DE102008039573B4

DE102008039573B4 - Behälter und verfahren zum formen eines behälters

Info

Publication number: DE102008039573B4
Application number: DE102008039573.0A
Authority: DE
Inventors: Harald Schlag
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: DE102008039573A1; US7870971B2; US20090057319A1

Abstract

Verfahren zum Formen eines Behälters (10'), mit den Schritten, dass: ein Vorsprung (18') mit einer Außenfläche (30') bereitgestellt wird; eine hohle Innenschale (12') aus einem formbaren Material geformt wird, wobei die Innenschale (12') in Kontakt mit dem Vorsprung (18') geformt wird; eine Diffusionsschicht (14') aus einem fluidpermeablen Material an zumindest einem Abschnitt der Innenschale (12') und einem Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt wird; und eine fluiddichte Außenschale (16') über der Diffusionsschicht (14') und der Innenschale (12') geformt wird, wobei ein Abschnitt (32') der Diffusionsschicht (14'), der an dem Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt ist, nicht von der Außenschale (16') bedeckt wird, sondern freiliegend bleibt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Anmeldung betrifft einen Behälter und ein Verfahren zum Formen eines Behälters.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ wird Wasserstoff als ein Brennstoff an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathode der Brennstoffzelle geliefert. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen wird in Brennstoffzellenstapeln aneinandergestapelt, um ein Brennstoffzellensystem zu bilden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden typischerweise in großen druckbeaufschlagten Hohlbehältern gespeichert, wie Kraftstofftanks, die an einer Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet sind.
Die druckbeaufschlagten Behälter können mehrschichtig sein und zumindest eine Innenschale und eine Außenschale umfassen. Einige Innenschalen werden unter Verwendung eines Rotationsform- bzw. Rotationsschmelzverfahrens hergestellt. Die Innenschale wird unter Verwendung des Rotationsschmelzverfahrens dadurch geformt, dass Vorsprünge in einem Matrizenhohlraum mit einem Polymerharz angeordnet werden, die Form erhitzt wird, während sie gedreht wird, was zur Folge hat, dass das Harz schmilzt und Wände des Matrizenhohlraums beschichtet, die Matrize gekühlt wird und die geformte Innenschale entfernt wird. Um die Außenschale zu formen, kann die geformte Innenschale einem Präzisionswickel- bzw. Filamentwickelprozess unterzogen werden. Der Filamentwickelprozess resultiert oftmals in der Erzeugung eines Raumes zwischen der Außenschale und der Innenschale des Brennstofftanks. Gas, das durch die Innenschale diffundiert, erzeugt Gastaschen zwischen der Innenschale und der Außenschale.
Es wäre erwünscht, einen Hohldruckbehälter und ein Verfahren zur Formung desselben zu entwickeln, der eine Innenschale, eine Außenschale und eine dazwischen angeordnete Diffusionsschicht besitzt, wobei die Diffusionsschicht eine Entlüftung eines Fluides erleichtert, das durch die Innenschale diffundiert ist.
Herkömmliche Behälter und Verfahren zum Formen von Behältern sind aus den Druckschriften WO 01/96 766 A1 , DE 12 55 684 B , DE 695 30 126 T2 , JP H11-210 988 A und US 3 785 040 A bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Formen eines Behälters umfasst, dass ein Vorsprung mit einer Außenfläche bereitgestellt wird und eine hohle Innenschale aus einem formbaren Material geformt wird, wobei die Innenschale in Kontakt mit dem Vorsprung geformt wird. Ferner wird eine Diffusionsschicht aus einem fluidpermeablen Material an zumindest einem Abschnitt der Innenschale und einem Abschnitt der Außenfläche des Vorsprungs geformt. Eine fluiddichte Außenschale wird über der Diffusionsschicht und der Innenschale geformt, wobei ein Abschnitt der Diffusionsschicht, der an dem Abschnitt der Außenfläche des Vorsprungs geformt ist, nicht von der Außenschale bedeckt wird, sondern freiliegend bleibt.
Ein erfindungsgemäßer Behälter umfasst eine hohle Innenschale, die aus einem formbaren Material geformt und derart ausgebildet ist, um ein Fluid zu speichern, und einen Vorsprung mit einer Außenfläche, der an dem formbaren Material der Innenschale angehaftet ist und eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen bildet. Ferner ist eine Diffusionsschicht aus einem fluidpermeablen Material vorgesehen, die um zumindest einen Abschnitt der Innenschale und einen Abschnitt der Außenfläche des Vorsprungs geformt ist, wobei die Diffusionsschicht die Strömung eines Fluides von der Diffusionsschicht zu einem Äußeren des Behälters erleichtert. Eine fluiddichte Außenschale ist um die Diffusionsschicht und die Innenschale geformt, wobei ein Abschnitt der Diffusionsschicht, der um den Abschnitt der Außenfläche des Vorsprungs geformt ist, nicht von der Außenschale bedeckt ist, sondern freiliegt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
1 eine Schnittansicht eines Behälters gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
2 eine Schnittansicht eines Behälters gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist; und
3 eine Schnittansicht eines Behälters gemäß einer anderen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
1 zeigt einen Hohldruckbehälter 10 mit einer Innenschale 12, einer Diffusionsschicht 14 und einer Außenschale 16. Der Behälter 10 besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist derart ausgebildet, um ein druckbeaufschlagtes Fluid (nicht gezeigt) zu enthalten. Es sei zu verstehen, dass der Behälter 10 gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Das druckbeaufschlagte Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, wie beispielsweise ein Gas, wie Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit und sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas.
