DE102014224785B4

DE102014224785B4 - Druckbehälter sowie Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters

Info

Publication number: DE102014224785B4
Application number: DE102014224785.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: DE102014224785A1

Abstract

Druckbehälter (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – einen Liner (110), der geeignet ist, ein Fluid zu speichern; – ein faserverstärktes Laminat (120), das den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; – mindestens ein Laminatbauteil (130), welches zumindest bereichsweise von einer an dem Laminatbauteil (130) anliegenden oberen Laminatschicht (124) des faserverstärkten Laminates (120) bedeckt ist und an einer unteren Schicht (122) anliegt; und – mindestens eine Zwischenschicht (123), die zwischen der oberen Laminatschicht (124) und der unteren Schicht (122) angeordnet ist und sich zumindest bereichsweise bis zum mindestens einen Laminatbauteil (130) erstreckt, wobei das mindestens eine Laminatbauteil (130) ein Insert (130) ist, das zur Befestigung des Druckbehälters (100) dient.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters.
Die hier offenbarte Technologie betrifft u. a. Druckbehälter für Kraftfahrzeuge. Beispielsweise kann es sich um einen kryogenen Druckbehälter oder um einen Hochdruckgasbehälter handeln. In Hochdruckgasbehältern werden Fluide bei einem Druck von mehreren hundert bar gespeichert. Hochdruckgasbehälter sind häufig als Komposit-Druckbehälter ausgeführt, diese werden allgemein auch Verbundwerkstoff- oder Faserverbundbehälter genannt. Druckbehälter der Typen II, III und IV umfassen faserverstärkte Laminate, die einen Innenliner ganz oder teilweise umgeben. Der Liner ist bei Typ II und III Behältern aus Metall gebildet. Auch Kunststoffliner (Vollkomposit-Behälter, Typ IV Behälter) sind bekannt. Druckbehälter werden bspw. in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die mit komprimiertem Erdgas, oft als Compressed Natural Gas (CNG) bezeichnet, oder mit Wasserstoff betrieben werden. Die DE 10 2007 046 059 B4 offenbart eine Kraftstofftankanordnung mit einem Kraftstofftank, der über einen Bügel an einem Fahrzeug befestigt ist. Der Bügel ist von einer Faserverbundaußenschicht umgeben, um den Bügel mit dem Kraftstofftank zu verbinden. Bei Einsatz solcher Bügel können hohe Kerbwirkungen auf die Faserschichten ausgeübt werden, die den Bügel unmittelbar umgeben. Die DE 10 2005 053 245 A1 , die US 2009/0095796 A1 und die US 2010/0276434 A1 zeigen vorbekannte Behälter.
Wie in den 1 und 1a gezeigt, kommt es im Übergangsbereich S, in dem die obere Faserschicht 124 den Bügel 13 überwinden muss, zu einer Stauchung der Fasern. Die Spannungskonzentration in diesem Übergangsbereich S ist viel höher als in anderen Bereichen (Kerbwirkung). Ferner ergibt sich im Eckbereich T zwischen der unteren Faserschicht 122 und der Seitenfläche des Bügels 13 ein Bereich, in dem wegen der Mindestbiegeradien der Fasern keine Verstärkungsfasern abgelegt werden können. Insbesondere besteht die Gefahr, dass sich die Verbindung zwischen den Laminatschichten 122, 124 aufgrund der Schichtgeometrien löst. Insgesamt kann sich dadurch die Betriebsfestigkeit des Drucktanks verringern.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter, insbesondere für mobile Anwendungen wie ein Kraftfahrzeug. Ein solcher Druckbehälter kann bspw. ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein, wie er im einleitenden Teil beschrieben wurde. Der Druckbehälter umfasst einen Liner, der geeignet ist, ein Fluid zu speichern, und ein faserverstärktes Laminat, das den Liner zumindest bereichsweise umgibt. Das Laminat kann beispielsweise zumindest teilweise gewickelt und/oder geflochten sein.
Der Druckbehälter umfasst ferner mindestens ein Laminatbauteil, welches zumindest bereichsweise von einer an dem Laminatbauteil unmittelbar anliegenden oberen Laminatschicht des faserverstärkten Laminates bedeckt ist. Das Laminatbauteil ist ein Bauteil, welches im bzw. am Laminat angeordnet ist. Beispielsweise ist das Laminatbauteil ein Insert bzw. Einlegeteil, das zur Befestigung des Druckbehälters dient. Das Laminatbauteil selbst kann ein Laminat umfassen. Das Laminatbauteil kann aber auch aus einem Metall oder einem anderen, insbesondere homogenen, Material gefertigt sein. Der Wortbestandteil „Laminat” des Begriffes „Laminatbauteil” beschreibt also lediglich die räumliche Anordnung des Bauteils und nicht zwangsläufig dessen strukturellen Aufbau.
Bevorzugt ist das Laminatbauteil aus Metall ausgebildet. Da der Drucktank oft im Nassbereich, beispielsweise im Mitteltunnel, montiert wird, weist das Laminatbauteil bevorzugt eine Korrosionsschutzschicht auf. Weiterhin bevorzugt ist die Korrosionsschutzschicht robust gegenüber mechanischen Belastungen, wie sie bei der Kraftübertragung zwischen Laminatbauteil und dem angrenzenden Laminat auftreten. Beispielsweise können als Korrosionsschutz dünne Hartschichten (z. B. Eloxal) eingesetzt werden oder organische Beschichtungen.
Beispielsweise kann das Laminatbauteil dazu geeignet sein, den Druckbehälter direkt oder indirekt mit der Karosserie zu verbinden, beispielsweise mit einem Seitenträger und/oder einem Querträger des Fahrzeugrahmens. Das mindestens eine Laminatbauteil kann sich zumindest bereichsweise entlang der Längsachse A-A des Druckbehälters erstrecken. Das Laminatbauteil ist zumindest bereichsweise im Zylinderbereich Z und/oder im Dombereich B, C angeordnet.
Bevorzugt umfasst der Druckbehälter eine untere Schicht, an der das mindestens eine Laminatbauteil anliegt. Die untere Schicht kann eine untere Laminatschicht des faserverstärkten Laminates sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Liner die untere Schicht ausbilden.
Eine erste bzw. untere bzw. radial innere Laminatschicht kann also die direkt unterhalb vom Laminatbauteil angeordnete sein und eine zweite bzw. obere bzw. radial äußere Laminatschicht, kann direkt oberhalb vom Laminatbauteil angeordnet sein. Es liegen also an der Oberseite des Laminatbauteils die obere Laminatschicht und an der Unterseite des Laminatbauteils die untere Laminatschicht an. Bevorzugt verlaufen die unteren und oberen Laminatschichten nicht im Seitenbereich des Laminatbauteils.
Der Druckbehälter umfasst ferner mindestens eine Zwischenschicht, die zwischen den zwei anliegenden Laminatschichten (d. h. der unteren und der oberen Laminatschicht) angeordnet ist. Bevorzugt ist die mindestens eine Zwischenschicht selbst eine Laminatschicht. Die Zwischenschicht erstreckt sich zumindest bereichsweise bis zum Laminatbauteil. Bevorzugt liegt die mindestens eine Zwischenschicht an dem mindestens einen Laminatbauteil seitlich an. „Erstrecken” beinhaltet jedoch auch, dass die Enden der Zwischenschicht wenige Millimeter beabstandet sein können. Die Zwischenschicht verläuft insbesondere nicht zwischen dem Laminatbauteil und der unteren bzw. der oberen Laminatschicht. Sie ist also bevorzugt neben dem Laminatbauteil angeordnet. Bevorzugt weist die mindestens eine Zwischenschicht (im Wesentlichen) dieselbe Dicke auf wie das Laminatbauteil im Seitenbereich. Vorzugsweise sind die Dickenunterschiede zwischen dem Laminatbauteil und der Zwischenschicht so gering, dass keine bzw. nur geringe Kerbwirkungen auftreten.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner auch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Vorsehen eines Liners, der geeignet ist, ein Fluid zu speichern, sowie gegebenenfalls Vorsehen einer ersten bzw. unteren Laminatschicht eines faserverstärkten Laminates, das den Liner zumindest bereichsweise umgibt;
– Anordnen von mindestens einem Laminatbauteil an den Liner oder die untere Laminatschicht;
– Ablegen von mindestens einer Zwischenschicht auf den Liner oder auf die untere Laminatschicht, so dass die Zwischenschicht sich zumindest bereichsweise bis zum Laminatbauteil erstreckt; und
– Vorsehen einer zweiten bzw. oberen Laminatschicht auf dem Laminatbauteil und der Zwischenschicht, so dass zumindest bereichsweise die obere Laminatschicht und gegebenenfalls die untere Laminatschicht an dem Laminatbauteil unmittelbar anliegen.

