DE102009057170A1

DE102009057170A1 - Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102009057170A1
Application number: DE102009057170A
Authority: DE
Inventors: Oktay Alkan
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-12-05
Filing date: 2009-12-05
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (1) zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug, mit einem Grundkörper (2) zur Bildung eines Speicherraumes (3), in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei auf den Grundkörper (2) eine Wicklung (4) eines Faserwerkstoffes aufgebracht ist.
Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Grundkörper (2) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, sodass planparallel gegenüberliegende Wandabschnitte (5, 6, 7, 8) gebildet sind und

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug, mit einem Grundkörper zur Bildung eines Speicherraumes, in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei auf den Grundkörper eine Wicklung eines Faserwerkstoffes aufgebracht ist.
Derartige Druckbehälter werden auch als Composite-Druckbehälter bezeichnet und können beispielsweise als Gastank für gasbetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden. Die Grundstruktur des Druckbehälters wird durch den Grundkörper gebildet, der ein Kunststoffmaterial aufweist und mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Blasformverfahrens hergestellt sein kann. Dieser auch als Kunststoff-Liner bezeichnete Körper bildet einen Hohlraum, so dass ein Speicherraum für das fluide Medium geschaffen wird. Das fluide Medium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit betreffen, wobei vorliegend unter einem fluiden Medium auch Pulvermaterialien oder weitere, fließfähige oder schüttfähige Materialien zusammengefasst sind. Der Kunststoff-Liner kann unter Druck gesetzte Medien innerhalb des Speicherraums aus Festigkeitsgründen nicht aufnehmen. Dafür wird eine Wicklung eines Faserwerkstoffes auf die Außenseite des Grundkörpers aufgebracht, um eine entsprechend verstärkende Umwicklung zu bilden. Der auf den Kunststoff-Liner aufgewickelte Faserwerkstoff kann beispielsweise aus Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, Bor-, Al2O3-Fasern oder Gemischen (Hybridgarne) hieraus bestehen, die in einer Matrix aus Duromeren, z. B. Expoxid- oder Phenolharzen etc. oder in Thermoplasten, z. B. PA12, PA6, PP usw. eingebettet sind. Der Faserverbundwerkstoff, bestehend aus den oben genannten Fasern und Polymeren, wird sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung auf den Kunststoff-Liner aufgebracht, um einen Druckbehälter zu schaffen, der fluide Medien mit einem Druck von beispielsweise bis zu 300 bar oder mehr aufnehmen kann.
Beispielsweise ist aus der DE 197 51 411 C1 ein Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien bekannt, der einen Grundkörper zur Bildung eines Speicherraumes aufweist, in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei auf den Grundkörper eine Wicklung eines Faserwerkstoffes aufgebracht ist.
Werden derartige Composite-Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien als Gastank für Fahrzeuge verwendet, so muss der Behälter im oder am Fahrzeug angeordnet werden. Dabei ergibt sich häufig eine geringe Platzausnutzung, da der Behälter aufgrund der druckaufnehmenden Struktur einen runden Querschnitt aufweisen muss. Durch diese geometrische Vorgabe ist nachteilhafterweise eine verbesserte Platzausnutzung am Ort des Einbaus des Druckbehälters verhindert.
Zwar sind Stahlbehälter bekannt, die eine von einer Zylinder-Grundform abweichende Form aufweisen können, jedoch ergibt sich eine geringe Gewichtseffizienz, da der Druckbehälter eine große Masse bezogen auf das aufnehmbare Volumen aufweist. Daher sind derartige Druckbehälter aus einem Stahlmaterial für den Einsatz im Fahrzeug eher ungeeignet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien zu schaffen, insbesondere ein Druckbehälter, der zum Einbau in ein Fahrzeug geeignet ist, wobei der Druckbehälter eine hohe Gewichtseffizienz aufweist und eine verbesserte Raumausnutzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Druckbehälter zur Speicherung von fluiden Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Grundkörper einen rechteckigen Querschnitt aufweist, sodass planparallel gegenüberliegende Wandabschnitte gebildet sind und dass Verstärkungsmittel vorgesehen sind, die sich zwischen sich gegenüberliegenden Wandabschnitten erstrecken.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, einen Composite-Druckbehälter zu schaffen, der derart ausgeführt ist, dass die Geometrie des Druckbehälters von einer Zylinder-Grundform abweichen kann. Der rechteckige Querschnitt kann durch die Verwendung von Verstärkungsmitteln, die sich zwischen sich gegenüberliegenden Wandabschnitten erstrecken, gemäß der vorliegenden Erfindung auch für einen Composite-Druckbehälter umgesetzt werden. Die Verstärkungsmittel sind als mechanische Verstärkungsmittel zu verstehen, so dass der rechteckförmige Querschnitt, vorzugsweise ein quadratischer Querschnitt, für den Grundkörper umgesetzt und bei Druckbeaufschlagung durch das fluide Medium im Speicherraum des Grundkörpers auch aufrechterhalten bleibt.