Der Behälter 10 umfasst einen Vorsprung 18, der an seinem ersten Ende 20 angeordnet ist. Der Vorsprung 18 ist ein separat hergestelltes Bauteil, das eine Öffnung in ein Inneres des Behälters 10 bildet und typischerweise so geformt ist, um einen spezifischen Verschluss aufzunehmen. Der Behälter 10 kann gegebenenfalls eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen. Der Vorsprung 18 umfasst eine Ringnut 22, die an einer Innenfläche 28 geformt ist, wie auch einen Strömungskanal 24, der darin geformt ist. Die Nut 22 ist derart ausgebildet, um einen Abschnitt eines Schlauches, einer Düse, einer Leitung oder eines anderen Mittels zur Fluidverbindung (nicht gezeigt) mit dem Vorsprung 18 und dem Inneren des Behälters 10 aufzunehmen. Anstatt der Nut 22 kann die Innenfläche 28 des Vorsprungs 18 mit Gewinde versehen sein, um die verschiedenen Mittel zur Fluidverbindung aufzunehmen. Der Strömungskanal 24 ist in einer Seitenwand des Vorsprunges 18 geformt. Eine Öffnung 24a des Strömungskanals 24 steht in Fluidverbindung mit der Diffusionsschicht 14, und eine Öffnung 24b des Strömungskanals 24 steht in Fluidverbindung mit einem Äußeren des Behälters 10. Die Öffnung 24b kann gegebenenfalls auch in Fluidverbindung mit der Atmosphäre oder einem Belüftungssystem stehen. Es sei auch zu verstehen, dass der Vorsprung 18 aus einem beliebigen herkömmlichen Material geformt sein kann, wie beispielsweise einem Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung oder Aluminium.
Die Innenschale 12 des Behälters 10 ist ein Hohlgefäß, das derart ausgebildet ist, um das druckbeaufschlagte Fluid zu speichern. Wie gezeigt ist, besitzt die Innenschale 12 eine im Wesentlichen zylindrische Form. Jedoch kann die Innenschale 12 gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen. Ein erstes Ende der Innenschale 12 ist in einer durch die Innenfläche 28 des Vorsprunges 18 geformten Öffnung an dem ersten Ende 20 des Behälters 10 aufgenommen. Die Innenschale 12 kann gegebenenfalls auch an einer Außenfläche 30 des Vorsprungs 18 aufgenommen sein. Wie gezeigt ist, ist die Innenschale 12 aus einem Kunststoff geformt, wie beispielsweise Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer. Die Innenschale 12 kann gegebenenfalls auch aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie einem Metall, einem Glas und dergleichen.
Die Diffusionsschicht 14 ist zwischen der Innenschale 12 und der Außenschale 16 des Behälters 10 angeordnet. Die Diffusionsschicht 14 ist um die Innenschale 12 des Behälters 10 herum geformt und steht in Verbindung mit der Öffnung 24a des Strömungskanals 24 des Vorsprungs 18. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Diffusionsschicht 14 aus Kohlefaserfilament geformt, das um die Innenschale 12 herum gewickelt ist. Es sei zu verstehen, dass die Diffusionsschicht 14 aus einem beliebigen fluidpermeablen Material geformt sein kann, das derart ausgebildet ist, um die Diffusion eines Fluides zu erleichtern, wie beispielsweise einem Schaum, einem Kohlepapier, einer harzbeschichteten Kohlefaser, einer Glasfaser und dergleichen.
Die Außenschale 16 des Behälters 10 ist an der Diffusionsschicht 14 angeordnet und besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form. Wie gezeigt ist, grenzt die Außenschale 16 im Wesentlichen an der Diffusionsschicht 14 an. Die Außenschale 16 ist an dem Vorsprung 18 an dem ersten Ende 20 des Behälters 10 angeordnet. Die Außenschale 16 kann aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie beispielsweise einem Metall oder einem Kunststoff, oder die Außenschale 16 kann durch einen Filamentwickelprozess geformt werden. Wenn die Außenschale 16 durch einen Filamentwickelprozess geformt wird, kann die Außenschale 16 gegebenenfalls aus einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Kompositfaser und einer Faser mit einer Harzbeschichtung geformt sein. Es sei zu verstehen, dass das Material, das dazu verwendet wird, die Außenschale 16 zu formen, auf Grundlage des Prozesses, der dazu verwendet wird, die Außenschale 16 an der Diffusionsschicht 14 und der Innenschale 12 anzubringen, des Gebrauchs des Behälters 10 wie auch der Eigenschaften des Fluides gewählt sein kann, das in dem Behälter 10 gespeichert werden soll.
Um den Behälter 10 zu formen, wird die Innenschale 12 typischerweise unter Verwendung eines Druckluft- bzw. Blasformgebungsprozesses geformt. Der Vorsprung 18 wird in einer Matrize (nicht gezeigt) angeordnet und die Matrize wird dann geschlossen. Der Vorsprung 18 kann vor dem Anordnen in der Matrize erhitzt werden, um eine Anhaftung an der Innenschale 12 zu erleichtern, wenn diese geformt wird. Geschmolzene Kunststoffpellets oder -flocken werden dann in der Matrize in die Form eines Vorformlings (nicht gezeigt) extrudiert. Da der Vorformling kontinuierlich in die Matrize extrudiert wird, ist der Vorformling hohl. Anschließend wird ein Fluid (nicht gezeigt) durch den Vorformling in der Matrize getrieben, wodurch bewirkt wird, dass sich der Vorformling ausdehnt und mit den Wanden der Matrize in Kontakt tritt, wodurch er die Form des Matrizenhohlraumes annimmt. Die Innenschale 12 kann gegebenenfalls durch andere herkömmliche Prozesse geformt werden, wie beispielsweise Rotationsschmelzen. Es sei zu verstehen, dass das Fluid gegebenenfalls ein beliebiges herkömmliches Fluid sein kann, wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff. Wenn der Vorformling durch das Fluid ausgedehnt wird, wird bewirkt, dass ein Abschnitt des Vorformlings mit dem Vorsprung 18 in Kontakt tritt, an diesem anhaftet und eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit diesem bildet.
