DE102005053245A1

DE102005053245A1 - Druckbehälter, Wasserstoffspeichertank und Verfahren zum Herstellen des Druckbehälters

Info

Publication number: DE102005053245A1
Application number: DE102005053245A
Authority: DE
Inventors: Tasuku Kariya Takashima
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2006-05-24
Also published as: US20060096993A1; JP2006132746A; CA2525171A1

Abstract

Ein Druckbehälter hat einen luftdichten Einsatz und eine Schale. Die aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Schale wird durch Aushärten von kunstharzimprägnierten Faserbündeln, die außerhalb des Einsatzes gewickelt sind, ausgebildet. Der Druckbehälter hat einen zylindrischen Abschnitt, einen kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts und einen an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehene Stutzen. Die Schale hat zumindest zwei Faserbündellagen, die durch die kunstharzimprägnierten Faserbündel ausgebildet sind und hat zumindest ein Formkorrekturelement, das zwischen den Faserbündellagen an jedem kuppelförmigen Endabschnitt zwischengelegt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter, einen Wasserstoffspeichertank mit einem luftdichten Einsatz und einer aus faserverstärktem Kunststoff hergestellten Schale, die durch Wickeln eines kunstharzimprägnierten Faserbündels an der Außenseite des Einsatzes zum Aushärten ausgebildet ist, und der eine Form hat, die aus einem zylindrischen Abschnitt mit kuppelförmigen Endabschnitten an jedem Ende besteht, wobei jeder kuppelförmige Endabschnitt an seiner Mitte einen Stutzen hat, und auf ein Verfahren zum Herstellen des Druckbehälters.
Druckbehälter zum Aufnehmen von komprimiertem Naturgas (CNG), verflüssigtem Naturgas (LNG) oder dergleichen sind herkömmlicher Weise aus Stahl, Aluminiumlegierung oder dergleichen gefertigt und daher sind sie schwer. In letzter Zeit hat die Allgemeinheit ein wachsendes Bewusstsein über die Verhinderung der globalen Erwärmung entwickelt. Dies erzeugt eine wachsende Nachfrage insbesondere nach der Entwicklung von wasserstoffbetankten Autos, etwa elektrischen Brennstoffzellenfahrzeugen und wasserstoffbetankten Kraftmaschinenautomobilen, zur Verringerung des von den Fahrzeugen ausgelassenen Kohlendioxids.
Ein wasserstoffbetanktes Fahrzeug hat im Allgemeinen einen Wasserstoffspeichertank, der mit Wasserstoffgas als eine Wasserstoffzufuhr gefüllt ist. In diesem Fall senkt ein schwerer Druckbehälter für den Brennstofftank des Wasserstoffspeichertanks den Kraftstoffverbrauch. Um die vorgenannte Unannehmlichkeit zu beseitigen wurde ein stählernen Gaszylinder vorgeschlagen, der einen luftdichten Einsatz bzw. Auskleidung hat, die mit einer aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) gefertigten druckwiderstandsfähigen Schale bedeckt ist.
Die faserverstärkte Kunststoffschale wird so ausgebildet, dass eine kunstharzimprägnierte Faserbündellage, die durch ein Faserwickelverfahren (im Weiteren wird dies gegebenenfalls als „FW"-Verfahren" bezeichnet) um die Außenseite des Einsatzen gewickelt ist, ausgehärtet wird. Ein dünnwandiger Druckbehälter, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist, hat Hauptspannungen in der Axialrichtung und in der Umfangsrichtung. Somit ist es für das faserverstärkte Verbundmaterial vorteilhaft, die Fasern in der Richtung der Hauptspannungen anzuordnen. Daher sind Fasern F in einer solchen Art und Weise angeordnet, dass an den kuppelförmigen Endabschnitten 51 des herkömmlichen Druckbehälters 50 Wicklungen in gleicher Ebene (siehe 9) oder Spiralwicklungen (nicht gezeigt) auftreten, und dass an dem zylindrischen Abschnitt 52 die Kombination aus den Wicklungen in gleicher Ebene oder Spiralwicklungen und Ringwicklungen auftreten.
Da jedoch im Fall von Wicklungen in gleicher Ebene oder spiralförmigen Wicklungen alle Fasern mit dem Stutzen 53 an jedem Ende des Druckbehälters 50 in Kontakt kommen und dann umkehren, ist die dem Stutzen 53 angrenzende Wand, das heißt, die Faserbündellage von Fasern oder von Faserbündeln, die mit dem Stutzen 53 in Kontakt ist, dick, und die Wand eines Schulterabschnitts (die der Grenze zwischen dem einen kuppelförmigen Endabschnitt und dem zylindrischen Abschnitt benachbart ist) ist dünn. Somit gibt es benachbart zu jedem Stutzen 53 redundante Fasern F. Dieses Ergebnis wird umso signifikanter, je größer das Verhältnis des Durchmessers des zylindrischen Abschnitts zu dem Durchmesser des Stutzen wird. Bei einer solchen Faseranordnung, sind die jedem Stutzen benachbarten Fasern konzentriert, mit dem Ergebnis, dass infolge der redundanten Fasern Fehlausbildungen und erhöhte Herstellungskosten verursacht werden.

Um zu verhindern, dass die an den den Stutzen benachbarten kuppelförmigen Endabschnitten angeordneten Fasern übermäßig dicker als jene werden, die an einem anderen Abschnitt der kuppelförmigen Endabschnitte angeordnet sind, wie dies in 10 gezeigt ist, werden an dem kuppelförmigen Endabschnitt 51 des Druckbehälters 50, an dem die faserverstärkte Lage durch das Faserwickelverfahren ausgebildet wird, die Fasern F zur Verstärkung so gewickelt, dass eine dem Pol benachbarte Linie zu einer Linie an einem niedrigeren Breitengradabschnitt wechselt. Dies ist beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-79598 offenbart.

In der vorgenannten Offenlegungsschrift sind die Fasern F zur Verstärkung mit Epoxykunstharz imprägniert und sind spiralförmig an dem zylindrischen Körper der Aluminiumeinsatz mit einem Wicklungswinkel von 20° gewickelt. Dann werden die Fasern so gewickelt, dass die Wicklungslinie um einen vorbestimmten Winkel von einem benachbarten Pol zu einem niedrigeren Breitengradabschnitt abweicht. Zusätzlich wird der zylindrische Abschnitt 52 durch Ringwicklungen gewickelt.

Die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-337594 offenbart einen Druckbehälter, der redundante Fasern beseitigt, die angrenzend an den Stutzen eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts konzentriert sind, wodurch die Menge von Fasern des Behälters insgesamt verringert wird und wodurch es einfach gemacht wird, diesen ohne ein seitliches Verschieben von Fasern während dem Wickeln der Fasern herzustellen. In dem Druckbehälter hat die Anordnungslinie der Fasern, die die Schale bilden, die den Einsatz an jedem kuppelförmigen Endabschnitt bedeckt, zwei Arten von Linien, wobei eine davon mit dem Stutzen in Kontakt ist, und die andere davon mit dem Stutzen nicht in Kontakt ist.

Fasern, die an einer Linie verlaufen, die mit dem Stutzen in Kontakt ist, werden durch Wickeln auf gleicher Ebene gewickelt. Wie in 11 gezeigt ist, ist die Mehrzahl der gewickelten Fasern 54, die entlang einer Linie verlaufen, die mit dem Stutzen 53 nicht in Kontakt ist, so angeordnet, dass sie in der Nähe einer geodätischen Linie an dem Ende des zylindrischen Abschnitts 52 durch die spiralförmige Wicklung 55 verlaufen, deren Anordnungswinkel allmählich zunimmt und mit der an dem zylindrischen Abschnitt 52 angeordneten Ringwicklung 56 verbunden ist. Die gewickelten Fasern 54, die entlang der Linie verlaufen, die mit dem Stutzen 53 nicht in Kontakt ist, sind an einer Ebene angeordnet, die senkrecht zu einer Tangentenlinie L ist, welche in einer Ebene liegt, die einen Scheitelpunkt des Wicklungsabschnitts an dem kuppelförmigen Endabschnitt 51 und die Achse des Einsatzes beinhaltet und die zudem einen Scheitelpunkt des Wicklungsabschnitts passiert.

