DE102011007361A1 - Druckbehälter, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für Wasserstoff. Bei diesem Verfahren wird ein Druckbehälter aus einem metallischen Liner hergestellt, indem dieser außen mit Faserverbundwerkstoff verstärkt und nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes einer Autofrettage-Behandlung unterworfen wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den Liner, dieser in Längsrichtung bis nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes vorgespannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere als Drucktank für Wasserstoff, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
  • Es ist bereits bekannt, Wasserstoff als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge zu verwenden und diesen dazu in einem Drucktank unter Überdruck zu speichern. Derartige Drucktanks können aus Stahl bestehen. Für einen höheren Fülldruck kann zum Beispiel ein solcher, im wesentlichen zylindrischer Stahltank durch einen Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern umwickelt werden.
  • Ein solcher Druckbehälter ist aus der DE 10 2006 051 376 A1 bekannt. Dieser wird in einem Walzverfahren aus einem metallischen Werkstoff angefertigt. Zur Erhöhung der Festigkeit beziehungsweise für eine dünnere metallische Wandung zur Gewichtsreduzierung kann eine metallische Behälteraußenfläche, ein so genannter Liner, mit faserverstärktem Kunststoff umwickelt werden. Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Lebensdauerverlängerung von, insbesondere faserverstärkten, Metallhohlkörpern für den Einsatz bei hohen Innendrücken. Dabei wird der Metallhohlkörper einem über dem späteren Betriebsdruck liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass der metallische Liner plastifiziert. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Metallhohlkörper können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck oder/und längere Zeit betrieben werden, als ohne Autofrettage-Behandlung. Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten inneren und der elastischen äußeren Zone, insbesondere auch der Faserverstärkung. Diese wird von der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Dies erklärt die auftretenden Zugspannungen in der äußeren Schicht. Die innere plastisch verformte Schicht wiederum wird von der zurückfedernden äußeren Schicht zusammengedrückt oder auch -gepresst. Dies erklärt die hier auftretenden Druckspannungen. Einer der Vorteile bei späterem Betrieb mit Innendruck ist nun der, dass die durch den im Betrieb aufgebrachten Innendruck an der Randfaser, der innersten Schicht des Metallhohlkörpers, auftretenden Spannungsspitzen durch die bereits vorhanden Druckspannungen aus der Autofrettage kompensiert werden.
  • Wird also der Druckbehälter durch seinen Inhalt bedruckt, wird zunächst eine Druckvorspannung im Liner aus der Autofrettage ausgeglichen und erst bei weiter ansteigendem Innendruck die Behälterwandung nach außen hin auf Zug beansprucht.
  • Da es sich beim Innendruck um eine intensive Zustandsgröße handelt, ergibt sich das resultierende Verhältnis von Längs- und Quervorspannung aus dem Lagenaufbau des aufgebrachten Faserverbundes. Da dieser jedoch auf die Betriebslasten Druck und/oder Temperatur und nicht auf den Autofrettageprozess ausgelegt ist, können sich ungünstige Vorspannungsverhältnisse einstellen. Außerdem kann es beim Betrieb unter kryogenen Temperaturen in drucklosen oder -armen Betriebsfällen dazu kommen, dass die Faserverbundarmierung aufgrund mangelnder Vorspannung in Tanklängsrichtung den Kontakt zum metallischen Liner und somit ihre verstärkende Wirkung verliert. Insbesondere können hiervon die Dome des Druckbehälters betroffen sein.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass dieses obige Nachteile vermeidet und mit dem gezielt die Vorspannungszustände eines Druckbehälters unabhängig vom Aufbau des zur Verstärkung aufgebrachten Faserverbundwerkstoffes beeinflusst werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale und Verfahrensschritte des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
  • Bei einem Verfahren nach der Erfindung wird ein Druckbehälter aus einem metallischen Liner hergestellt, indem dieser außen mit Faserverbundwerkstoff verstärkt und nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes einer Autofrettage-Behandlung unterworfen wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den Liner, dieser in Längsrichtung bis nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes vorgespannt wird.