Wie in 1 gezeigt ist, wird ein Halsabschnitt 26 des den Vorformling bildenden Materials in die Innenfläche 28 des Vorsprungs 18 blasgeformt. Gegebenenfalls kann Material in die Nut 22 und an die Innenfläche 28 geblasen werden und kann von dem Vorsprung 18 abgeschnitten oder anderweitig maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet werden. Es sei angemerkt, dass die Flächen des Vorsprungs 18, die mit dem formbaren Material während des Blasformgebungsprozesses in Kontakt stehen, vor dem Blasformgebungsprozess gegebenenfalls geätzt, mit einer Grundierung beschichtet oder mit einem Klebstoff beschichtet werden können, um eine Anhaftung des Vorsprungs 18 an dem formbaren Material zu erleichtern. Es sei auch zu verstehen, dass der Vorsprung 18 Nuten, Hohlräume, Kanäle oder Ausstülpungen aufweisen kann, die derart ausgebildet sind, um einen Abschnitt des Materials aufzunehmen und damit das Material mechanisch an dem Vorsprung 18 anzubringen. Sobald das blasgeformte Material ausreichend abgekühlt ist, wird die Matrize geöffnet und die Innenschale 12 entfernt.
Die Diffusionsschicht 14 wird typischerweise um die Innenschale 12 mit einem Filamentwickelprozess geformt. Die Innenschale 12 kann über einem Dorn (nicht gezeigt) angeordnet oder in einer automatischen Filamentwickelvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet und gedreht werden, wenn die Diffusionsschicht 14 an die Innenschale 12 und einen Abschnitt des Vorsprungs 18 aufgebracht wird. Eine erste Schicht der Kohlefasern oder eines anderen Materials, das dazu verwendet wird, die Diffusionsschicht 14 zu formen, wird um die Innenschale 12 gewickelt. Die erste Schicht der Kohlefasern wird mit einer minimalen Harzmenge beschichtet, um die Kohlefasern an der Innenschale 12 zu fixieren. Eine andere Schicht von Kohlefasern wird typischerweise rechtwinklig über der ersten Schicht von Kohlefasern aufgebracht, um die Diffusionsschicht 14 zu vervollständigen. Abhängig von der Diffusionsrate des druckbeaufschlagten Fluides durch die Innenschale 12 kann die Diffusionsschicht 14 aus zahlreichen Schichten von Kohlefasern oder nur so wenig wie einer einzelnen Schicht aus Kohlefaser bestehen. Gegebenenfalls können andere Verfahren dazu verwendet werden, die Diffusionsschicht 14 zu bilden.
Kohlefasern, die stark mit dem Harz imprägniert wurden, werden typischerweise um die Diffusionsschicht 14 filamentgewickelt, um die Außenschale 16 zu bilden. Die Kohlefasern der Außenschale 16, die stark mit Harz imprägniert sind, werden aufgebracht, um eine im Wesentlichen fluiddichte Harzdichtung über der Diffusionsschicht 14 und der Innenschale 12 zu bilden. Um der Eindringung des Harzes von den stark imprägnierten Kohlefasern in die Diffusionsschicht 14 entgegenzuwirken, kann eine Schutzschicht 15 auf der Diffusionsschicht 14 angeordnet werden. Wie gezeigt ist, ist die Schutzschicht 15 eine Folie, wobei die Schutzschicht 15 gegebenenfalls auch ein Kunststoff, ein Gewebe oder ein anderes Material sein kann. Es sei zu verstehen, dass die Außenschale 16 durch einen Tauchprozess in ein geschmolzenes Polymer oder Metall, durch Sprühen einer Beschichtung oder durch Nähen eines Leder- oder Gewebematerials auf die Diffusionsschicht 14 und die Innenschale 12 aufgebracht werden kann. Sobald die Außenschale 16 aufgebracht ist, kann der Behälter 10 in einem Autoklav (nicht gezeigt) angeordnet werden, um das Harz der Außenschale 16 zu härten. Sobald das Harz der Außenschale 16 gehärtet ist, ist der Behälter 10 vollständig. Aufgrund der harzdichten Abdichtung der Außenschale 16 über der Diffusionsschicht 14 und aufgrund des Wickelmusters der Diffusionsschicht 14 werden Strömungspfade (nicht gezeigt) in Fluidverbindung mit der Öffnung 24a des Vorsprunges 18 in der Diffusionsschicht 14 gebildet.
Während des Gebrauchs des Behälters 10 diffundiert in dem Behälter 10 enthaltenes Fluid durch die Innenschale 12 und in die Diffusionsschicht 14. Das Fluid strömt dann durch die in der Diffusionsschicht 14 geformten Strömungspfade zu der Öffnung 24a des Strömungspfades 24 des Vorsprungs 18, durch den Vorsprung 18 und hinaus in die Atmosphäre, wodurch einem Druck- und parasitären Fluidpolsteraufbau zwischen der Innenschale 12 und der Außenschale 16 entgegengewirkt wird und eine Nutzlebensdauer des Behälters 10 verlängert wird.