Wenn in dem Druckbehälter jedoch ein Hochdruckgas (beispielsweise mit 20 MPa oder mehr) enthalten ist, ist es effektiver, die Fasermenge (Faserbündel) zu erhöhen, die zum Verbessern der Festigkeit des Druckbehälters in der Axialrichtung beitragen, die so angeordnet sind, dass sie unter Verwendung einer spiralförmigen Wicklung oder einer Wicklung auf gleicher Ebene an dem Stutzen passieren. Bei der vorstehenden Anordnung nimmt die Dicke der Faserbündellage in der Nähe des Stutzens im Vergleich zu einem dem Zylinderkörper des Einsatzes benachbarten Abschnitt zu.

In diesem Fall, in dem die Faserbündel auf die Faserbündelschicht gewickelt werden, die in dicker Art und Weise an dem Stutzen gewickelt ist, treten Probleme auf, etwa das Abrutschen der Fasern und Fehlausbildungen, wodurch verursacht wird, dass eine ungewünschte Faserbündelanordnung den Stutzen passiert. Außerdem ist die Kraft, die die vorher gewickelten (angeordneten) Faserbündel drückt, in dem Bereich, der von dem dem Stutzen benachbarten Abschnitt zu dem Schulterabschnitt des Druckbehälters verläuft, geschwächt.

Um die vorgenannte Abschwächung zu kompensieren müssen zur Formkorrektur in dem Bereich (in dem unteren Breitengradabschnitt), der von dem dem Stutzen benachbarten Abschnitt zu dem Schulterabschnitt verläuft, mehr Faserbündel gewickelt werden. Die an diesem Bereich gewickelten Faserbündel tragen geringfügig zum Verbessern der Festigkeit in der Axialrichtung bei. Eine Zunahme der an dem kuppelförmigen Endabschnitt gewickelten Faserbündel führt dazu, dass an dem zylindrischen Abschnitt zusätzliche Fasern gewickelt werden müssen. Dementsprechend wird der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts größer, wenn die Fasermenge zunimmt.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen Druckbehälter zu schaffen, in dem die Fasern, die von dem dem Stutzen des Druckbehälters angrenzenden Abschnitt zu dem Schulterabschnitt verlaufen, und die der Festigkeitsverbesserung des Druckbehälters in der Axialrichtung geringfügig beitragen, verringert sind, und bei dem die zum Sicherstellen des gleichen Druckwiderstands erforderlichen Fasern selbst dann verringert sind, wenn die an dem kuppelförmigen Endabschnitt gewickelten Faserbündel so angeordnet sind, dass sie an dem Stutzen passieren.

Erfindungsgemäß hat der Druckbehälter einen luftdichten Einsatz und eine Schale. Die aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Schale wird durch Aushärten von um die Außenseite des Einsatzes gewickelte kunstharzimprägnierte Faserbündel ausgebildet. Der Druckbehälter hat einen Zylinderabschnitt, einen kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des Zylinderabschnitts und einen Stutzen, der an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehen ist.

Die Schale hat zumindest zwei Faserbündellagen, die durch die kunstharzimprägnierten Faserbündel ausgebildet sind, und sie hat zumindest ein Formkorrekturelement, das an jedem kuppelförmigen Endabschnitt zwischen den Faserbündellagen angeordnet ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters mit einem Zylinderabschnitt, einem kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des Zylinderabschnitts und einem an der Mitte des kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehenen Stutzen, wobei an der Außenseite eines luftdichten Einsatzes kunstharzimprägnierte Faserbündel durch Filamentwickeln gewickelt werden, folgendes auf: Fixieren des Einsatzes an einem Drehstützabschnitt eines Filamentwickelgeräts, sodass es sich einstückig damit dreht, Durchführen des Filamentwickelns während ein ringförmiges Formkorrekturelement zum Einstellen einer Form einer an dem kuppelförmigen Endabschnitt ausgebildeten Faserbündellage an einer Sicherungsposition, die mit dem Filamentwickeln nicht in störenden Eingriff gelangt, zwischen dem Drehstützabschnitt und dem Einsatz vorbereitet wird, Bewegen des an der Sicherungsposition vorbereiteten Formkorrekturelements, sodass es mitten im Wickelprozess der Faserbündel mit der bis dahin gewickelten Faserbündellage in Kontakt kommt, und Fortführen des Filamentwickelns.