Ein rechteckiger Querschnitt führt zu sich gegenüberliegenden Wandabschnitten, so dass sich vorzugsweise zwei Wandabschnitte in einer ersten Richtung gegenüberliegen, wobei sich zwei weitere Wandabschnitte in einer zweiten Richtung gegenüberliegen, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Erstrecken sich die mechanischen Verstärkungsmittel zwischen den gegenüberliegenden Wandabschnitten, kann die Rechteckform des Grundkörpers trotz Druckbeaufschlagung des Speicherraums durch das fluide Medium aufrecht erhalten bleiben.
Durch den Grundkörper kann sich eine Längsachse erstrecken, so dass der Grundkörper in Richtung der Längsachse eine längliche Erstreckung aufweist, wobei der rechteckige Querschnitt des Grundkörpers senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist. Mit Vorteil besitzt der Grundkörper damit ein Segment mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei der Grundkörper zusätzlich verrundete Endbereiche aufweisen kann, und das Segment mit rechteckigem Querschnitt bildet erst mit den verrundeten Endbereichen die Gesamtlänge des Druckbehälters in Richtung zur Längsachse.
Der rechteckige Querschnitt des Grundkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den mathematischen Begriff des Rechteckes beschränkt, so dass der rechteckige Querschnitt vorzugsweise eine Rechteck-Grundfläche beschreibt, die bevorzugt verrundete Eckbereiche aufweisen kann. Die sich planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitte weisen folglich eine Breite auf, die geringer ist, als die Kantenlänge der rechteckigen Grundform des Grundkörper-Querschnittes. Die Wandabschnitte sind plan ausgebildet, und die verrundeten Eckbereiche schließen sich an die planen Wandabschnitte an. Dadurch entsteht eine Grundform des Druckbehälters, die den Druckbehälter druckgerecht ausführt, und es entstehen keine Materialabschnitte mit erhöhten Belastungsbereichen. Insbesondere weist der Druckbehälter keine Ecken auf, da durch die verrundeten Eckbereiche ebenso wie durch verrundete Endbereiche in Richtung der Längsachse des Grundkörpers jeder Übergang mit hinreichend großen Radien ausgestaltet werden kann.
Das oder die Verstärkungsmittel sind erfindungsgemäß so angeordnet, dass sich diese durch den Speicherraum hindurch erstrecken. Mit Vorteil können die Verstärkungsmittel aus geraden Elementen bestehen, die sich mit einem senkrechten Verlauf zwischen planparallel gegenüberliegend angeordneten Wandabschnitten des Grundkörpers erstrecken. Mit Vorteil bilden die Verstärkungsmittel damit wenigstens eine mechanische Zugverbindung zwischen zwei sich gegenüberliegenden Wandabschnitten. Bei einem Rechteck liegen sich 2-fach paarweise die Wandabschnitte gegenüber, so dass gerade ausgeführte Verstärkungsmittel den Speicherraum kreuzweise durchziehen. Insbesondere können in Richtung zur Längsachse mehrere Verstärkungsmittel, vorzugsweise in diskreten Ebenen, angeordnet sein.
Mit besonderem Vorteil können in den Wandabschnitten formsteife Wandelemente eingebracht sein. Insbesondere können die formsteifen Wandelemente einen metallischen Werkstoff oder einen sonstigen Werkstoff mit hoher Steifigkeit aufweisen, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn das oder die Verstärkungsmittel ebenfalls einen metallischen Werkstoff aufweisen. Sind die formsteifen Wandelemente beispielsweise aus einem Stahlmaterial oder aus einem Aluminiummaterial ausgeführt, findet trotz Druckbeaufschlagung des Speicherraums durch das fluide Medium keine Deformation der Wandabschnitte statt, so dass diese auch unter Druckbeaufschlagung des Speicherraums ihre flächige Erstreckung behalten. Durch die formsteifen Wandelemente werden die sich planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitte somit entsprechend ausgesteift.