2 zeigt einen Hohldruckbehälter 10' gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform von 2 ist ähnlich dem Behälter 10 von 1, mit Ausnahme dessen, wie nachfolgend beschrieben ist. Ähnlich dem Aufbau von 1 umfasst 2 dieselben Bezugszeichen, begleitet durch einen Strichindex ('), um einen ähnlichen Aufbau anzudeuten.
2 zeigt den Hohldruckbehälter 10' mit einer Innenschale 12', einer Diffusionsschicht 14' und einer Außenschale 16'. Der Behälter 10' besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist derart ausgebildet, um ein druckbeaufschlagtes Fluid (nicht gezeigt) zu enthalten. Es sei zu verstehen, dass der Behälter 10' gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Das druckbeaufschlagte Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, wie beispielsweise ein Gas, wie Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit und sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas.
Der Behälter 10' umfasst einen Vorsprung 18', der an seinem ersten Ende 20' angeordnet ist. Der Vorsprung 18' ist ein separat hergestelltes Bauteil, das eine Öffnung in ein Inneres des Behälters 10' bildet und typischerweise so geformt ist, um einen spezifischen Verschluss aufzunehmen. Der Behälter 10' kann gegebenenfalls eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen. Der Vorsprung 18' umfasst eine Ringnut 22', die an einer Innenfläche 28' darin geformt ist. Die Nut 22' ist derart ausgebildet, um einen Abschnitt eines Schlauches, einer Düse, einer Leitung oder eines anderen Mittels zur Fluidverbindung (nicht gezeigt) mit dem Vorsprung 18' und dem Inneren des Behälters 10' aufzunehmen. Anstatt der Nut 22' kann die Innenfläche 28' des Vorsprungs 18' mit Gewinde versehen sein, um die verschiedenen Mittel zur Fluidverbindung aufzunehmen. Es sei zu verstehen, dass der Vorsprung 18' aus einem beliebigen herkömmlichen Material geformt sein kann, wie beispielsweise einem Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung oder Aluminium.
Die Innenschale 12' des Behälters 10' ist derart ausgebildet, um das druckbeaufschlagte Fluid zu speichern. Wie gezeigt ist, besitzt die Innenschale 12' eine im Wesentlichen zylindrische Form. Jedoch kann die Innenschale 12' gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen. Ein erstes Ende der Innenschale 12' ist in einer durch die Innenfläche 28' des Vorsprunges 18' geformten Öffnung an dem ersten Ende 20' des Behälters 10' aufgenommen. Die Innenschale 12' kann gegebenenfalls auch an einer Außenfläche 30' des Vorsprungs 18' aufgenommen sein. Wie gezeigt ist, ist die Innenschale 12' aus einem Kunststoff geformt, wie beispielsweise Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer. Die Innenschale 12' kann gegebenenfalls auch aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie einem Metall, einem Glas und dergleichen.
Die Diffusionsschicht 14' ist zwischen der Innenschale 12' und der Außenschale 16' des Behälters 10' angeordnet. Die Diffusionsschicht 14' ist um die Innenschale 12' des Behälters 10' herum geformt und steht in Verbindung mit der Außenfläche 30' des Vorsprungs 18'. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Diffusionsschicht 14' aus Kohlefaserfilament geformt, das um die Innenschale 12' herum gewickelt ist. Es sei zu verstehen, dass die Diffusionsschicht 14' aus einem beliebigen fluidpermeablen Material geformt sein kann, das derart ausgebildet ist, um die Diffusion eines Fluides zu erleichtern, wie beispielsweise einem Schaum, einem Kohlepapier, einer Glasfaser und dergleichen.
Die Außenschale 16' des Behälters 10' ist an der Diffusionsschicht 14' angeordnet und besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form. Wie gezeigt ist, grenzt die Außenschale 16' im Wesentlichen an der Diffusionsschicht 14' an. Die Außenschale 16' ist an dem Vorsprung 18' an dem ersten Ende 20' des Behälters 10' angeordnet. Die Außenschale 16' kann aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie beispielsweise einem Metall oder einem Kunststoff, oder die Außenschale 16' kann durch einen Filamentwickelprozess geformt werden. Wenn die Außenschale 16' durch einen Filamentwickelprozess geformt wird, kann die Außenschale 16' gegebenenfalls aus einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Kompositfaser und einer Faser mit einer Harzbeschichtung geformt sein. Es sei zu verstehen, dass das Material, das dazu verwendet wird, die Außenschale 16' zu formen, auf Grundlage des Prozesses, der dazu verwendet wird, die Außenschale 16' an der Diffusionsschicht 14' und der Innenschale 12' anzubringen, des Gebrauchs des Behälters 10' wie auch der Eigenschaften des Fluides gewählt sein kann, das in dem Behälter 10' gespeichert werden soll.