Weitere Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, die mittels Beispiel die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neu betrachtet werden, sind insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung kann zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am Besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Druckbehälters gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist;
2 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung von Faserbündeln durch Spiralwicklung zeigen;
2B eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung von Faserbündeln durch Ringwicklung zeigt;
3 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung (Anordnungslinie) von Faserbündeln an einem kuppelförmigen Endabschnitt durch Spiralwicklung zeigt;
4 eine schematische Seitenansicht eines Wickelabschnitts eines Filamentwickelgeräts (oder eines FW-Geräts) zeigt;
5 eine schematische Draufsicht des Filamentwickelgeräts ist;
6 eine Teilschnittansicht eines Druckbehälters gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Rückansicht eines Formkorrekturelements gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Teilschnittansicht eines Druckbehälters gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung von Fasern durch Wickeln in der gleichen Ebene zeigt;
10 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung von Fasern an dem kuppelförmigen Endabschnitt eines Druckbehälters gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
11 eine schematische Ansicht ist, die eine Anordnung von Fasern durch Spiralwickeln gemäß einer weiteren Offenbarung aus dem Stand der Technik zeigt.
Nun wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Druckbehälters 11. 2A ist eine schematische Ansicht, die eine Faserbündelanordnung durch Spiralwickeln zeigt. 2B ist eine schematische Ansicht, die eine Faserbündelanordnung durch Ringwickeln zeigt. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Faserbündelanordnung (Anordnungslinie) durch Spiralwickeln an einem kuppelförmigen Endabschnitt 13 des Druckbehälters 11 zeigt. 4 ist eine schematische Seitenansicht eines Wickelabschnitts eines Filamentwickelgeräts (oder eines FW-Geräts). 5 ist eine schematische Draufsicht des Filamentwickelgeräts.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Druckbehälter 11 so ausgebildet, dass er an jedem Ende des Zylinderabschnitts 12 den kuppelförmigen Endabschnitt 13 hat, und sodass er an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts 13 einen Stutzen 14 hat. Der Druckbehälter 11 hat einen luftdichten Einsatz 15 und eine aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) gefertigte Schale 16, die die Außenseite des Einsatzes 15 bedeckt.
Der Einsatz 15 hat einen Zylinderkörper 15a und eine Kuppel 15b an jedem Ende des Körpers 15a und hat einen Stutzen 14 an der Mitte einer jeden Kuppel 15b. Wenn der Druckbehälter 11 als ein Wasserstoffspeichertank verwendet wird, ist der Einsatz 15 beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der Stutzen 14 hat ein Gewindeloch 14a zum Einschrauben eines Stöpsels, einer Leitung oder dergleichen.
Die Schale 16 ist so ausgebildet, dass die kunstharzimprägnierten Faserbündel (im Weiteren Verlauf können sie der Einfachheit halber als Faserbündel bezeichnet sein) an die Außenseite des Einsatzes 15 gewickelt und dann ausgehärtet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird als eine Verstärkungsfaser des faserverstärktem Kunststoffs Karbonfaser verwendet und als Kunstharz wird Epoxidkunstharz verwendet.
Jeder kuppelförmige Endabschnitt 13 hat ein Formkorrekturelement 18 zwischen einer ersten Faserbündellage 17a, die im Vorfeld gewickelt wird, und einer zweiten Faserbündellage 17b, die daraufhin gewickelt wird. Das heißt, jedes Formkorrekturelement 18 ist zwischen der ersten Faserbündellage 17a und der zweiten Faserbündellage 17b zwischengelegt. Das Formkorrekturelement 18 hat einen kleineren Außendurchmesser als der Abschnitt der ersten Faserbündellage 17a an dem Körper 15a des Einsatzes 15, und dessen Außenfläche hat eine solche Härte, dass die an der Außenseite des Formkorrekturelements 18 gewickelten Faserbündel nicht dort einschneiden. Das Formkorrekturelement 18 hat an seiner Mitte ein Loch. Das Loch hat den gleichen oder einen geringfügig größeren Durchmesser als die an dem Stutzen 14 angrenzende erste Faserbündellage 17a. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Formkorrekturelement 18 aus Epoxidkunstharz gefertigt. Das Formkorrekturelement 18 ist so ausgebildet, dass die an dem Einsatz 15 angrenzende Oberfläche des Formkorrekturelements 18 so gestaltet ist, dass sie an der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a anliegt, und ist so angeordnet, dass es, gesehen in einem Schnitt des Druckbehälters 11 entlang dessen Achse, eine Vertiefung 19 der Fläche füllt. Das Formkorrekturelement 18 hat eine konvexe Oberfläche an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite und die Krümmung der konvexen Oberfläche ist kleiner als die der Außenoberfläche der Kuppel 15b des Einsatzes 15. Der an den Stutzen angrenzende Abschnitt der ersten Faserbündellage 17a und dessen Schulterabschnitt sind durch eine gekrümmte Fläche sanft verbunden.
Die Faserbündel, die die Schale 16 formen, werden sequentiell an die Außenfläche des Einsatzes 15 gewickelt, um eine Faserbündellage mit einer vorbestimmten Dicke zu bilden. Die Faserbündel 20 weisen eines auf, das durch Spiralwicklung gewickelt ist, wie in 2A gezeigt ist, und weisen das andere auf, das durch Ringwicklung gewickelt ist, wie in 2B gezeigt ist. Die Ringwicklung ist lediglich entlang eines Abschnitts des Körpers 15a durchgeführt.
Die Faserbündel 20, die die Spiralwicklung bilden, sind so angeordnet, dass deren Anordnungslinie an dem kuppelförmigen Endabschnitt 13 (oder an der Kuppel 15b) sich entlang der tangentialen Richtung des Stutzen 14 erstreckt, wie dies in 3 gezeigt ist, oder sich geringfügig an dem Stutzen 14 wickelt, wie durch die gepunktete Linie in 3 gezeigt ist. Dies hängt jedoch von dem für den Druckbehälter 11 erforderlichen Druckwiderstand ab. Der Wicklungswinkel der Faserbündel 20, die die spiralförmige Wicklung bilden, liegt bevorzugter Weise zwischen 10° und 25°. Der Ausdruck „Wicklungswinkel" bedeutet einen Winkel zwischen den Faserbündeln 20 und der Axialrichtung an dem Zylinderabschnitt 12.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters 11 beschrieben. Zum Herstellen des Druckbehälters 11 wird das Filamentwickelgerät verwendet.
Wie in 4 gezeigt ist, hat das Filamentwickelgerät 31 ein Paar Spannfutter 32 als ein Rotationsstützabschnitt zum drehbaren Stützen eines gewickelten Elements, etwa eines Einsatzes. Wie in 5 gezeigt ist, hat das Filamentwickelgerät 31 einen Faserbündelförderer 33, ein Kunstharzimprägniergerät 34, eine Faserbündelführung 35 und einen Faserbündelförderkopf 36. Der Faserbündelförderkopf 36 ist in der Längsrichtung (in der Seitenrichtung in 5) des faserbündelgewickelten Elements (in diesem Ausführungsbeispiel des Einsatzes 15), das durch die Spannfutter 32 gestützt ist, beweglich. Der Faserbündelförderkopf 36 zieht die von einer Vielzahl von Garnrollen B geförderten Faserbündel 20 und formt sie in ein ebenes Band, das um die Außenseite des Einsatzes 15 zu wickeln ist.
Als ein Stellglied 37 zum Hin- und Herbewegen des Faserbündelförderkopfs 36 wird eine bekannte Struktur verwendet, in der eine Kugelumlaufspindel verwendet wird und ein beweglicher Körper 37a, der mit einer Mutter einstückig bewegbar ist, in einer Axialrichtung bewegt wird. Ein anhebendes und absenkendes Stellglied (nicht gezeigt) ist an dem beweglichen Körper 37a fest montiert und der Faserbündelförderkopf 36 ist an dem anhebenden und absenkenden Stellglied 37 montiert.
Der Faserbündelförderer 33 ist so ausgebildet, dass eine Vielzahl von Garnrollen B (in diesem Ausführungsbeispiel drei Stück), an denen die Faserbündel 20 gewickelt sind, durch entsprechende Spindeln 33a gestützt sind, die an einer Zugsteuerung (nicht gezeigt) angeschlossen sind. Als Zugkraftsteuerung wird beispielsweise eine Fremdkraftbremse oder ein permanentes Drehmoment, welches auf die Spindeln 33a durch Überstrom eine Last aufbringt, verwendet. Die Faserbündel 20 sind beispielsweise aus nicht verdrehtem Karbonfasermultifilament gefertigt, welches eine Filamentanzahl von ca. 3000 bis ca. 96000 hat.