Mit besonderem Vorteil erstrecken sich die Verstärkungsmittel zwischen sich planparallel gegenüberliegenden formsteifen Wandelementen und weisen eine mechanische Verbindung mit diesen auf, die vorzugsweise als Schweißverbindung, als Lötverbindung, als Klebeverbindung und/oder durch ein Verpressen ausgeführt ist. Insgesamt können vier formsteife Wandelemente vorgesehen sein, zwischen denen sich die Verstärkungsmittel erstrecken. Damit wird eine Grundstruktur des Grundkörpers geschaffen, wobei diese Grundstruktur mit besonderem Vorteil als Schweißkonstruktion ausgeführt sein kann. Nach einer weiteren Möglichkeit können die Verstärkungsmittel in den formsteifen Wandelementen verschraubt werden, wobei bei einem Verpressen der Verstärkungsmittel mit den Wandelementen ebenfalls ein Formschluss gebildet werden kann. Die Verbindungsweise zwischen dem Verstärkungsmittel und den formsteifen Wandelementen hängt von der geometrischen Ausgestaltung der Verstärkungsmittel ab, wobei vorteilhafte Ausführungen der Verstärkungsmittel im Folgenden beschrieben sind.
Die Verstärkungsmittel können beispielsweise als stangenartige oder bandartige Zuganker ausgeführt sein, die sich kreuzartig zwischen sich paarweise gegenüberliegenden Wandabschnitten erstrecken und entlang der Längsachse vorzugsweise ein- oder mehrfach vorhanden sind. Vorzugsweise beschreibt die Verbindung zwischen den Verstärkungsmitteln und den Wandabschnitten eine mechanische Verbindung zwischen den Verstärkungsmitteln und den formsteifen Wandelementen in den Wandabschnitten. Sind die Verstärkungsmittel als bandartige Zuganker ausgeführt, so weisen die Verstärkungsmittel einen flachen, jedoch im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Sind die Verstärkungsmittel stangenartig ausgeführt, so können diese mit Vorteil einen runden, Querschnitt besitzen.
Die kreuzartige Anordnung ergibt sich durch die paarweise gegenüberliegenden Wandabschnitte, so dass die stangenartigen oder bandartigen Zuganker in Längsrichtung des Druckbehälters wechselweise und senkrecht zueinander durch den Speicherraum hindurch verlaufen. Dabei sind die Zuganker vorzugsweise über dem Segment des Grundkörpers angeordnet, der den rechteckigen Querschnitt aufweist. Abhängig vom zulässigen Druck des Druckbehälters und den sonstigen Festigkeitseigenschaften sowohl des Kunststoff-Liners als auch der Wicklung aus dem Faserwerkstoff können die Zuganker einfach vorgesehen sein, z. B. mittig des Segmentes mit rechteckförmigem Querschnitt, oder die Zuganker sind über der gesamten Länge des Segmentes mit rechteckförmigem Querschnitt mehrfach angeordnet, so dass sich eine Vielzahl von einzelnen Zugankern ergibt.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Verstärkungsmittel kann flächenförmige Elemente umfassen, beispielsweise ein flächenförmiges Gitterelement, eine Fasermatte und/oder beispielsweise ein Gewebeelement. Die flächenförmigen Elemente erstrecken sich dabei senkrecht zur Längsachse und liegen folglich in der rechteckförmigen Querschnittsebene des Druckbehälters. Die Gitterelemente, Fasermatten oder Gewebeelemente weisen mit Vorteil eine mechanische Verbindung mit den Wandabschnitten und vorzugsweise mit den formsteifen Wandelementen auf, und können in Richtung zur Längsachse einfach oder mehrfach angeordnet sein. Die mechanische Verbindung kann sowohl zwischen den Wandabschnitten als auch in den verrundeten Eckbereichen ausgebildet sein, so dass sich ein flächenförmiges Element ergibt, dass in allen Richtungen auf Zugbelastungen aufnehmen kann. Ist eine Fasermatte oder ein Gewebeelement vorgesehen, so sind die Haupt-Faserachsen so auszurichten, dass sich diese senkrecht zwischen den formsteifen Wandelementen hinweg erstrecken. Mit besonderem Vorteil können die flächenförmigen Elemente gleich-beabstandet zueinander im Speicherraum mehrfach vorhanden sein, und die Anordnung der flächenförmigen Elemente ist parallel zueinander ausgerichtet und auf der Länge des Segmentes des Grundkörpers mit rechteckförmigem Querschnitt gleich verteilt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Verstärkungsmittel als Flächenelemente ausgeführt, die kreuzartig zwischen den sich paarweise gegenüberliegenden Wandabschnitten angeordnet sind und sich entlang der Längsachse vorzugsweise über der gesamten Länge des Segmentes des Grundkörpers mit rechteckförmigem Querschnitt erstrecken. Gemäß dieser Ausführungsform verlaufen die Flächenelemente parallel zur Längsachse, und durchkreuzen den Speicherraum, wobei die durch die Anordnung der Flächenelemente gebildeten Kammern des Speicherraums fluidisch miteinander verbunden sein können. Die Verbindung zwischen den Flächenelementen und den Wandelementen ist als Linien-Verbindung ausgeführt, so dass die Linien-Verbindung über der gesamten Länge des Segmentes des Grundkörpers mit rechteckförmigem Querschnitt stattfinden kann. Da sich die Flächenelemente in der vorzugsweise zentrisch angeordneten Längsachse des Druckbehälters kreuzen, können diese mehrteilig sein, und die einzelnen Teile der Flächenelemente können in der Längsachse miteinander verschweißt sein. Insbesondere können die Flächenelemente als Stahlbleche ausgeführt sein, wobei die formsteifen Wandelemente ebenfalls als Stahlbleche ausgeführt sein können, und die Flächenelemente werden mit den Wandelementen verschweißt.