Um den Behälter 10' zu formen, wird die Innenschale 12' typischerweise unter Verwendung eines Druckluft- bzw. Blasformgebungsprozesses geformt. Der Vorsprung 18' wird in einer Matrize (nicht gezeigt) angeordnet und die Matrize wird dann geschlossen. Der Vorsprung 18' kann vor dem Anordnen in der Matrize erhitzt werden, um eine Anhaftung an der Innenschale 12' zu erleichtern, wenn diese geformt wird. Geschmolzene Kunststoffpellets oder -flocken werden dann in der Matrize in die Form eines Vorformlings (nicht gezeigt) extrudiert. Da der Vorformling kontinuierlich in die Matrize extrudiert wird, ist der Vorformling hohl. Anschließend wird ein Fluid (nicht gezeigt) durch den Vorformling in der Matrize getrieben, wodurch bewirkt wird, dass sich der Vorformling ausdehnt und mit den Wänden der Matrize in Kontakt tritt, wodurch er die Form des Matrizenhohlraumes annimmt. Die Innenschale 12' kann gegebenenfalls durch andere herkömmliche Prozesse geformt werden, wie beispielsweise Rotationsschmelzen. Es sei zu verstehen, dass das Fluid gegebenenfalls ein beliebiges herkömmliches Fluid sein kann, wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff. Wenn der Vorformling durch das Fluid ausgedehnt wird, wird bewirkt, dass ein Halsabschnitt 26' des Vorformlings mit dem Vorsprung 18' in Kontakt tritt, an diesem anhaftet und eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit diesem bildet.
Wie in 2 gezeigt ist, wird der Halsabschnitt 26' des den Vorformling bildenden Materials in die Innenfläche 28' des Vorsprungs 18' blasgeformt. Gegebenenfalls kann Material in die Nut 22' und an die Innenfläche 28' geblasen werden und kann von dem Vorsprung 18' abgeschnitten oder anderweitig maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet werden. Es sei angemerkt, dass die Flächen des Vorsprungs 18', die mit dem formbaren Material während des Blasformgebungsprozesses in Kontakt stehen, vor dem Blasformgebungsprozess gegebenenfalls geätzt, mit einer Grundierung beschichtet oder mit einem Klebstoff beschichtet werden können, um eine Anhaftung des Vorsprungs 18' an dem formbaren Material zu erleichtern. Es sei auch zu verstehen, dass der Vorsprung 18' Nuten, Hohlräume, Kanäle oder Ausstülpungen aufweisen kann, die derart ausgebildet sind, um einen Abschnitt des Materials aufzunehmen und damit das Material mechanisch an dem Vorsprung 18' anzubringen. Sobald das blasgeformte Material ausreichend abgekühlt ist, wird die Matrize geöffnet und die Innenschale 12' entfernt.
Die Diffusionsschicht 14' wird typischerweise um das Äußere der Innenschale 12' und die Außenfläche 30' des Vorsprungs 18' mit einem Filamentwickelprozess geformt. Die Innenschale 12' kann über einem Dorn (nicht gezeigt) angeordnet oder in einer automatischen Filamentwickelvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet und gedreht werden, wenn die Diffusionsschicht 14' an die Innenschale 12' und einen Abschnitt des Vorsprungs 18' aufgebracht wird. Eine erste Schicht der Kohlefasern oder eines anderen Materials, das dazu verwendet wird, die Diffusionsschicht 14' zu formen, wird um die Innenschale 12' gewickelt. Die erste Schicht der Kohlefasern wird mit einer minimalen Harzmenge beschichtet, um die Kohlefasern an der Innenschale 12' zu fixieren. Eine andere Schicht von Kohlefasern wird typischerweise rechtwinklig über der ersten Schicht von Kohlefasern aufgebracht, um die Diffusionsschicht 14' zu vervollständigen. Abhängig von der Diffusionsrate des druckbeaufschlagten Fluides durch die Innenschale 12' kann die Diffusionsschicht 14' aus zahlreichen Schichten von Kohlefasern oder nur so wenig wie einer einzelnen Schicht aus Kohlefaser bestehen. Gegebenenfalls können andere Verfahren dazu verwendet werden, die Diffusionsschicht 14' zu bilden.
Kohlefasern, die stark mit dem Harz imprägniert wurden, werden um die Diffusionsschicht 14' filamentgewickelt, um die Außenschale 16' zu bilden. Ein Abschnitt 32' der Diffusionsschicht 14' steht nicht in Kontakt mit den Kohlefasern der Außenschale 16'. Die Kohlefasern der Außenschale 16', die stark mit Harz imprägniert sind, werden aufgebracht, um eine im Wesentlichen fluiddichte Harzdichtung über der Diffusionsschicht 14' und der Innenschale 12' zu bilden. Um der Eindringung des Harzes von den stark imprägnierten Kohlefasern in die Diffusionsschicht 14' entgegenzuwirken, kann eine Schutzschicht 15' auf der Diffusionsschicht 14' angeordnet werden. Wie gezeigt ist, ist die Schutzschicht 15' eine Folie, wobei die Schutzschicht 15' gegebenenfalls auch ein Kunststoff, ein Gewebe oder ein anderes Material sein kann. Es sei zu verstehen, dass die Außenschale 16' durch einen Tauchprozess in ein geschmolzenes Polymer oder Metall, durch Sprühen einer Beschichtung oder durch Nähen eines Leder- oder Gewebematerials auf die Diffusionsschicht 14' und die Innenschale 12' aufgebracht werden kann. Sobald die Außenschale 16' aufgebracht ist, kann der Behälter 10' in einem Autoklav (nicht gezeigt) angeordnet werden, um das Harz der Außenschale 16' zu härten. Sobald das Harz der Außenschale 16' gehärtet ist, ist der Behälter 10' vollständig. Aufgrund der harzdichten Abdichtung der Außenschale 16' über der Diffusionsschicht 14' und aufgrund des Wickelmusters der Diffusionsschicht 14' werden Strömungspfade (nicht gezeigt) in Fluidverbindung mit dem Äußeren des Behälters 10' in der Diffusionsschicht 14' gebildet.