Das Kunstharzimprägniergerät 34 hat einen Kunstharztank 34a und eine Verteilerwalze 34b, und es ist mit einer (nicht gezeigten) Walze zum Führen von von den Garnspulen B herausgezogenen Faserbündeln 20 zu einer vorbestimmten Stelle und mit einer Walze (nicht gezeigt) zum Führen der oberhalb des Kunstharztanks 34a mit Kunstharz aus dem Kunstharztank 34a imprägnierten Faserbündeln 20 versehen. Die Faserbündelführung 35 hat einen Führungsabschnitt (nicht gezeigt), der die Gestalt von Zähnen eines Kamms zum Führen der Faserbündel 20 hat, die aus einer Vielzahl der Garnspulen B herausgezogen werden, damit sie getrennt durch die Kunstharzimprägnierung behandelt werden.
Die Spannfutter 32 stützen ein faserbündelgewickeltes Element drehbar um die Achse des Elements und sie sind durch einen Motor mit veränderlicher Drehzahl angetrieben, der durch ein Steuergerät (nicht gezeigt) gesteuert wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Faserbündelförderkopfs 36 ist mit der Drehung des Motors mit variabler Drehzahl synchronisiert. Somit kann der Wicklungswinkel der Faserbündel 20 an dem faserbündelgewickelten Element auf einen optimalen Winkel eingestellt werden.
Dann wird der Einsatz 15 durch die Spannfutter 32 des Filamentwickelgeräts 31 gestützt, sodass er einstückig damit gedreht wird, und die Formkorrekturelemente 18 werden an ihren entsprechenden in 4 gezeigten Sicherungspositionen zwischen den Spannfuttern 32 und dem Einsatz 15 vorbereitet, an denen sie mit der Filamentwicklung nicht in störenden Eingriff kommen. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein Stützelement 39 zum temporären Stützen des Formkorrekturelements 18 über das Spannfutter 32 von jeder Seite des Filamentwickelgeräts 31 zu einem der durch die Spannfutter 32 gestützten Stutzen 14 des Einsatzes 15 benachbarten Abschnitt. Der distale Endabschnitt 39a eines jeden Stützelements 39 wird als eine Sicherungsposition für das Formkorrekturelement 18 verwendet. Das Formkorrekturelement 18 ist so gestützt, dass es an dem distalen Endabschnitt 39a des Stützelements 39 hängt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Einsatz 15 nicht direkt an den Stutzen 14 durch die Spannfutter 32 gestützt, sondern ist über Stangen 38 durch die Spannfutter 32 gestützt. Jede Stange 38 hat einen kleindurchmessrigen Außengewindeabschnitt, der an seinem distalen Ende in ein Gewindeloch 14a des Stutzens 14 eingeschraubt ist. Der Stutzen 14 ist so verlängert, dass der Außengewindeabschnitt in den Stutzen 14 des Einsatzes 15 eingeschraubt ist.
Der Bediener zieht Faserbündel 20 von dem Faserbündelförderabschnitt 33 heraus, führt sie durch das Kunstharzimprägniergerät 34, die Faserbündelführung 35 und dgl. zu dem Faserbündelförderkopf 36 und fixiert dann das Ende der Faserbündel 20 an einer vorbestimmten Stelle des Einsatzes 15, nachdem die Faserbündel 20 in den Faserbündelförderkopf 36 eingesetzt wurden. Die Befestigungsarbeit des Endes der Faserbündel 20 wird durch den Bediener manuell durchgeführt und beispielsweise unter Verwendung eines Klebebands durchgeführt. Der Bediener gibt die Drehgeschwindigkeit während der Filamentwicklung, die Hin- und Herbewegungsbreite während dem Wickelbetrieb des Faserbündelförderkopfs 36 und dgl. in ein (nicht gezeigtes) Steuergerät ein. Die Filamentwicklung wird somit unter einer solchen Situation durchgeführt.
Die Faserbündel 20 werden durch Spiralwicklung angeordnet, sodass sie mit dem Stutzen 14 in Kontakt sind, und die Wickelstellen werden bei jeder Wicklung an beiden Kuppeln 15b abweichend durchgeführt. Die Faserbündel 20 werden an den Kuppeln 15b gewickelt, bis sie die Gesamtheit der Kuppeln 15b abdecken. Somit wird an jeder Kuppel 15b eine einzelne spiralförmige Wicklungslage ausgebildet, während an dem Körper 15a zwei spiralförmige Wicklungslagen ausgebildet werden. Die Ringwicklungslage wird an dem Körper 15a mit einer vorbestimmten Dicke ausgebildet.
Wenn eine vorbestimmte Menge von Faserbündeln durch Spiralwicklung an den Kuppeln 15b gewickelt wurde, wird die Filamentwicklung unterbrochen, wodurch das Wickeln der ersten Faserbündellage 15a beendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel bedeutet der Ausdruck „vorbestimmte Menge", dass in der an den Kuppeln 15b gewickelten Faserbündellage das Verhältnis aus der Dicke des dem Stutzen 14 benachbarten Abschnitts zu der Dicke eines von dem Stutzen 14 beabstandeten Abschnitts so bestimmt ist, dass dann, wenn die Wicklung der Faserbündel 20 fortgeführt wird, die Faserbündel 20 mit den vorher gewickelten Faserbündeln 20 nicht in Kontakt sein werden oder mit geringem Druck in Kontakt sein werden. Diese vorbestimmte Menge wird im Vorfeld durch Experimente berechnet. In einem Zustand, in dem die Menge der Spiralwicklung eine vorbestimmte Menge erreicht hat, ist die Fläche der ersten Faserbündellage 17a dem Stutzen 14 benachbart und hat eine abgerundete Gestalt, die einwärts zu dem Einsatz 15 konkav verläuft, sodass sie gesehen in einem entlang der Achse des Druckbehälters 14 verlaufenden Querschnitt eine Vertiefung 19 bildet. Als ein Ergebnis können die benachbart zu dem Stutzen 14 an die Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a gewickelten Faserbündel 20 mit der ersten Faserbündellage 17a nicht in Kontakt sein oder können damit mit einem geringen Kontaktdruck in Kontakt sein. Es ist anzumerken, dass die Dicke der Faserbündellage die Länge der Faserbündellage in der zu der Fläche der Kuppel 15b senkrechten Richtung bedeutet.
Das sich an der Sicherungsposition befindende Formkorrekturelement 18 wird entlang der Stange 38 bewegt, sodass es an einer Stelle angeordnet ist, an der es mit der gewickelten ersten Faserbündellage 17a, die bis dahin gewickelt wurde, in Kontakt ist. Das Formkorrekturelement 18 hat eine dem Einsatz 15 benachbarte Fläche, wobei die Fläche entlang der Fläche der ersten Faserbündellage 17a geformt ist, sodass es die Vertiefung 19 füllt. Danach wird die Filamentwicklung weitergeführt, und die wie vorstehend beschriebene Spiralwicklung wird durchgeführt, um die zweite Faserbündellage 17b zu bilden. Somit hat die zweite Faserbündellage 17b die erforderliche Dicke, um sicherzustellen, dass der erforderliche Druckwiderstand ausgebildet wird, und das Wickeln der Faserbündel 20 wird vollendet.
Nachdem das Wickeln vollendet wurde, wird der gewickelte Körper einschließlich des Einsatzes 15 von dem Filamentwickelgerät 31 entfernt und dann in einen Ofen zum Aushärten des Kunstharzes bei einer vorbestimmten Temperatur platziert. Die Aushärttemperatur variiert für das Kunstharz. Beispielsweise hat Epoxidkunstharz eine Aushärtungstemperatur von ca. 80°C bis 180°C. Die aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Schale 16 wird durch Wärmeaushärtung ausgebildet. Nach dem Abkühlen und anschließendem Entfernen der Grate und dergleichen wird ein Stopfen und dergleichen zum Befüllen mit Wasserstoff und zum Anschließen an ein Auslassrohr in das Gewindeloch 14a des Stutzen 14 eingeschraubt, wodurch der Druckbehälter 11 ausgebildet wird.
Wenn durch das Filamentwickeln das Spiralwickeln oder das Wickeln in gleicher Ebene durchgeführt wird, sodass die Anordnungslinie der an der Außenseite des Einsatzes 15, der die Kuppeln 15b hat, gewickelten Faserbündel 20 mit den Stutzen 14 an den Kuppeln 15b in Kontakt kommt, dann hat der dem Stutzen 14 benachbarte Abschnitt eine dickere Faserbündellage als der dem Körper 15a des Einsatzes 15 benachbarte Abschnitt. Wenn die Anzahl der an den Kuppeln 15b gewickelten Faserbündellagen erhöht wird, nimmt die Rate der dem Stutzen 14 benachbarten Faserbündel 20 mit dem Ergebnis zu, dass die Oberfläche der Faserbündellagen gesehen in dem entlang der Achse des Druckbehälters 11 genommen Querschnitt, keine auswärts konvex abgerundete Gestalt aufweist, sondern dass sie die jedem Stutzen 14 benachbarten Vertiefungen 19 hat. Daher drücken die daraufhin gewickelten Faserbündel 20 schwach gegen die davor gewickelte (angeordnete) Faserbündellage. Jedoch ist in diesem Ausführungsbeispiel das Formkorrekturelement 18 angeordnet, um die Vertiefung 19 auszufüllen, und die an der Außenseite des Formkorrekturelements 18 gewickelten Faserbündel 20 haben eine abgerundete Gestalt, die sich konvex auswärts krümmt, das heißt, die von dem Einsatz 15 beabstandet ist. Somit werden die Faserbündel 20 dicht um die Kuppeln 15b gewickelt. Als ein Ergebnis nimmt die Festigkeit des Druckbehälters 11 zu.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die nachstehenden Vorteile erhalten.

