容器中，特别是基体材料具有以下任务：使压力容器保持密封。在纤维间断裂的情况下，情况就不再是这样了，并且储存的气体可以通过所产生的裂缝逸出。现在，编织的V型压力容器应如此设计，使得编织物在运行范围内具有大于1的覆盖度。同时，编织物应同时如此设计，使得当达到实际的爆裂/设计压力时，压力容器已经膨胀到，使得编织物具有小于1的覆盖度并且由于纤维间断裂而沿整个直径发生泄漏，这带来比爆裂失效更平滑的压力平衡。
附图说明
现在借助附图对这里公开的技术进行描述。在此：
图1示出压力容器；
图2示出在覆盖度为1的情况下壁的局部；以及
图3示出在覆盖度小于1的情况下壁的局部。
具体实施方式
图1纯粹示意性地示出压力容器10，该压力容器基本上由包围内部空间30的壁20形成。内部空间30构造用于在高压下储存气态燃料，由此内部空间30与周围大气相比产生超压。壁20防止气态燃料漏出。该壁由编织的纤维构成，这些纤维当前被热固性塑料浸渍。这种热固性塑料也可以称为树脂或者为树脂。
压力容器10具有长度l和直径d。所述长度和直径涉及如下值，所述值根据在内部空间30中施加的超压而是可变的。例如，压力容器10可以在没有施加超压的情况下制造，由此产生相关的长度l和相关的直径d。如果内部空间30中的超压增加，则长度l和直径d增加。这对壁20的纤维也有影响，下面参照图2和图3对所述影响进行解释。
压力容器10还具有其他部件，例如用于加注和/或提取气态燃料的箱体连接阀。然而，这些部件没有在图1中示出，因为这些部件与理解本文所公开的技术无关。
图2示出在覆盖度为1亦或略大于1的情况下壁20的纤维22。如所示的，在此纤维22这样彼此贴靠，使得一点也不存在中间空间，从而纤维22完全包围了内部空间30。通常，压力容器10在这种状态下具有高的稳定性，该稳定性尤其是直至设计压力为止都可靠地将气态燃料保持在内部空间30中。
图3示出在覆盖度小于1的情况下壁20的局部，这尤其是在内部空间30中的超压超过预定的阈值时发生。由于已经描述的压力容器10的长度l和直径d的伸展，在各纤维22之间产生中间空间24，这些中间空间没有被纤维22覆盖。在那仅有热固性塑料作为基体材料，其对于气态燃料而言以较小的阻力抵抗可能的漏出。在这种情况下，通常发生纤维间断裂，由此壁20的稳定性在一些部位处局部降低。在这种情况下，中间空间24尤其是用作设定断裂部位，其中，气态燃料有针对性地从内部空间30中排出，更确切地说尤其是比在爆裂事件中慢得多。由此，超过设计的超压的影响就可以大大减少。
出于可读性的考虑，为简单起见，术语“至少一个”已被部分省略。当本文公开的技术的一个特征以单数或以不定方式描述时(例如，该/一个压力容器、该/一个纤维等)，则应同时也一同公开其复数(例如，所述至少一个压力容器、所述至少一个纤维等)。
对本发明的上述描述仅用于说明目的，而不是为了限制本发明。在不脱离本发明以及其等效方案的情况下，在本发明的范围内可以进行不同改变和修改。
附图标记列表
10 压力容器
20 壁
22 纤维
24 中间空间
30 内部空间
l 长度
d 直径。

Claims (12)

1.一种压力容器(10)，
-所述压力容器包括编织的壁(20)，所述壁包围内部空间(30)，在所述内部空间中能够形成超压；
-所述壁(20)直至至多与预定的阈值相对应的超压为止具有大于1的覆盖度；并且
-所述壁(20)在超过预定的阈值的超压的情况下具有小于1的覆盖度。
2.根据权利要求1所述的压力容器(10)，其中，所述壁(20)在没有超压的情况下具有至少1.05或至少1.1的覆盖度。
3.根据权利要求1或2所述的压力容器(10)，其中，所述壁(20)在没有超压的情况下具有至多1.1、至多1.15或至多1.2的覆盖度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)，其中，所述预定的阈值至少为1400巴。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)，其中，所述压力容器(10)构造为无衬里的压力容器(10)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)，其中，编织的壁(20)构造为针对存放在所述内部空间(30)中的气态燃料的渗透屏障。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)，其中，编织的壁(20)利用一种或多种热塑性塑料和/或热固性塑料浸渍。
8.根据权利要求7所述的压力容器(10)，其中，热塑性塑料和/或热固性塑料在覆盖度小于1的情况下部分地形成针对存放在所述内部空间(30)中的气态燃料的渗透屏障。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)，其中，所述壁(20)由纤维(22)编织而成，在覆盖度小于1的情况下在各所述纤维之间产生中间空间(24)。
10.根据权利要求8和9所述的压力容器(10)，其中，所述中间空间(24)利用一种或多种热塑性塑料和/或热固性塑料覆盖。
11.根据权利要求9或10所述的压力容器(10)，其中，所述中间空间(24)构造为设定断裂部位。
12.一种压力容器系统，包括一个或多个根据前述权利要求中任一项所述的压力容器(10)。
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