Während des Gebrauchs des Behälters 10' diffundiert in dem Behälter 10' enthaltenes Fluid durch die Innenschale 12' und in die Diffusionsschicht 14'. Das Fluid strömt dann durch die in der Diffusionsschicht 14' geformten Strömungspfade und hinaus in die Atmosphäre, wodurch einem Druck- und parasitären Fluidpolsteraufbau zwischen der Innenschale 12' und der Außenschale 16' entgegengewirkt wird und eine Nutzlebensdauer des Behälters 10' verlängert wird.
3 zeigt einen Hohldruckbehälter 10'' gemäß einer anderen nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Ausführungsform von 3 ist ähnlich dem Behälter 10 von 1, mit Ausnahme dessen, wie nachfolgend beschrieben ist. Ähnlich dem Aufbau von 1 umfasst 3 dieselben Bezugszeichen, begleitet durch einen Doppelstrichindex (''), um einen ähnlichen Aufbau anzudeuten.
3 zeigt den Hohldruckbehälter 10'' mit einer Innenschale 12'', einer Diffusionsschicht 14'' und einer Außenschale 16''. Der Behälter 10'' besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist derart ausgebildet, um ein druckbeaufschlagtes Fluid (nicht gezeigt) zu enthalten. Es sei zu verstehen, dass der Behälter 10'' gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Das druckbeaufschlagte Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, wie beispielsweise ein Gas, wie Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, eine Flüssigkeit und sowohl eine Flüssigkeit als auch ein Gas.
Der Behälter 10'' umfasst einen Vorsprung 18'', der an einem ersten Ende 20'' des Behälters 10'' angeordnet ist, und einen blinden Vorsprung 34, der an einem zweiten Ende 36 des Behälters 10'' angeordnet ist. Der Vorsprung 18'' ist ein separat hergestelltes Bauteil, das eine Öffnung in ein Inneres des Behälters 10'' bildet und so geformt ist, um einen spezifischen Verschluss aufzunehmen. Der Behälter 10'' kann gegebenenfalls eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweisen. Der Vorsprung 18'' umfasst eine Ringnut 22''. Die Nut 22'' ist derart ausgebildet, um einen Abschnitt eines Schlauches, einer Düse, einer Leitung oder eines anderen Mittels zur Fluidverbindung (nicht gezeigt) mit dem Vorsprung 18'' und dem Inneren des Behälters 10'' aufzunehmen. Anstatt der Nut 22'' kann die Innenfläche 28'' des Vorsprungs 18'' mit Gewinde versehen sein, um die verschiedenen Mittel zur Fluidverbindung aufzunehmen. Der blinde Vorsprung 34 wird separat hergestellt und nach außen vorragend in einem geschlossenen Loch an dem Behälter 10'' fixiert. Ein blinder Vorsprung umfasst typischerweise ein Gewinde, das derart ausgebildet ist, um den Gewindeabschnitt eines anderen Behälters, einer Pumpe oder eines Motors aufzunehmen und damit den anderen Behälter, die Pumpe oder den Motor an dem Behälter zu verankern. Der blinde Vorsprung 34 umfasst einen darin geformten Strömungskanal 38. Der Strömungskanal 38 ist in einer Seitenwand des blinden Vorsprunges 34 geformt. Eine Öffnung 38a des Fluidkanals 38 steht in Fluidverbindung mit der Diffusionsschicht 14'', und eine Öffnung 38b des Strömungskanals 38 steht in Fluidverbindung mit einem Äußeren des Behälters 10''. Die Öffnung 38b kann gegebenenfalls auch in Fluidverbindung mit der Atmosphäre oder einem Belüftungssystem stehen. Es sei zu verstehen, dass der blinde Vorsprung 34 aus einem beliebigen herkömmlichen Material geformt sein kann, wie beispielsweise einem Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung oder Aluminium.
Die Innenschale 12'' des Behälters 10'' ist ein Hohlgefäß, das derart ausgebildet ist, um das druckbeaufschlagte Fluid zu speichern. Wie gezeigt ist, besitzt die Innenschale 12'' eine im Wesentlichen zylindrische Form. Jedoch kann die Innenschale 12'' gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen. Ein erstes Ende der Innenschale 12'' ist in einer durch die Innenfläche 28'' des Vorsprunges 18'' geformten Öffnung an dem ersten Ende 20'' des Behälters 10'' aufgenommen. Die Innenschale 12'' kann gegebenenfalls auch an einer Außenfläche 30'' des Vorsprungs 18'' aufgenommen sein. Wie gezeigt ist, ist die Innenschale 12'' aus einem Kunststoff geformt, wie beispielsweise Polyethylen, PET, Ethylenvinylalkohol oder einem Ethylen-Vinylacetat-Terpolymer. Die Innenschale 12'' kann gegebenenfalls aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie einem Metall, einem Glas und dergleichen.
Die Diffusionsschicht 14'' ist zwischen der Innenschale 12'' und der Außenschale 16'' des Behälters 10'' angeordnet. Die Diffusionsschicht 14'' ist um die Innenschale 12'' des Behälters 10'' herum geformt und steht in Verbindung mit der Öffnung 38a des Strömungskanals 38 des Vorsprungs 18''. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Diffusionsschicht 14'' aus Kohlefasern geformt, die um die Innenschale 12'' herum filamentgewickelt sind. Es sei zu verstehen, dass die Diffusionsschicht 14'' aus einem beliebigen fluidpermeablen Material geformt sein kann, das derart ausgebildet ist, um die Diffusion eines Fluides zu erleichtern, wie beispielsweise einem Schaum, einem Kohlepapier, einer Glasfaser und dergleichen.