(1) Der Druckbehälter 11 hat eine aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Schale 16 außerhalb des luftdichten Einsatzes 15, einschließlich eines zylindrischen Abschnitts 12, kuppelförmigen Endabschnitten 13 an beiden Enden des zylindrischen Abschnitts 12 und eines an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts 13 vorgesehenen Stutzens 14. Das Formkorrekturelement 18 ist zwischen der ersten und der zweiten Faserbündellage 17a, 17b an jedem kuppelförmigen Endabschnitt 13 vorgesehen. Dementsprechend können die Faserbündel, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, weiter so angeordnet sein, dass sie die Stutzen passieren und dicht gewickelt sind, um die vorher gewickelten (angeordneten) Faserbündel ausreichend zu drücken. Im Ergebnis können selbst dann, wenn die an den kuppelförmigen Endabschnitten 13 gewickelten Faserbündel 20 so angeordnet sind, dass sie die Stutzen 14 passieren, Fasern, die der Erhöhung der Festigkeit des Druckbehälters 11 in der Axialrichtung von dem den Stutzen 14 benachbarten Abschnitt zu den Schulterabschnitten geringfügig beitragen, reduziert werden, und zudem kann die zum Sicherstellen des gleichen Druckwiderstands erforderliche Fasermenge reduziert werden. Somit können ein leichtgewichtiger Druckbehälter 11 und ein dünnwandiger Zylinderabschnitt 12 erzielt werden. Der dünnwandige zylindrische Abschnitt 12 ermöglicht, dass der Druckbehälter kompakt ist.
(2) Die erste und die zweite Faserbündellage 17a, 17b, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, sind lediglich aus Faserbündeln 20 ausgebildet, die mit dem Stutzen 14 in Kontakt gewickelt sind. Dementsprechend tragen alle Faserbündel 20, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, wirkungsvoll zur Erhöhung der Festigkeit des Druckbehälters 11 in der Axialrichtung bei.
(3) Das Formkorrekturelement 18 hat eine dem Einsatz 15 angrenzende Fläche, wobei die Fläche entlang der Fläche der ersten Faserbündellage 17a geformt und so angeordnet ist, dass sie die Vertiefung 19 an der Fläche der ersten Faserbündellage 17a ausfüllt. Da das Formkorrekturelement 18 so angeordnet ist, dass es die Fläche an der ersten Faserbündellage 17a ausfüllt, sind die an der Außenseite des Formkorrekturelements 18 gewickelten Faserbündel 20 dicht entlang der des Einsatzes 15 entgegen gesetzten Fläche angeordnet. Somit wird die Festigkeit des Druckbehälters 11 erhöht. Während dem Wickeln der Faserbündel 20 an der Außenseite des Formkorrekturelements 18 werden die inneren vorher gewickelten Fasern der ersten Faserbündellage 17a durch das Formkorrekturelement 18 gestrafft und es wird verhindert, dass in dem imprägnierten Kunstharz der ersten Faserbündellage 17a Hohlräume erzeugt werden, womit zur Erhöhung der Festigkeit des Druckbehälters 11 beigetragen wird.
(4) Das Formkorrekturelement 18 hat eine Fläche an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite, wobei die Fläche eine kleinere Krümmung als die Außenfläche der Kuppel 15b des Einsatzes 15 hat. Im Vergleich zu einer Struktur, in der das Formkorrekturelement 18 eine Fläche an der dem Einsatz 15 entgegen gesetzten Seite hat, wobei die Fläche eine größere Krümmung als die Außenfläche der Kuppel 15b des Einsatzes 15 hat, ist es geeigneter, die kuppelförmigen Endabschnitte 13 des Druckbehälters 11 zu bilden (die Faserbündel 20 zu wickeln).
(5) Das Formkorrekturelement 18 hat einen kleineren Außendurchmesser als der Abschnitt der ersten Faserbündellage 17a an dem Körper 15a des Einsatzes 15. Dementsprechend ist es einfach, die Faserbündel 20 an der Außenseite des Formkorrekturelements 18 zu wickeln.
(6) Die Verwendung des Formkorrekturelements 18 ermöglicht es, eine Anordnungslinie der Faserbündel 20 an den Kuppeln 15b einfach abzuschätzen, wenn die Faserbündel 20 weiter an der Außenseite der Kuppeln 15b zu wickeln sind, an der bereits Faserbündel 20 gewickelt sind. Somit wird die Gestaltung einfacher.
(7) Während dem Herstellen des Druckbehälters 11 wird die Filamentwicklung in einem Zustand durchgeführt, in dem der Einsatz 15 an den Spannfuttern 32 des Filamentwickelgeräts 31 fixiert ist, sodass er sich einstückig damit dreht, und die ringförmigen Formkorrekturelemente 18 zur Formkorrektur der an den Kuppeln 15b ausgebildeten Faserbündellage werden im Vorfeld an den Sicherungspositionen zwischen den Spannfuttern 32 und dem Einsatz 15 vorbereitet, an denen die Filamentwicklung nicht unterbrochen wird. Mitten im Verlauf des Wickelns der Faserbündel 20 sind die Formkorrekturelemente 18 an den Sicherungspositionen vorbereitet und werden zu Positionen bewegt, an denen sie mit der bis dahin gewickelten ersten Faserbündellage 17a in Kontakt kommen. Dann wird mit der Filamentwicklung fortgefahren. Wenn die Filamentwicklung unterbrochen wird und die Formkorrekturelemente 18 auf Positionen bewegt werden, an denen sie mit der ersten Faserbündellage 17a in Kontakt sind, können die Formkorrekturelemente 18 auf geeignete Positionen an der Faserbündellage 17a bewegt werden, ohne den Einsatz 15 von den Spannfuttern zu entfernen. Somit wird die Anordnung der Formkorrekturelemente 18 und das Fortführen der Filamentwicklung nach der Anordnung schnell durchgeführt.
(8) Das Einsetzen des Formkorrekturelements 18 verbessert das Erscheinungsbild des Druckbehälters 11. Dementsprechend werden die Faserbündel 20 zum Verbessern des Erscheinungsbilds reduziert, wodurch der Druckbehälter 11 leicht und kompakt gemacht wird. Somit werden weniger Faserbündel 20 verwendet, um die Herstellungskosten zu reduzieren.
(9) Während dem Stützen des Einsatzes 15 durch die Spannfutter 32 des Filamentwickelgeräts 31 sind die Stutzen 14 nicht direkt gestützt sondern sie sind eher durch die Stangen 38 gestützt, die in die Gewindelöcher 14a geschraubt sind. Da die Länge der Stutzen 14 als die Summe der zum Wickeln der Faserbündel 20, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, erforderliche Länge und die Länge, die zum Stützen durch die Spannfutter 32 erforderlich ist, bestimmt ist, ist für den Druckbehälter 11 kein zusätzlicher Prozess, etwa das Entfernen eines zusätzliches Abschnitts nach dem Ausbilden der Schale 16 erforderlich. Außerdem kann der Einsatz 15 mit weniger Material hergestellt werden.
(10) Da als die Faserbündel 20 Karbonfasern verwendet werden und als ein Matrizenkunstharz Epoxidkunstharz verwendet wird, kann der Druckbehälter 11 viel leichter und kompakter sein, während die Festigkeit zum Gebrauch als ein Kraftstofftank für ein Automobil sichergestellt ist.

