DE102010020944A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters und Gasdruckbehälter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters und Gasdruckbehälter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters sowie einen Gasdruckbehälter, welcher einen mit Fasern (8) umwickelten zylindrischen Liner (5) umfasst, dessen Domabschnitte (4) eine größere Wanddicke aufweisen als ein mittlerer Abschnitt (3) zwischen den Domabschnitten (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters sowie einen Gasdruckbehälter mit den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 6.
  • Gasdruckbehälter in Form von Gasflaschen sind in vielen verschiedenen Ausführungen bekannt. Ebenso gibt es gegenwärtig viele verschiedene Lösungen zur Herstellung von Gasflaschen. In einer Ausführungsform werden beispielsweise Bleche mit minimalen Wanddicken von 1 mm zusammengeschweißt. Dabei bildet allerdings die Schweißnaht in einem solchen Gasbehälter stets eine Schwachstelle, da ihr Versagen schwer vorherzuberechnen ist. Aus diesem Grund werden derartige Gasdruckbehälter bei der Auslegung überdimensioniert, was sich nachteilig auf das Gewicht auswirkt.
  • Eine weitere Ausführungsform eines Gasdruckbehälters, bekannt als Typ 3, besitzt einen metallischen Innenkern, auch Liner genannt, welcher von Fasern vollständig umwickelt ist. Dabei kann die Herstellung des Liners zum einen nahtlos bei minimal realisierbaren Wanddicken von 3 mm erfolgen.
  • Die Umwicklung des Liners mit Fasern bzw. Bändern aus Fasern erfolgt durch Umfangswickeln und Längswickeln. Ein gewichtsoptimiertes Verhältnis zwischen Umfangswicklung zu Längswicklung würde für einen zylindrischen Bereich eines Gasdruckbehälters wegen der Kesselformel bei 2:1 liegen. Da der Dombereich des Liners die gleiche Wandstärke wie der Innenkern aufweist und nur von den Längswicklungen umwickelt wird, stellt dieser einen potentiellen Schwachpunkt dar. Zum Ausgleich werden die Längswicklungen überdimensioniert, was jedoch im zylindrischen Bereich zu zusätzlichem Gewicht führt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gasdruckbehälter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters aufzuzeigen, bei welchem bekannte Schwachstellen minimiert und gleichzeitig das Gewicht optimiert werden kann.
  • Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe wird in einem Verfahren mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gesehen.
  • Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gasdruckbehälters wird ein nahtloses Rohr zur Erzeugung eines metallischen Innenkerns eines Gasdruckbehälters, dem so genannten Liner, bereitgestellt. Anschließend erfolgt eine Vergrößerung der Wanddicke in Endabschnitten des Rohres relativ zu einer Wanddicke eines zwischen den Endabschnitten angeordneten mittleren Abschnitts. Im nächsten Schritt werden die Endabschnitte durch so genanntes Drückwalzen verschlossen und ein Stutzen in wenigstens einem Endabschnitt erzeugt. Abschließend wird ein Gewinde in den Stutzen eingebracht. Der so hergestellte Liner ist als Gastank insbesondere zur Speicherung von Flüssigas (LPG) geeignet, da in LPG-Tanks niedrigere Drücke herrschen als bei CNG-Tanks (10 bar gegenüber 200 bar).
  • Um den Liner zur Aufbewahrung von komprimiertem Erdgas (CNG) nutzen zu können, wird dieser zusätzlich noch mit Fasern bzw. Faserbändern umwickelt, da die im CNG-Tank herrschenden Drücke die im LPG-Tank herrschenden Drücke um ein Vielfaches übersteigen. Natürlich ist es auch möglich, einen LPG-Tank mit Fasern bzw. Faserbändern zu umwickeln.
  • Das eingesetzte nahtlose Rohr besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl.
  • Die Wanddickenunterschiede zwischen den Endabschnitten und dem mittleren Abschnitt können durch Abstrecken des Rohres und/oder durch Stauchen der Endabschnitte hergestellt werden. Beim Abstrecken wird gleichzeitig mit der Vergrößerung der Wanddicke der Endabschnitte der mittlere Abschnitt in seiner Wanddicke verringert, während beim reinen Stauchen der Endabschnitte diese in ihrer Wanddicke vergrößert werden und die Wanddicke des mittleren Abschnitts gleich bleibt. Das Abstrecken kann mit dem Stauchen der Endabschnitte des Rohres kombiniert werden.
  • Das Verfahren des Abstreckens ermöglicht eine genaue Einstellung der Wanddicken der Endabschnitte und des mittleren Abschnitts. So können im mittleren Abschnitt während des Abstreckens Wanddicken von 1 mm oder weniger erzeugt werden. Dabei werden die Wanddicken in den Endbereichen des Rohres durch den gesteuerten Abstreckvorgang und/oder Stauchvorgang sowie das sich anschließende Drückwalzen eingestellt.
  • Verfahrenstechnisch ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stutzen in einem Verfahrensschritt mit dem Verschließen der Endabschnitte durch Drückwalzen erzeugt wird.