Die Außenschale 16'' des Behälters 10'' ist an der Diffusionsschicht 14'' angeordnet und besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form. Wie gezeigt ist, grenzt die Außenschale 16'' im Wesentlichen an der Diffusionsschicht 14'' an. Die Außenschale 16'' ist an dem Vorsprung 18'' an dem ersten Ende 20'' des Behälters 10'' angeordnet. Die Außenschale 16'' kann aus einem beliebigen formbaren Material geformt sein, wie beispielsweise einem Metall oder einem Kunststoff, oder die Außenschale 16'' kann durch einen Filamentwickelprozess geformt werden. Wenn die Außenschale 16'' durch einen Filamentwickelprozess geformt wird, kann die Außenschale 16'' gegebenenfalls aus einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Kompositfaser und einer Faser mit einer Harzbeschichtung geformt sein. Es sei zu verstehen, dass das Material, das dazu verwendet wird, die Außenschale 16'' zu formen, auf Grundlage des Prozesses, der dazu verwendet wird, die Außenschale 16'' an der Diffusionsschicht 14'' und der Innenschale 12'' anzubringen, des Gebrauchs des Behälters 10'' wie auch der Eigenschaften des Fluides gewählt sein kann, das in dem Behälter 10'' gespeichert werden soll.
Um den Behälter 10'' zu formen, wird die Innenschale 12'' typischerweise unter Verwendung eines Druckluft- bzw. Blasformgebungsprozesses geformt. Der Vorsprung 18'' und der blinde Vorsprung 34 werden in einer Matrize (nicht gezeigt) angeordnet und die Matrize wird geschlossen. Der Vorsprung 18'' und der blinde Vorsprung 34 können vor dem Anordnen in der Matrize erhitzt werden, um eine Anhaftung an der Innenschale 12'' zu erleichtern, wenn diese geformt wird. Geschmolzene Kunststoffpellets oder -flocken werden dann in der Matrize in die Form eines Vorformlings (nicht gezeigt) extrudiert. Da der Vorformling kontinuierlich in die Matrize extrudiert wird, ist der Vorformling hohl. Anschließend wird ein Fluid (nicht gezeigt) durch den Vorformling in der Matrize getrieben, wodurch bewirkt wird, dass sich der Vorformling ausdehnt und mit den Wanden der Matrize in Kontakt tritt, wodurch er die Form des Matrizenhohlraumes annimmt. Die Innenschale 12'' kann gegebenenfalls durch andere herkömmliche Prozesse geformt werden, wie beispielsweise Rotationsschmelzen. Es sei zu verstehen, dass das Fluid gegebenenfalls ein beliebiges herkömmliches Fluid sein kann, wie Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff. Wenn der Vorformling durch das Fluid ausgedehnt wird, wird bewirkt, dass ein Halsabschnitt 26'' des Vorformlings mit dem Vorsprung 18'' in Kontakt tritt, an diesem anhaftet und eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit diesem bildet.
Wie in 3 gezeigt ist, wird der Halsabschnitt 26'' des den Vorformling bildenden Materials in die Innenfläche 28'' des Vorsprungs 18'' und gegen den blinden Vorsprung 34 blasgeformt 18. Gegebenenfalls kann Material in die Nut 22'' und an die Innenfläche 28'' geblasen werden und kann von dem Vorsprung 18'' abgeschnitten oder anderweitig maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet werden. Es sei angemerkt, dass die Flächen des Vorsprungs 18'', die mit dem formbaren Material während des Blasformgebungsprozesses in Kontakt stehen, vor dem Blasformgebungsprozess gegebenenfalls geätzt, mit einer Grundierung beschichtet oder mit einem Klebstoff beschichtet werden können, um eine Anhaftung des Vorsprungs 18'' an dem formbaren Material zu erleichtern. Es sei auch zu verstehen, dass der Vorsprung 18'' Nuten, Hohlräume, Kanäle oder Ausstülpungen aufweisen kann, die derart ausgebildet sind, um einen Abschnitt des Materials aufzunehmen und damit das Material mechanisch an dem Vorsprung 18'' anzubringen. Sobald das blasgeformte Material ausreichend abgekühlt ist, wird die Matrize geöffnet und die Innenschale 12'' entfernt.
Die Diffusionsschicht 14'' wird typischerweise um die Innenschale 12'' mit einem Filamentwickelprozess geformt. Die Innenschale 12'' kann über einem Dorn (nicht gezeigt) angeordnet oder in einer automatischen Filamentwickelvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet und gedreht werden, wenn die Diffusionsschicht 14'' an die Innenschale 12'' und einen Abschnitt des Vorsprungs 18'' aufgebracht wird. Eine erste Schicht der Kohlefasern oder eines anderen Materials, das dazu verwendet wird, die Diffusionsschicht 14'' zu formen, wird um die Innenschale 12'' gewickelt. Die erste Schicht der Kohlefasern wird mit einer minimalen Harzmenge beschichtet, um die Kohlefasern an der Innenschale 12'' zu fixieren. Eine andere Schicht von Kohlefasern wird typischerweise rechtwinklig über der ersten Schicht von Kohlefasern aufgebracht, um die Diffusionsschicht 14'' zu vervollständigen. Abhängig von der Diffusionsrate des druckbeaufschlagten Fluides durch die Innenschale 12'' kann die Diffusionsschicht 14'' aus zahlreichen Schichten von Kohlefasern oder nur so wenig wie einer einzelnen Schicht aus Kohlefaser bestehen. Gegebenenfalls können andere Verfahren dazu verwendet werden, die Diffusionsschicht 14'' zu bilden.