Nachstehend wird ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel darin, dass zwischen den benachbarten Faserbündellagen, die den kuppelförmigen Endabschnitt 13 bilden, eine Vielzahl von Formkorrekturelementen 18 angeordnet sind. Die anderen Komponenten sind ähnlich zu jenen des ersten Ausführungsbeispiels. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die im Wesentlichen identischen Komponenten wie jene des ersten Ausführungsbeispiels und deren Beschreibung wird ausgelassen. Es ist anzumerken, dass in 6 zum ausdrücklichen Differenzieren zwischen der ersten und zweiten Faserbündellage 17a, 17b und den Formkorrekturelementen 18 die Querschnittsfläche der Formkorrekturelemente 18 nicht durch Schraffur sondern durch Punkte angezeigt ist.
Wie in 6 gezeigt ist, haben die kuppelförmigen Endabschnitte 13 des Druckbehälters 13 jeweils drei Lagen von ersten Faserbündeln 17a, drei Formkorrekturelemente 18 und eine äußere zweite Faserbündellage 17b. Jedes Formkorrekturelement 18 ist dünner als das Formkorrekturelement 18 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ausgeführt. Die Gesamtdicke aus den ersten und zweiten Faserbündellagen 17a, 17b ist von der Dicke der verwendeten Faserbündeln 20, der Festigkeit der Fasern, dem für den Druckbehälter 11 erforderlichen Druckwiderstand und dergleichen abhängig. Wenn die Gesamtdicke der ersten und zweiten Faserbündellager 17a, 17b zum Sicherstellen des für den Druckbehälter 11 erforderlichen Druckwiderstands nicht so dick sein muss, kann ein einzelnes Formkorrekturelement 18 sowie beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ausreichend sein.
Wenn jedoch die Gesamtdicke aus den ersten und zweiten Faserbündellagen 17a, 17b dick sein muss, dann resultiert die Verwendung des einzelnen Formkorrekturelements 18 in einer übermäßigen Fasermenge an dem den Stutzen 14 benachbarten Abschnitt, selbst wenn die Wicklungsgestalt der Faserbündel 20 in einer solchen Art und Weise korrigiert wird, dass das Wickeln der Faserbündel 20 mitten im Verlauf der Filamentwicklung unterbrochen wird und das Formkorrekturelement 18 so angeordnet wird, dass es mit der ersten Faserbündellage 17a in Kontakt ist. Als ein Ergebnis tragen die Faserbündel 20 geringfügig zum Erhöhen der Festigkeit des Druckbehälters 11 in der Axialrichtung in der gleichen Wicklungsmenge bei, sodass die Menge von Faserbündeln 20 zum Sicherstellen des für den Druckbehälter 11 erforderlichen Druckwiderstands zunimmt und sich das Erscheinungsbild der kuppelförmigen Endabschnitte 13 verschlechtert. Jedoch werden in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Formkorrekturelementen 18 verwendet, sodass die Faserbündel 20 zum wirkungsvollen Beitragen zur Festigkeit des Druckbehälters 11 in der Axialrichtung gewickelt werden können. Somit wird das Erscheinungsbild der kuppelförmigen Endabschnitte 13 besser und die Menge von erforderlichen Faserbündeln 20 wird reduziert.
Gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Vorteilen (1) bis (10) des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der nachstehende Vorteil erhalten.