  • Das Verhältnis aus der Vorspannung in Längs- und Umfangsrichtung des Druckbehälters lässt sich hierdurch gezielt beeinflussen und so unabhängig vom Aufbau der Faserverbundummantelung einstellen. Damit ermöglicht das erfinderische Verfahren, die Spannungsverhältnisse am Druckbehälter gezielt zu beeinflussen, indem der Liner bereits vor dem Aufbringen des Faserverbundes in seiner Längsachse gestaucht wird. Dadurch kann die Vorspannung in Tanklängsrichtung zum einen sehr genau eingestellt werden und zum anderen im Betrag höher liegen als durch eine plastische Verformung des Liners. Es lässt sich auch der Effekt des Ablösens der Faserverbundarmierung vermeiden, zu dem es beim Betrieb unter kryogenen Temperaturen in drucklosen oder -armen Betriebsfällen kommen kann. Hier verliert die Faserverbundarmierung aufgrund mangelnder Vorspannung in Tanklängsrichtung den Kontakt zum metallischen Liner und somit ihre verstärkende Wirkung. Der Effekt der Autofrettage wird verstärkt in seiner Wirkung in Längsrichtung durch die Erhöhung der Vorspannung in dieser Richtung.
  • Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass der Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern besteht, dabei kann der Matrixwerkstoff ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff sein. Und vorteilhafterweise ist der Druckbehälter ein Typ 3 Druckbehälter, das heißt, ein komplett umwickelter metallischer Zylinder mit einem Dom auf jeder Seite. Die Verstärkungsfasern werden bevorzugt mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren, dem Wickel- oder dem Flechtverfahren oder auch mittels Resin Transfer Moulding aufgebracht. Beispielsweise kann die benötigte Stauchung des Liners mittels einer zwischen beide Anschlussöffnungen gespannten Gewindestange aufgebracht werden. Wichtig dabei ist, dass die künstlich aufgebrachte Vorspannung auch während des Aushärteprozesses des Faserverbundes aufrecht erhalten bleibt um ein Verrutschen der Fasern und damit den Verlust der Vorspannung zu vermeiden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mit einem Drucktank, insbesondere für Wasserstoff, ausgestattet ist, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Dazu zeigen die schematisch gezeichneten 1 bis 6 von oben nach unten eine zeitliche Abfolge einzelner Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters als Typ 3 Druckbehälter. Gleiche Elemente in den Figuren werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
  • 1 zeigt einen metallischen Liner aus Aluminium als Behälter mit einem zylindrischen Mantel 1 und mit einem mit einer verschließbaren Öffnung 3, 3' versehenen Dom 2, 2' an jedem Behälterende. Wie der Abstand der gestrichelt gezeichneten Maßlinien 4, 4' für die nicht gestauchte Länge des Liners zeigt, im ursprünglichen, langen und entspannten Zustand. Dieser Liner wird nun mittels einer nicht gezeichneten, zwischen beide Anschlussöffnungen 3, 3' gespannten Gewindestange, wie in 2 symbolisch durch Pfeile 5, 5' dargestellt, vorgespannt, was seine Länge in axialer Richtung auf den Abstand zwischen den gestrichelt gezeichneten Maßlinien 4, 4'' für die gestauchte Länge des Liners verkürzt. Nun wird der Liner in gestauchtem Zustand mittels der Faserwickelmaschine mit Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern in mehreren Lagen verschiedener Ausrichtung, abhängig von den für den Druckbehälter vorgesehenen Betriebszuständen, umwickelt und gleichzeitig werden diese Wickellagen mit Matrixwerkstoff, einem flüssigen duroplastischen Kunststoff, durchtränkt. In 3 ist der fertig umwickelte und getränkte, gestauchte Liner mit einer Länge entsprechend dem Abstand zwischen den Maßlinien 4, 4'' dargestellt.