  • Aufgrund der aus den so verdickten Endabschnitten hergestellten Dombereiche kann der Liner gleichmäßig umwickelt werden, das bedeutet, dass ein zusätzliches Längswickeln über das für den mittleren Abschnitt zur Festigkeit notwendige Maß hinaus nicht mehr erforderlich ist.
  • Da es mit numerischen Verfahren möglich ist, den Wanddickenverlauf, welcher für das optimale Wickelverhältnis von Längswicklung und Umfangswicklung nötig ist, exakt zu kalkulieren, ist nicht nur der Liner gewichtsoptimiert ausgeführt, sondern auch die Umwicklung des Liners und damit der Gasdruckbehälter insgesamt. Je nach Bedarf kann so ein Gastank ohne zusätzliche Umwicklung für die Speicherung und den Transport von LPG oder zum Einsatz als Liner für CNG optimiert werden.
  • Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch einen Gasdruckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Gasdruckbehälter umfasst einen mit einer Umwicklung aus Fasern versehenen zylindrischen Liner, bei welchem endseitige Domabschnitte eine größere Wanddicke aufweisen als ein mittlerer zylindrischer Abschnitt zwischen den Domabschnitten. Der Gasdruckbehälter wird mittels des voranstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt. Mit Domabschnitten sind die im Verfahren beschriebenen, durch Abstrecken und Drückwalzen umgeformten Endabschnitte eines nahtlosen metallischen Rohres bezeichnet.
  • Durch die größere Wanddicke der Domabschnitte wird die Längsumwicklung, welche bei optimaler Umwicklung des mittleren Abschnitts in den Domabschnitten zu gering ausfallen würde, ausgeglichen. Dadurch wird eine gewichtsoptimierte, gleichmäßige Verstärkung des Gasdruckbehälters erzielt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1a bis 1d ein Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters Zur Herstellung eines Liners eines Gasdruckbehälters wird zu Beginn des Verfahrens ein nahtloses metallisches Rohr 1 bereitgestellt (1a). In diesem Verfahrensbeispiel wird die Wanddicke D2 von Endabschnitten 2 des Rohres 1 durch Abstrecken des Rohres 1 vergrößert, wobei die Wanddicke D1 in einem mittleren Bereich 3 zwischen den Endabschnitten 2 verringert wird (1b) (D1 < 1 mm, D2 > 1 mm).
  • Nach Erreichen der erforderlichen Wanddicken im mittleren Bereich 3 und in den Endbereichen 2 erfolgt durch Drückwalzen das Verschließen der Endbereiche 2 und somit das Formen der so genannten Dombereiche 4 des hergestellten Liners 5. An einem Ende wird gleichzeitig mit dem Herstellen der Dombereiche 4 durch Drückwalzen auch ein Stutzen angeformt (1c).
  • In einem letzten Schritt erfolgt das Einbringen eines Gewindes 7 in den Stutzen 6 sowie das Umwickeln des so fertig gestellten Liners 5 mit Fasern 8, welche hier längsgewickelt als auch umfangsgewickelt werden. Dabei ist aufgrund der optimierten Wanddicken D1, D2 in den verschiedenen Bereichen des Liners 5 auch die Umwicklung gewichtsoptimiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohr
    2
    Endabschnitt
    3
    mittlerer Bereich
    4
    Dombereich
    5
    Liner
    6
    Stutzen
    7
    Gewinde
    8
    Fasern
    D1
    Wanddicke von 3
    D2
    Wanddicke von 2

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gasdruckbehälters umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines nahtlosen Rohres (1) zur Erzeugung eines Liners (5), b) Vergrößern einer Wanddicke (D2) in Endabschnitten (2) des Rohres (1) relativ zu einer Wanddicke (D1) eines zwischen den Endabschnitten (2) angeordneten mittleren Abschnitts (3), c) Verschließen der Endabschnitte (2) durch Drückwalzen, d) Erzeugen eines Stutzens (6) in wenigstens einem Endabschnitt und e) Einbringen eines Gewindes (7) in den Stutzen (6).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Liner (5) mit Fasern (8) umwickelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddickenunterschiede zwischen den Endabschnitten (2) und dem mittleren Abschnitt (3) durch Abstrecken des mittleren Abschnitts (3) und/oder Stauchen der Endabschnitte (2) hergestellt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (6) in einem Verfahrensschritt mit dem Verschließen der Endabschnitte (2) durch Drückwalzen erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (D1) des mittleren Abschnitts (3) während des Abstreckens auf 1 mm oder weniger reduziert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umhüllen des Liners (5) durch Längswickeln und Umfangswickeln der Fasern (8) erfolgt.
  7. Gasdruckbehälter umfassend einen mit einer Umwicklung aus Fasern (8) versehenen zylindrischen Liner (5), dadurch gekennzeichnet, dass endseitige Domabschnitte (4) des Liners (5) eine größere Wanddicke (D2) aufweisen als ein zylindrischer mittlerer Abschnitt (3) zwischen den Domabschnitten (4).
  8. Gasdruckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke (D1) im mittleren Abschnitt (3) weniger als 1 mm beträgt.
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