(11) Zwischen der ersten und der zweiten Faserbündellage 17a, 17b, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, sind eine Vielzahl von Formkorrekturelementen 18 angeordnet. Dementsprechend können die kuppelförmigen Endabschnitte 13 einfach in einer gewünschten Form ausgebildet werden. Somit wird die Gestaltung des Druckbehälters 11 einfach und außerdem wird dessen Erscheinungsbild besser. Wenn außerdem die Gesamtdicke aus den ersten und zweiten Faserbündellagen 17a, 17b, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, zum Verbessern der Festigkeit des Druckbehälters 11 dicker gemacht wird, ermöglicht dies ein einfaches Einstellen der Dicke.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in den nachstehenden alternativen Ausführungsbeispielen modifiziert werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Form der Fläche des Formkorrekturelements 18, die dem Einsatz 15 benachbart ist, nicht auf eine glatte Form beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 7 gezeigt ist, eine sich radial erstreckende Nut (Vertiefung) 18a ausgebildet sein. In diesem Fall werden während der Herstellung des Druckbehälters 11 die Formkorrekturelemente 18 an Stellen vorbereitet, an denen sie mit der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a in Kontakt sind. Dann kann während dem Wickeln der Faserbündel 20 an den Formkorrekturelementen 18 von der ersten Faserbündellage 17a ausgetretene Kunstharzflüssigkeit einfach zu dem Umfang eines jeden Formkorrekturelements 18 geführt werden und daher können die Formkorrekturelemente 18 mit der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a einfach in engen Kontakt kommen.
In einem in 7 gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel haben die Formkorrekturelemente 18 jeweils ein Durchloch 18b. Mit den Durchlöchern 18b kann während dem Herstellen des Druckbehälters 11, nachdem die Formkorrekturelemente 18 an Stellen vorbreitet wurden, an denen sie mit der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a in Kontakt sind, während dem Wickeln der Faserbündel 20 an den Formkorrekturelementen 18 von der ersten Faserbündellage 17a austretende Kunstharzflüssigkeit einfach von den Formkorrekturelementen 18 durch die Durchlöcher 18b zur Außenseite abgeleitet werden. Somit kommen die Formkorrekturelemente 18 einfach mit der ersten Faserbündellage 17a in engen Kontakt. Wie in 7 gezeigt ist, können die Formkorrekturelemente 18 jeweils eine Nut 18a und ein Durchloch 18b haben.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel müssen die Formkorrekturelemente 18 nicht jeweils eine dem Einsatz 15 entlang der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a benachbarte Oberfläche haben. Selbst wenn die Formkorrekturelemente 18 jeweils eine Form haben, die von der ersten Faserbündellage 17a ohne jegliche Beschränkung teilweise beabstandet ist, sind sie anwendbar, wenn sie so verformt werden, dass sie infolge der Zugspannung der um die Außenseite der Formkorrekturelemente 18 gewickelten Faserbündel so verformt werden, dass sie mit der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a in engen Kontakt kommen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Formkorrekturelemente 18 nicht darin beschränkt, eine abgerundete Oberfläche an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite zu haben, wobei die Krümmung der abgerundeten Oberfläche kleiner als die der Außenfläche der Kuppel 15b des Einsatzes 15 ist. Die abgerundete Fläche kann eine größere Krümmung als die Außenfläche der Kuppel 15b haben. Jedoch verbessert die abgerundete Oberfläche mit einer kleineren Krümmung als die der Außenfläche der Kuppel 15b das Erscheinungsbild der kuppelförmigen Endabschnitte 13 und neigt dazu, eine geeignete Zugkraft zu verursachen, die während dem Wickeln der Faserbündel 2Q an den Faserbündeln 20 wirkt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Material des Formkorrekturelements 18 nicht auf Epoxidkunstharz beschränkt. Beispielsweise kann das Formkorrekturelement 18 aus einem sich von Epoxidharzkunststoffen unterscheidenden Kunststoff, etwa faserverstärktem Kunststoff, Metall oder Keramik gefertigt sein. Jedoch ist zum Verringern des Gewichts im Vergleich zu Metall und Keramiken Kunstharz vorzuziehen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel haben die Formkorrekturelemente 18 nicht überall die gleiche Härte, sondern sie können einen Abschnitt an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite haben, der weicher als dessen andere Seite ist. Beispielsweise können die Formkorrekturelemente jeweils eine zweilagige Struktur haben, die einen ersten Abschnitt an der dem Einsatz 15 entgegen gesetzten Seite und einen zweiten Abschnitt an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite haben, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt aus Materialien mit unterschiedlichen Härten gefertigt sind. Beispielsweise kann das Formkorrekturelement 18 an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite eine Elastomerlage haben. In diesem Fall ist das Formkorrekturelement 18 während dem Herstellen des Druckbehälters 11 beim Wickeln der Faserbündel 20 an dem Formkorrekturelement 18 an der dem Einsatz 15 entgegen gesetzten Seite mit der ersten Faserbündellage 17a einfach in engem Kontakt und es ist schwieriger, dass zwischen dem Formkorrekturelement 18 und der ersten Faserbündellage 17a Hohlräume erzeugt werden. Als ein Ergebnis wird die Festigkeit des Druckbehälters 11 verbessert.
Wenn in einem alternativen Ausführungsbeispiel das Formkorrekturelement 18 aus wärmehärtendem Kunstharz, wie zum Beispiel aus Epoxidkunstharz gefertigt ist, kann sich die Härte des Formkorrekturelements 18 zwischen dem Abschnitt an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite und dem Abschnitt an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite unterscheiden bis das wärmeaushärtende Kunstharz, das in den Faserbündeln 20 imprägniert ist, nach der Filamentwicklung erwärmt und ausgehärtet ist. In einem Beispiel ist der Abschnitt des Formkorrekturelements 18 an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite aus vollständig gehärtetem wärmehärtenden Kunstharz gefertigt, während der Abschnitt an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite aus dem gleichen wärmehärtenden Kunstharz gefertigt ist, das zur Hälfte ausgehärtet ist. In diesem Fall kommt während dem Wickeln der Faserbündel 20 an dem Abschnitt des Formkorrekturelements 18 an der dem Einsatz 15 entgegengesetzten Seite das Formkorrekturelement 18 mit der ersten Faserbündellage 17a an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite einfach in engen Kontakt und es wird schwierig, dass zwischen dem Formkorrekturelement 18 und der ersten Faserbündellage 17a Hohlräume erzeugt werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Formkorrekturelement 18 nicht darauf beschränkt, einen kleineren Durchmesser als ein Abschnitt der ersten Faserbündellage 17a an dem Körper 15a des Einsatzes 15 zu haben, sondern es kann einen größeren Durchmesser als der vorgenannte Abschnitt haben. Jedoch ist das Formkorrekturelement 18 vorzuziehen, das einen kleineren Durchmesser als der vorgenannte Abschnitt hat.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Formkorrekturelement 18 aus einer Vielzahl von Ringen (ringförmigen Elementen) ausgebildet sein, die unterschiedliche Durchmesser haben.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Formkorrekturelement 18 so ausgebildet sein, dass eine Vielzahl von Elementen so kombiniert werden, dass sie ringförmig sind. In diesem Fall können während der Filamentwicklung selbst dann, wenn die. Formkorrekturelemente 18 nicht im Vorfeld an den Sicherungspositionen zwischen den Spannfuttern 32 des Filamentwickelgeräts 31 und dem Einsatz 15 vorbereitet sind, diese einfach an Positionen angeordnet werden, um mit der Oberfläche der ersten Faserbündellage 17a in Kontakt zu kommen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Faserbündellagen 17a, 17b, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden, nicht darauf beschränkt, dass sie lediglich durch Spiralwicklung geformt werden, sondern sie können die Kombination von durch Spiralwicklung geformten Faserbündellagen und durch Wickeln in der gleichen Ebene geformten Faserbündellagen sein oder sie können lediglich durch Wickeln in gleicher Ebene geformt sein. Wenn die Faserbündel 20 an den kuppelförmigen Endabschnitten 13 gewickelt werden, sodass sie mit den Stutzen 14 in Kontakt kommen, werden die den Stutzen 14 benachbarten Faserbündellagen dicker als die anderen Abschnitte, wenn das Verhältnis des Außendurchmessers des Körpers 15a des Einsatzes zu dem Außendurchmesser der Stutzen 14 zunimmt. Dementsprechend wird das Wickeln in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Außendurchmessers des Körpers 15a zu dem Außendurchmesser der Stutzen 14 und dem für den Druckbehälter 11 erforderlichen Druckwiderstand auf geeignete Weise für die Faserbündel 20 bestimmt, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bilden.
In den vorgenannten bevorzugten Ausführungsbeispielen wird in der ersten Faserbündellage 17a, die die kuppelförmigen Endabschnitte 13 bildet, zunächst eine Spiralwicklungslage ausgebildet, dann wird eine Ringwicklungslage ausgebildet, und schließlich wird dann nochmals eine Spiralwicklung ausgebildet, während die zweite Faserbündellage 17b durch Spiralwicklung ausgebildet wird. Jedoch ist dies nicht auf diese Struktur beschränkt. Die Reihenfolge der Wicklungen kann geändert werden, eine andere Wicklungslage kann ausgebildet werden und eine Spiralwicklungslage der ersten Faserbündellage 17a kann ausgelassen werden. Es ist auch anwendbar, dass die Wicklungslage der Faserbündel 20, die die Stutzen 14 passieren, in der Faserbündellage enthalten ist, die dem Formkorrekturelement 18 an der dem Einsatz 15 benachbarten Seite benachbart ist.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die an den kuppelförmigen Endabschnitten 13 gewickelten Faserbündel 20 nicht darauf beschränkt, auf einer die Stutzen 14 passierenden Linie zu liegen. Die an den kuppelförmigen Endabschnitten 13 gewickelten Faserbündel 20 können teilweise eine Wicklung mit niedrigem Breitengrad aufweisen, der nicht an den Stutzen 14 vorbeiläuft.
Die Formkorrekturelemente 18 sind in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen allen drei Faserbündellagen angeordnet, sie sind jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist zwischen den Faserbündellagen zumindest ein Formkorrekturelement 18 angeordnet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel können vier oder mehrere Faserbündellagen ausgebildet sein. In diesem Fall müssen die Formkorrekturelemente 18 nicht zwischen jeden benachbarten Faserbündellagen angeordnet sein. Es ist auch anwendbar, dass zumindest ein Formkorrekturelement 18 zwischen den Faserbündellagen angeordnet ist.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel hat der Druckbehälter 11 einen Wärmetauscher innerhalb des Einsatzes 15. Wenn in den Druckbehälter 11 Gas mit hohem Druck eingefüllt wird, muss das Gas infolge der aus der Kompression resultierenden Wärme gekühlt werden, damit es in einer kurzen Zeit eingefüllt wird. Insbesondere dann, wenn der Druckbehälter 11 als ein Wasserstoffspeichertank verwendet wird und ein Wasserstoffspeichermaterial, etwa eine wasserstoffspeichernde Legierung darin gefüllt ist, muss die Innenseite des Druckbehälters 11 gekühlt werden. In diesem Fall ist der Wärmetauscher bevorzugter Weise innerhalb des Einsatzes 15 montiert. Wie in 8 gezeigt ist, die den innerhalb des Einsatzes 15 montierten Wärmetauscher zeigt, kann als die Kuppel 15b des Einsatzes 15 eine Abdeckung bzw. ein Deckel 21 verwendet werden. Beispielsweise hat der an einem Ende (welches in 8 gezeigt ist) trennbarer Einsatz 15 eine Öffnung 23 anstelle der Kupplung 15b des bevorzugten Ausführungsbeispiels, und hat ferner eine Abdeckung 21. Die Öffnung 23 hat einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser des Wärmetauschers 22. Die Abdeckung 21 bedeckt die Öffnung 23 und ist mit dem Wärmetauscher 22 einstückig ausgebildet. Die Abdeckung 21 ist über Schrauben 24 an dem Körper 15a befestigt. Der Wärmetauscher 22 hat eine Wärmemediumleitung 25, eine Endplatte 26, eine Wärmeübertragungsrippe 27 und einen zylindrischen Filter 28 und zwischen der Endplatte 26 und den Wärmeübertragungsrippen 27 ist eine wasserstoffspeichernde Legierung (nicht gezeigt) eingefüllt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel muss der Einsatz 15 nicht trennbar sein, wenn der Druckbehälter 11 in dem Einsatz 15 einen Wärmetauscher hat. Beispielsweise ist an einer Kuppel 15b ein Wärmetauscher fixiert und das andere Ende ist durch einen Ziehprozess ausgebildet. Danach wird die Schale 16 durch Filamentwicklung und Wärmeaushärtung ausgebildet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Material des Einsatzes 15 nicht auf Aluminiumlegierung beschränkt, sondern es kann ein anderes Material, etwa rostfreier Stahl oder Kupfer verwendet werden oder anstelle von Metall kann ein luftdichtes Kunstharz verwendet werden. Wenn der Einsatz 15 aus Kunstharz gefertigt ist, wird der aus Metall gefertigte Stutzen 14 an der Mitte der Kuppel 15b befestigt. Ein aus Kunstharz gefertigter Einsatz trägt im Vergleich zu dem aus Metall gefertigten Einsatz 15 zu einem leichten Gewicht bei.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Stutzen 14 verlängert, um eine Wicklungsstelle für die an der Kuppel 15b gewickelten Faserbündel 20 anstelle dessen bereitzustellen, wenn der Einsatz 15 direkt durch die Spannfutter 32 des Filamentwickelgeräts 31 gestützt ist, anstatt dass der Druckbehälter 11 durch die Stange 38 gestützt wird. Dann wird der Einsatz 15 an den Stutzen 14 durch die Spannfutter 32 gestützt und ein überschüssiger Abschnitt wird nach dem Wickeln der Faserbündel 20 und dem Aushärten des Kunstharz abgeschnitten oder entfernt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Matrizenkunstharz des faserverstärkten Kunststoffs, das die Schale 16 bildet, nicht auf Epoxidkunstharz beschränkt sondern kann wärmehärtendes Kunstharz, etwa Polyimidkunstharz oder thermoplastisches Kunstharz mit einem hohen elastischen Biegemodul sein, so kann etwa Polyetherketon in Übereinstimmung mit der für den Druckbehälter erforderlichen Leistung verwendet werden. Es kann auch ein anderes Kunstharz, etwa Vinylesterkunstharz und Phenolkunstharz verwendet werden. In diesem Fall sind die Kosten dieser Kunstharze niedriger als die von Epoxidkunstharz, sodass die Herstellungskosten verringert werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel werden „Prepreg" Fasern verwendet, bei denen Karbonfasern im Vorfeld imprägniert werden. In diesem Fall ist kein Kunstharzimprägniergerät erforderlich, sodass die Arbeitszeit verringert werden kann und der Installationsraum des gesamten Geräts um den Raum des Kunstharzimprägniergeräts verringert werden kann.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Material der Faserbündel 20 nicht auf Carbonfasern beschränkt. Andere anorganische Fasern, etwa Glasfasern, oder organische Fasern mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Elastizität, etwa Polyaramid, werden in Übereinstimmung mit der für den Druckbehälter erforderlichen Leistung verwendet.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Körper 15a des Einsatzes nicht auf eine zylindrische Gestalt beschränkt, sondern kann einen elliptischen Querschnitt oder eine polygonale Gestalt haben. Es ist anzumerken, dass die Faserbündel 20 so ausgebildet sein sollten, dass sie kontinuierlich nahtlos an den Körper 15a und über die im Wesentlichen halbkugelförmigen Kuppeln 15b gewickelt werden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird als Matrizenkunstharz ein ultravioletthärtendes Kunstharz anstelle des Wärmehärtenden Kunstharzes verwendet.
Daher sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sollte so verstanden werden, dass andere ähnliche Ausführungsbeispiele verwendet werden können oder Modifikationen und Zusätze an den beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Durchführen der gleichen Funktionen getätigt werden können. Daher sollte die beanspruchte Erfindung nicht auf ein einzelnes Ausführungsbeispiel beschränkt werden, sondern sollte eher in der Breite und Umfang in Übereinstimmung mit den beiliegenden Ansprüchen ausgelegt werden.
Ein Druckbehälter hat einen luftdichten Einsatz und eine Schale. Die aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Schale wird durch Aushärten von kunstharzimprägnierten Faserbündeln, die außerhalb des Einsatzes gewickelt sind, ausgebildet. Der Druckbehälter hat einen zylindrischen Abschnitt, einen kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts und einen an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehene Stutzen. Die Schale hat zumindest zwei Faserbündellagen, die durch die kunstharzimprägnierten Faserbündel ausgebildet sind und hat zumindest ein Formkorrekturelement, das zwischen den Faserbündellagen an jedem kuppelförmigen Endabschnitt zwischengelegt ist.