Es ist von besonderem Vorteil, dass der Grundkörper wenigstens teilweise mittels eines Kunststoff-Spritzgussverfahrens und/oder mittels eines Kunststoff-Blasformverfahrens hergestellt ist, wobei vorzugsweise mindestens die formsteifen Wandelemente mittels des Kunststoff-Spritzgussverfahrens bzw. des Kunststoff-Blasformverfahrens umspritzt bzw. umschlossen sind. Die formsteifen Wandelemente können sowohl außenseitig als auch innenseitig, in Richtung zum Speicherraum, mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers umspritzt sein. Mit Vorteil können die formsteifen Wandelemente doppelwandig ausgeführt sein, so dass zwischen den Wandteilen der formsteifen Wandelemente der Kunststoff im Spritzguss hineingelangen kann, um ebenfalls eine belastbare, ausgesteifte Verbindung zwischen den Wandelementen und dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers, der insbesondere in die verrundeten Eckbereiche übergeht, zu schaffen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters können Endkappen vorgesehen sein, die den Grundkörper endseitig in seiner Erstreckung der Längsachse abschließen. Die Endkappen können ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff aufgebaut sein oder im Spritzguss hergestellt werden. Insbesondere können die Endkappen im gleichen Schritt mit der Herstellung des Grundkörpers hergestellt sein, der das Segment des Grundkörpers mit dem rechteckförmigen Querschnitt bildet. Sind die Endkappen aus einem Kunststoffmaterial gebildet, können diese mittels Reibschweißen, mittels Ultraschallschweißen und/oder mittels Laserstrahlschweißen an die offenen Stirnseiten des Segmentes des Grundkörpers mit rechteckförmigem Querschnitt angeschweißt werden. Eine erste Endkappe kann dabei eine Ventilanordnung aufweisen, wobei vorzugsweise eine zweite Endkappe ein Aufnahmeelement aufweist. Das Aufnahmeelement kann für den späteren Wickelvorgang zur Aufbringung des Faserwerkstoffes auf die Außenseite des Grundkörpers ausgebildet sein, wobei das Aufnahmeelement auch zur späteren Befestigung des Druckbehälters, beispielsweise im oder am Fahrzeug, dienen kann. Die Ventilanordnung dient zum Befüllen und zum kontrollierten Entleeren des Speicherraums mit dem fluiden Medium.
Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform können die Verstärkungsmittel als Flächenelemente ausgeführt sein, die einen Faserwerkstoff bilden, der einteilig mit dem Faserwerkstoff ausgebildet ist, der die Wicklung bildet. Folglich kann das als Flächenelement ausgeführte Verstärkungsmittel einteilig in die Wicklung übergehen, die außenseitig auf den Grundkörper aufgebracht wird. Mit besonderem Vorteil können ein oder mehrere Flächenelemente insbesondere kreuzweise aus Faserwerkstoff gebildet sein, und anschließend in eine Spritzgussform eingelegt werden. Durch einen Spritzgussschritt werden die Faserwerkstoff-Flächenelemente derart umspritzt, dass der Grundkörper aus zwei Kunststoffhalbschalen beidseitig an Faserwerkstoff angeordnet, gebildet wird. Die Flächenelemente durchstoßen den Grundkörper in zwei planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitten, und die Länge des Faserwerkstoffes ist derart bemessen, dass eine anschließende Wicklung des Faserwerkstoffes auf dem Außenumfang des Grundkörpers erfolgt. Damit ergibt sich eine besonders einfache Herstellung eines Druckbehälters mit einer außenseitigen Wicklung durch einen Faserwerkstoff, der sich einteilig in den Speicherraum erstreckt, um Verstärkungsmittel zwischen sich gegenüberliegenden, planparallelen Wandabschnitten zu bilden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug, mit einem Grundkörper zur Bildung eines Speicherraumes, in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei das Verfahren die Schritte des Einlegens wenigstens eines Verstärkungsmittels in ein Spritzgusswerkzeug oder in ein Blasformwerkzeug, das Spritzgießen bzw. Blasformen des Grundkörpers mit einem rechteckigen Querschnitt umfasst, derart, dass sich das Verstärkungsmittel zwischen sich gegenüberstehenden Wandabschnitten des Grundkörpers erstreckt, wobei wenigstens eine Wicklung aus einem Faserwerkstoff außenseitig auf den Grundkörper aufgebracht wird. Dabei kann der Grundkörper ein Segment mit einem rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei in Längsrichtung endseitig an das Segment des Grundkörpers mit rechteckförmigen Querschnitt Endkappen angeordnet werden. Die Anordnung der Endkappen kann nach dem Spritzgießen bzw. Blasformen des Grundkörpers erfolgen, so dass das Aufbringen der Wicklung aus einem Faserwerkstoff sowohl auf das Segment des Grundkörpers mit rechteckförmigem Querschnitt als auch auf die Endkappen erfolgt.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Druckbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt,
2 eine vollständige perspektivische Ansicht des Druckbehälters gemäß 1,
3 eine Querschnittsansicht eines Druckbehälters mit Verstärkungsmitteln nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 eine Querschnittsansicht eines Druckbehälters mit Verstärkungsmitteln nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 eine detaillierte Ansicht des Verstärkungsmittels gemäß 4,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters mit einem Verstärkungsmittel, das einteilig mit einer außenseitigen Wicklung ausgebildet ist.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters 1 zur Speicherung von fluiden Medien gemäß der vorliegenden Erfindung. Derartige Druckbehälter 1 können zum Einbau in ein Fahrzeug vorgesehen sein, beispielsweise als Gasspeicher, um das Fahrzeug mit einer Gasanlage auszustatten. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist ein Grundkörper 2 mit einem rechteckigen Querschnitt, der die Grundstruktur des Druckbehälters 1 bildet und sich entlang der Längsachse 10 erstreckt, zu der der rechteckförmige Querschnitt senkrecht verläuft. Durch die Rechteckform des Grundkörpers 2 weist dieser planparallel gegenüberliegende Wandabschnitte 5, 6, 7 und 8 auf, sodass sich die Wandabschnitte 5 und 7 sowie die Wandabschnitte 6 und 8 jeweils gegenüberliegen. Aufgrund der Druckbeaufschlagung des durch den Grundkörper 2 gebildeten Speicherraums 3, mit dem fluiden Medium werden die planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitte 5, 6, 7 und 8 derart mit Druck beaufschlagt, dass erfindungsgemäß Verstärkungsmittel 9 vorgesehen sind, die sich zwischen den gegenüberliegenden Wandabschnitten 5 und 7 sowie 6 und 8 erstrecken, und auf Zug belastet sind. Damit bilden die Verstärkungsmittel 9 eine Aussteifung, so dass der Grundkörper 2 trotz Druckbeaufschlagung durch das fluide Medium den rechteckförmigen Querschnitt beibehält. Durch die Rechteckform kann der Druckbehälter 1 beispielsweise in den Kofferraum eines Fahrzeugs integriert werden, so dass erfindungsgemäß eine gute Raumausnutzung ermöglicht ist. Durch die Composite-Bauweise des Druckbehälters 1, nämlich durch die Bildung eines Kunststoff-Grundkörpers 2 mit einer Wicklung 4 aus einem Faserwerkstoff, die außenseitig auf den Grundkörper 2 aufgebracht wird, entsteht eine sehr gute Gewichtseffizienz, beispielsweise ca. 0,36 kg pro Liter Speicherraum 3. Die Ansicht zeigt einen Querschnitt durch den rechteckförmigen Grundkörper 2, so dass die erfindungsgemäße Anordnung der Verstärkungsmittel 9 gezeigt ist, wie folgend beschrieben.