  • 4 zeigt symbolisch durch Pfeile Q den nun folgenden Verfahrensschritt, das Aushärten des Matrixwerkstoffes im Faserverbund durch Zuführen von Wärme zum gestauchten, umwickelten Liner mit einer Länge des Abstands zwischen den Maßlinien 4, 4''. Hierzu erfolgt eine Temperaturführung, um optimale Festigkeitswerte in Abhängigkeit des gewählten Kunststoffmaterials beziehungsweise der Art und Menge der verwendeten Fasern, zum Beispiel Glas-, Kohle- und/oder metallische Fasern, zu erhalten. Nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes wird der nun, bei Umwicklung mit Kohlefasern, mit CFK 6 umgebene Liner im Verfahrensschritt der 5 aus der Faserwickelmaschine entnommen und aus seiner Vorspannung gelöst, was eine Längenzunahme auf eine neue, größere Länge, der des Abstands zwischen den Maßlinien 4, 4''' mit sich bringt, mit der eine Erhöhung der Vorspannung in Längsrichtung einhergeht.
  • In 6 letztendlich, wird der Druckbehälter durch Erhöhen seines Innendrucks einer Autofrettage-Behandlung unterworfen und mit dem Autofrettage-Druck pAT befüllt, symbolisch angedeutet gezeichnet durch mit der Spitze auf den Liner gerichtete Dreiecke, was unter anderem eine weitere Längenzunahme bewirkt. Durch die Autofrettage-Behandlung wird der Druckbehälter beziehungsweise dessen Wandung unter Überdruck mit einer weiteren Eigenspannung versehen, die dann auch im Leerzustand verbleibt und durch den negativen Druck –p1 beschreibbar ist, so dass im leeren Zustand der Druckbehälter sozusagen das Bestreben hat, sich selbst zusammen zu ziehen. Erst wenn der Druckbehälter mit dem Druck p1 befüllt ist, ist die Eigenspannung in der Wandung ausgeglichen und absolut gesehen steht die Wandung dann unter dem gesamten Innendruck null. Nachfolgend wird der Druckbehälter dann bis zum Fülldruck befüllt. Dabei ist der absolut herrschende Druck von innen auf die Wandung aber geringer, da die Vorspannung p1 vom Fülldruck abgezogen werden kann.
  • Wird ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Druckbehälter für Wasserstoff ausgestattet, besitzt dieser aufgrund der Autofrettage-Behandlung ein vorteilhaft geringes Gewicht und wird durch die Erhöhung der Vorspannung in Längsrichtung mittels gezielter Umwicklung mit Faserverbundwerkstoff im gestauchten Zustand auch bei kryogen-kalten Temperaturen davor bewahrt, dass an den Domen 2, 2' der Liner den Kontakt zum CFK 6 verliert.
  • Vorzugsweise wird ein derartiger Druckbehälter in Kraftfahrzeugen zum Mitführen von Wasserstoff als Kraftstoff eingesetzt. Grundsätzlich können derartig ausgebildete Druckbehälter aber auch auf allen anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden, beispielsweise als stationärer Vorratsbehälter zur Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle. Auch können bei geeigneter Materialwahl andere Gase eingefüllt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006051376 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus einem metallischen Liner, der außen mit Faserverbundwerkstoff verstärkt, nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes einer Autofrettage-Behandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den Liner, dieser in Längsrichtung bis nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes vorgespannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter ein Typ 3 Druckbehälter ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in einem Wickel- oder Flechtverfahren oder durch Resin-Transfer-Moulding aufgebracht werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung auf den Liner mittels einer zwischen beide Anschlussöffnungen (3, 3') gespannten Gewindestange aufgebracht wird.
  7. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Drucktank, insbesondere für Wasserstoff, ausgestattet ist, der nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
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