Kohlefasern, die stark mit dem Harz imprägniert wurden, werden um die Diffusionsschicht 14'' filamentgewickelt, um die Außenschale 16'' zu bilden. Die Kohlefasern der Außenschale 16'', die stark mit Harz imprägniert sind, werden aufgebracht, um eine im Wesentlichen fluiddichte Harzdichtung über der Diffusionsschicht 14'' und der Innenschale 12'' zu bilden. Um der Eindringung des Harzes von den stark imprägnierten Kohlefasern in die Diffusionsschicht 14'' entgegenzuwirken, kann eine Schutzschicht 15'' auf der Diffusionsschicht 14'' angeordnet werden. Wie gezeigt ist, ist die Schutzschicht 15'' eine Folie, wobei die Schutzschicht 15'' gegebenenfalls auch ein Kunststoff, ein Gewebe oder ein anderes Material sein kann. Es sei zu verstehen, dass die Außenschale 16'' durch einen Tauchprozess in ein geschmolzenes Polymer oder Metall, durch Sprühen einer Beschichtung oder durch Nähen eines Leder- oder Gewebematerials auf die Diffusionsschicht 14'' und die Innenschale 12'' aufgebracht werden kann. Sobald die Außenschale 16'' aufgebracht ist, kann der Behälter 10'' in einem Autoklav (nicht gezeigt) angeordnet werden, um das Harz der Außenschale 16'' zu härten. Sobald das Harz der Außenschale 16'' gehärtet ist, ist der Behälter 10'' vollständig. Aufgrund der harzdichten Abdichtung der Außenschale 16'' über der Diffusionsschicht 14'' und aufgrund des Wickelmusters der Diffusionsschicht 14'' werden Strömungspfade (nicht gezeigt) in Fluidverbindung mit der Öffnung 38a des blinden Vorsprunges 34 in der Diffusionsschicht 14'' gebildet.
Während des Gebrauchs des Behälters 10'' diffundiert in dem Behälter 10'' enthaltenes Fluid durch die Innenschale 12'' und in die Diffusionsschicht 14''. Das Fluid strömt dann durch die in der Diffusionsschicht 14'' geformten Strömungspfade zu der Öffnung 38a des Strömungspfades 38 des Vorsprungs 18'', durch den Vorsprung 18'' und hinaus in die Atmosphäre, wodurch einem Druck- und parasitären Fluidpolsteraufbau zwischen der Innenschale 12'' und der Außenschale 16'' entgegengewirkt wird und eine Nutzlebensdauer des Behälters 10'' verlängert wird.

Claims

Verfahren zum Formen eines Behälters (10'), mit den Schritten, dass: ein Vorsprung (18') mit einer Außenfläche (30') bereitgestellt wird; eine hohle Innenschale (12') aus einem formbaren Material geformt wird, wobei die Innenschale (12') in Kontakt mit dem Vorsprung (18') geformt wird; eine Diffusionsschicht (14') aus einem fluidpermeablen Material an zumindest einem Abschnitt der Innenschale (12') und einem Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt wird; und eine fluiddichte Außenschale (16') über der Diffusionsschicht (14') und der Innenschale (12') geformt wird, wobei ein Abschnitt (32') der Diffusionsschicht (14'), der an dem Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt ist, nicht von der Außenschale (16') bedeckt wird, sondern freiliegend bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass eine Schutzschicht (15') zwischen der Diffusionsschicht (14') und der Außenschale (16') vorgesehen wird, um dem Eindringen der Außenschale (16') in die Diffusionsschicht (14') entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Innenschale (12') durch einen Blasformgebungsprozess oder einen Rotationsschmelzprozess geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Diffusionsschicht (14') durch einen Filamentwickelprozess geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Außenschale (16') durch einen Filamentwickelprozess geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das formbare Material ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Diffusionsschicht (14') und die Außenschale (16') aus einer Kohlefaser, einem Kohlefaserkomposit, einer Glasfaser oder einer Faser mit einer Harzbeschichtung geformt werden.
Behälter (10'), umfassend: eine hohle Innenschale (12'), die aus einem formbaren Material geformt und derart ausgebildet ist, um ein Fluid zu speichern; einen Vorsprung (18') mit einer Außenfläche (30'), der an dem formbaren Material der Innenschale (12') angehaftet ist und eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen bildet; eine Diffusionsschicht (14') aus einem fluidpermeablen Material, die um zumindest einen Abschnitt der Innenschale (12') und einen Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt ist, wobei die Diffusionsschicht (14') die Strömung eines Fluides von der Diffusionsschicht (14') zu einem Äußeren des Behälters (10') erleichtert; und eine fluiddichte Außenschale (16'), die um die Diffusionsschicht (14') und die Innenschale (12') geformt ist, wobei ein Abschnitt (32') der Diffusionsschicht (14'), der um den Abschnitt der Außenfläche (30') des Vorsprungs (18') geformt ist, nicht von der Außenschale (16') bedeckt ist, sondern freiliegt.
Behälter (10') nach Anspruch 8, wobei die Außenschale (16') und die Diffusionsschicht (14') durch einen Filamentwickelprozess geformt sind.
Behälter (10') nach Anspruch 8, wobei die Innenschale (12') durch einen Rotationsschmelzprozess oder einen Blasformgebungsprozess geformt ist.
Behälter (10') nach Anspruch 8, wobei die Außenschale (16') aus einer Kohlefaser mit einer Harzbeschichtung geformt ist, um eine harzdichte Abdichtung um die Diffusionsschicht (14') und die Innenschale (12') zu bilden.
Behälter (10') nach Anspruch 8, wobei das formbare Material ein Polymer ist.