Durch den Speicherraum 3 des Grundkörpers 2 erstrecken sich kreuzartig angeordnete Verstärkungsmittel 9, die gemäß dem Ausführungsbeispiel als stangenartige Zuganker 9' ausgeführt sind. Diese erstrecken sich zwischen den planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitten 5 und 7 sowie 6 und 8. Da der Grundkörper 2, gezeigt in einem Bildausschnitt mit vergrößerter Wandansicht, als wesentlichen Bestandteil ein Kunststoffmaterial aufweist, der im Spritzguss in Form gebracht ist, sind formsteife Wandelemente 11 vorgesehen, die sich wenigstens über den planparallel ausgebildeten Wandabschnitten 5, 6, 7 und 8 erstrecken. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die formsteifen Wandelemente 11 sowohl innenseitig als auch außenseitig mit dem Kunststoffmaterial des Grundkörpers 2 umgossen, so dass außenseitig die Wicklung 4 des Faserwerkstoffes aufgebracht ist, siehe Detailbild. Das Verstärkungsmittel 9 in Gestalt der Zuganker 9' ist mit den formsteifen Wandelementen 11 verschweißt, siehe Detailbild. Die Zuganker 9' sind auf Zug beansprucht, und bei Druckbeaufschlagung des Speicherraums 3 wird kein Ausbeulen der Wandabschnitte 5, 6, 7 und 8 erzeugt, und der Grundkörper 2 behält seine Grundstruktur auch bei starker Druckbeaufschlagung durch ein fluides Medium bei.
Zwischen den Wandabschnitten 5, 6, 7 und 8 sind verrundete Eckbereiche 16 angeordnet, die vorzugsweise durch den Kunststoff-Spritzgussschritt bzw. den Kunststoff-Blasformschritt zur Bildung des Grundkörpers 2 gebildet werden oder die als vorgefertigte Formelemente ausgebildet sind, die ebenso wie die Wandelemente 11 in die Spritzgussform eingelegt und umspritzt werden können. Ist der Grundkörper 2, der auch als Kunststoff-Liner bezeichnet werden kann, durch ein Kunststoff-Formgebungsverfahren gebildet, wird auf diesen Liner die Wicklung 4 aus einem Faserwerkstoff aufgebracht.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Druckbehälter 1 in einer Gesamtansicht, wobei die Wandabschnitte 5 und 8 sichtbar sind, und wobei sich zwischen den Wandabschnitten 5 und 8 sowie den verdeckten Wandabschnitten die Eckbereiche 16 erstrecken. Endseitig in Richtung zur Längsachse 10 schließen Endkappen 12 und 13 den Druckbehälter 1 ab, die aus Kunststoff hergestellt sind und mit dem Kunststoff-Grundkörper 2, vorliegend gebildet durch das Segment des Grundkörpers 2 mit rechteckförmigem Querschnitt, verschweißt werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckbehälters 1 mit einem Verstärkungsmittel 9, das als flächenförmiges Gitterelement 9'' im Speicherraum 3 des Grundkörpers 2 eingebracht ist. Das flächenförmige Gitterelement 9'' kann ein Metallgitter sein, wobei auch eine Fasermatte oder ein Gewebeelement auf gleiche Weise ein flächenförmiges Element darstellen kann. Das flächenförmige Gitterelement 9'' ist über den gesamten Umfang des rechteckförmigen Querschnittes des Grundkörpers 2 innenseitig mit diesem zugkraftaufnehmend verbunden. Insbesondere weist das flächenförmige Gitterelement 9'' eine zugbelastbare Verbindung mit den formsteifen Wandelementen 11 auf. Folglich sind die Wandabschnitte 5 und 7 sowie 6 und 8 mechanisch belastbar miteinander verbunden. In Richtung zur Längsachse 10 können ein oder mehrere flächenförmige Gitterelemente 9'' im Speicherraum 3 des Druckbehälters 1 angeordnet werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters 1 mit Verstärkungsmitteln 9, die als Flächenelemente 9''' ausgeführt sind, und die kreuzartig zwischen sich parallel gegenüberliegenden Wandabschnitten 5 und 7 sowie 6 und 8 verlaufen. Die Flächenelemente 9''' erstrecken sich dabei entlang der Längsachse 10 vorzugsweise über der gesamten Länge des Segmentes des Grundkörpers 2 mit rechteckförmigem Querschnitt, wie im Querschnitt hälftig erkennbar.
Rückseitig abschließend ist eine Endkappe 12 gezeigt, die den hinteren Abschlussbereich des Druckbehälters 1 darstellt. Die Verbindung zwischen den Flächenelementen 9''' und den formsteifen Wandelementen 11 sowie die detaillierte geometrische Ausgestaltung der Wandelemente 11 ist in 5 näher dargestellt.