Claims

Druckbehälter mit einem luftdichten Einsatz und einer aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten und durch Aushärten von Kunstharz imprägnierten Faserbündeln, die um die Außenseite des Einsatzes gewickelt sind, geformten Schale, wobei der Druckbehälter einen zylindrischen Abschnitt, an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts einen kuppelförmigen Endabschnitt und einen an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehenen Stutzen hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale zumindest zwei Faserbündellagen hat, die durch kunstharzimprägnierte Faserbündel ausgebildet sind und zumindest ein Formkorrekturelement hat, das an jedem kuppelförmigen Endabschnitt zwischen den Faserbündellagen angeordnet ist.
Druckbehälter gemäß Anspruch 1, wobei das Formkorrekturelement einen kleineren Außendurchmesser als ein Abschnitt der Faserbündellage an einem Körperabschnitt des Einsatzes hat.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Formkorrekturelement eine dem Einsatz benachbarte Oberfläche hat, wobei die Oberfläche entlang einer Oberfläche der dem Einsatz benachbarten Faserbündellage geformt ist, und wobei das Formkorrekturelement so angeordnet ist, dass es eine Vertiefung der Oberfläche der dem Einsatz benachbarten Faserbündellage in einem Querschnitt des Druckbehälters entlang einer Achse des Druckbehälters füllt.
Druckbehälter gemäß Anspruch 3, wobei das Formkorrekturelement eine abgerundete Oberfläche an einer dem Einsatz entgegengesetzten Seite hat, wobei die abgerundete Oberfläche eine kleinere Krümmung als eine äußere Oberfläche einer Kuppel des Einsatzes hat.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl von den Formkorrekturelementen zwischen den Faserbündellagen angeordnet ist.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dem Einsatz benachbarte Seite des Formkorrekturelements weicher als eine dem Einsatz entgegengesetzte Seite ist.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Faserbündellage, die den kuppelförmigen Endabschnitt bildet, lediglich durch Faserbündel gebildet ist, die in Kontakt mit dem Stutzen gewickelt sind.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die an den kuppelförmigen Endabschnitten gewickelte Faserbündellage lediglich durch Faserbündel ausgebildet ist, die durch Spiralwindungen in Kontakt mit dem Stutzen gewickelt sind.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die an dem kuppelförmigen Endabschnitt gewickelte Faserbündellage durch Spiralwicklung und/oder Wicklung in gleicher Ebene ausgebildet ist.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Formkorrekturelement eine dem Einsatz benachbarte Oberfläche hat, wobei die Oberfläche eine sich radial erstreckende Vertiefung hat.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Formkorrekturelement ein Durchloch hat.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Formkorrekturelement aus Kunstharz gefertigt ist.
Druckbehälter gemäß Anspruch 12, wobei das Formkorrekturelement aus Epoxidkunstharz gefertigt ist.
Druckbehälter gemäß Anspruch 12, wobei das Formkorrekturelement aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt ist.
Druckbehälter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Formkorrekturelement aus Metall oder Keramiken gefertigt ist.
Wasserstoffspeichertank mit den Komponenten eines der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters mit einem zylindrischen Abschnitt, einem kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts und einem an der Mitte des kuppelförmige Endabschnitts vorgesehenen Stutzen, wobei kunstharzimprägnierte Faserbündel außerhalb eines luftdichten Einsatzes durch Filamentwicklung gewickelt werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Befestigen des Einsatzes an einem Drehstützabschnitt eines Filamentwickelgeräts, sodass es sich einstückig damit dreht; Durchführen des Filamentwickelns während ein ringförmiges Formkorrekturelement zum Festlegen einer Form einer an dem kuppelförmigen Endabschnitt ausgebildeten Faserbündellage an einer Sicherungsposition zwischen dem Drehstützabschnitt und dem Einsatz vorbereitet wird, die mit dem Filamentwickeln nicht in störenden Eingriff gerät; Bewegen des an der Sicherungsposition vorbereiteten Formkorrekturelements, sodass es mit der bis dahin gewickelten Faserbündellage in Kontakt kommt, mitten im Wicklungsprozess der Faserbündel; und Fortfahren mit dem Filamentwickeln.
Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters mit einem zylindrischen Abschnitt, einem kuppelförmigen Endabschnitt an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts und einem an der Mitte des kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehenen Stutzen, wobei kunstharzimprägnierte Faserbündel an der Außenseite eines luftdichten Einsatzes durch Filamentwickeln gewickelt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Durchführen des Filamentwickelns in einem Zustand, in dem der Einsatz an einem Drehstützabschnitt eines Filamentwickelgeräts fixiert ist, sodass es sich einstückig damit dreht; Anordnen eines Formkorrekturelements an der Außenseite der bis dahin gewickelten Faserbündellage, wenn eine Außenkontur der Faserbündellage, die durch an den kuppelförmigen Endabschnitt gewickelten Faserbündel ausgebildet ist, eine Form annimmt, durch die eine Presskraft von den an der Außenseite der Faserbündellage gewickelten Faserbündeln geringer als ein vorbestimmter Wert ist; und Ausbilden der Faserbündellage durch Wickeln der Faserbündel an dem Formkorrekturelement.