5 zeigt eine Detailansicht der Verbindung zwischen einem Flächenelement 9''' und einem formsteifen Wandelement 11. Die Verbindung ist als Schweißverbindung ausgeführt, so dass eine T-förmige Anordnung zwischen dem Flächenelement 9''' und dem Wandelement 11 entsteht. Das Wandelement 11 besitzt eine Innenwand 11a und eine Außenwand 11b, so dass zwischen den Wänden 11a und 11b ein flächiger Hohlraum entsteht. Durch Spritzguss des Grundkörpers 2 gelangt der Kunststoff zwischen die Innenwand 11a und die Außenwand 11b, so dass sich der Grundkörper 2 zwischen den Wänden 11a und 11b erstreckt und einteilig in die Eckbereiche 16 übergehen kann. Das Flächenelement 9''' kann dabei sowohl mit der Innenwand 11a als auch mit der Außenwand 11b verbunden sein.
6 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Druckbehälters 1, wobei ein Verstärkungsmittel 9 in Form eines Flächenelementes 9''' vorgesehen ist, das einteilig in die Wicklung 4 übergeht, die aus dem gleichen Faserwerkstoff ausgebildet ist wie das Flächenelement 9''' Der Grundkörper 2, gezeigt durch zwei aufeinander zugerichtete U-förmige Abschnitte, wird im Kunststoff-Spritzguss hergestellt, so dass die Wicklung 4 und der Abschnitt innerhalb des Speicherraums 3 zur Bildung des Verstärkungsmittels 9 umspritzt wird. Dafür kann die Wicklung aus Faserwerkstoff 4 als durchlaufende Bahn im Spritzgusswerkzeug eingesetzt werden, so dass der Spritzguss erst anschließend erfolgt.
Mit besonderem Vorteil wird damit die Wicklung 4 mit dem Flächenelement 9''' einteilig ausgebildet, das auf Zug belastet ist. Durch kreuzweises Anordnen der Wicklung 4 entlang der Längsachse 10 des Druckbehälters 1 entsteht eine ausgesteifte Anordnung sich planparallel gegenüberliegenden Wandabschnitten eines Grundkörpers 2 mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei sowohl das Verstärkungsmittel 9 innerhalb des Speicherraums 3 als auch die Wicklung aus Faserwerkstoff 4 einteilig und materialeinheitlich sind. Der Faserwerkstoff 4 kann mit einem Harz oder einem Phenol getränkt sein, so dass durch anschließende Temperierung eine Matrix gebildet wird, die die Wicklung 4 entsprechend aussteift. Abschließend können die Endkappen, hier dargestellt ist die Endkappe 12, auf das Segment des Grundkörpers 2 aufgesetzt werden. Die Wicklung des Faserwerkstoffes 4 kann weiterführend so ausgestaltet sein, dass nicht nur das Segment des Grundkörpers 2 mit rechteckförmigem Querschnitt umwickelt wird, sondern gleichzeitig auch die Endkappen 12 und 13 in einem Wickelvorgang mit umwickelt werden. Insbesondere kann ein Ende der Wicklung 4, die sich gemäß der Darstellung aus dem Grundkörper 2 oben und unten heraus erstreckt, als kurzes Ende ausgeführt werden, das lediglich mit einer Teilwicklung oder mit wenigen Wicklungen um den Grundkörper 2 gewickelt wird. Das gegenüberliegende, andere Ende der Wicklung 4 kann als Endlos-Ende ausgeführt sein, dass beispielsweise auf einer Spule (Coil) aufgewickelt ist, und der entscheidende Anteil der Wicklung aus dem Faserwerkstoff 4 über das Endlos-Ende erfolgt und auch die Endkappen 12 und 13 mit umwickelt werden können.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere können verschiedene Ausführungsformen des Verstärkungsmittels 9 in einem Druckkörper 1 kombiniert Anwendung finden. Weiterführend können sich Verstärkungsmittel 9 auch zwischen den Eckbereichen 16 des Grundkörpers 2 erstrecken, so dass diese diagonal verlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Druckbehälter
2: Grundkörper
3: Speicherraum
4: Wicklung aus Faserwerkstoff
5: Wandabschnitt
6: Wandabschnitt
7: Wandabschnitt
8: Wandabschnitt
9: Verstärkungsmittel
9': stangenartiger Zuganker
9'': flächenförmiges Gitterelement
9''': Flächenelement
10: Längsachse
11: formsteifes Wandelement
11a: Innenwand
11b: Außenwand
12: Endkappe
13: Endkappe
14: Ventilanordnung
15: Aufnahmeelement
16: Eckbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19751411 C1 [0003]

Claims

Druckbehälter (1) zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug, mit einem Grundkörper (2) zur Bildung eines Speicherraumes (3), in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei auf den Grundkörper (2) eine Wicklung (4) eines Faserwerkstoffes aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, sodass planparallel gegenüberliegende Wandabschnitte (5, 6, 7, 8) gebildet sind und dass Verstärkungsmittel (9) vorgesehen sind, die sich zwischen sich gegenüberliegenden Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) erstrecken.
Druckbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch den Grundkörper (2) eine Längsachse (10) erstreckt, sodass der Grundkörper (2) in Richtung der Längsachse (10) eine längliche Erstreckung aufweist, wobei der rechteckförmige Querschnitt des Grundkörpers (2) senkrecht zur Längsachse (10) ausgerichtet ist.
Druckbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungsmittel (9) durch den Speicherraum (3) erstrecken und wobei die Verstärkungsmittel (9) vorzugsweise wenigstens eine mechanische Zugverbindung zwischen zwei sich gegenüberliegenden Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) bilden.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) formsteife Wandelemente (11) eingebracht sind.
Druckbehälter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (9) mit den formsteifen Wandelementen (11) eine mechanische Verbindung aufweisen, die vorzugsweise als Schweißverbindung, als Lötverbindung, als Klebeverbindung und/oder durch ein Verpressen ausgeführt ist.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (9) als stangenartige oder bandartige Zuganker (9') ausgeführt sind, die sich kreuzartig zwischen sich paarweise gegenüberliegenden Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) erstrecken und entlang der Längsachse (10) vorzugsweise ein- oder mehrfach vorhanden sind.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (9) als wenigstens ein flächenförmiges Gitterelement (9''), als wenigstens eine Fasermatte und/oder als wenigstens ein Gewebeelement ausgeführt sind, das bzw. die sich in der Ebene senkrecht zur Längsachse (10) erstrecken und eine mechanische Verbindung mit den Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) aufweisen.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel (9) als Flächenelemente (9''') ausgeführt sind, die sich kreuzartig zwischen sich paarweise gegenüberliegenden Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) erstrecken und sich entlang der Längsachse (10) vorzugsweise über der gesamten Länge des Segmentes des Grundkörpers (2) mit rechteckförmigem Querschnitt erstrecken.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) wenigstens teilweise mittels eines Kunststoff-Spritzgussverfahrens und/oder eines Kunststoff-Blasformverfahrens hergestellt ist, wobei vorzugsweise zumindest die formsteifen Wandelemente (11) mittels des Kunststoff-Spritzgussverfahrens bzw. des Kunststoff-Blasformverfahrens mit Kunststoffmaterial umspritzt bzw. umschlossen sind.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Endkappen (12, 13) vorgesehen sind, die den Grundkörper (2) endseitig seiner Erstreckung der Längsachse (10) abschließen.
Druckbehälter (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endkappe (12) eine Ventilanordnung (14) aufweist und vorzugsweise eine Endkappe (13) ein Aufnahmeelement (15) aufweist.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmittel (9) und/oder die formsteifen Wandelemente (11) einen metallischen Werkstoff aufweisen.
Druckbehälter (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächenelemente (9'') ausgeführte Verstärkungsmittel (9) einen Faserwerkstoff bilden, der einteilig mit dem Faserwerkstoff ausgebildet ist, der die Wicklung (4) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (1) zur Speicherung von fluiden Medien, insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug, mit einem Grundkörper (2) zur Bildung eines Speicherraumes (3), in welchem das fluide Medium aufnehmbar ist, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte in der genannten oder einer anderen Reihenfolge aufweist: – Einlegen wenigstens eines Verstärkungsmittels (9) in ein Spritzgusswerkzeug oder in ein Blasformwerkzeug, – Spritzgießen bzw. Blasformen des Grundkörpers (2) mit einem rechteckförmigen Querschnitt, derart, dass sich das Verstärkungsmittel (9) zwischen sich gegenüberstehenden Wandabschnitten (5, 6, 7, 8) des Grundkörpers (2) erstreckt und – Aufbringen einer Wicklung (4) aus einem Faserwerkstoff auf den Grundkörper (2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) ein Segment mit einem rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wobei in Längsrichtung (10) endseitig an das Segment des Grundkörpers (2) mit rechteckförmigem Querschnitt Endkappen (12, 13) angeordnet werden.