Bevorzugt umfasst das Vorsehen des Liners und der unteren Laminatschicht die Schritte: Bereitstellen eines Liners, der geeignet ist, ein Fluid zu speichern; und Herstellen einer unteren Laminatschicht eines faserverstärkten Laminates, das den Liner zumindest bereichsweise umgibt.
Bevorzugt ist die Zwischenschicht eine vorkonfektionierte Laminatschicht, die besonders bevorzugt mehrere Faserschichten umfasst. Mithin ist die Laminatschicht also zweckmäßig ein Halbzeug, was „als Ganzes” montiert wird. Die Zwischenschicht und das Laminatbauteil können ferner nacheinander (in beliebiger Reihenfolge) oder gleichzeitig an die untere Laminatschicht angelegt werden. Das mindestens eine Laminatbauteil kann sich entlang der Längsachse A-A des Druckbehälters insbesondere über dessen Zylinderbereich Z erstrecken und/oder im Dombereich B, C liegen. Insbesondere kann die mindestens eine Zwischenschicht derart abgelegt werden, dass sie an dem mindestens einen Laminatbauteil seitlich unmittelbar anliegt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 2 und 2a näher erläutert. 2 zeigt eine Schnittansicht durch einen Druckbehälter 100. Der Liner 110 umschließt das zu speichernde Fluid. Der Liner 110 ist in seinem Zylinderbereich Z und in seinem Polkappenbereichen bzw. Dombereichen B, C von einem faserverstärktem Laminat 120 umgeben. In dem faserverstärkten Laminat ist hier ein Laminatbauteil 130 angeordnet, welches sich durch den Zylinderbereich Z und teilweise auch durch den Kappenbereich erstreckt. Es können aber auch mehrere kurze Laminatbauteile 130 vorgesehen sein, die lediglich im Polkappenbereich oder nur teilweise in den Zylinderbereich hinein ragen. Die 2a zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht vom Schnitt Q-Q der 2. Gut zu sehen sind die erste bzw. untere Laminatschicht 122 und die zweite bzw. obere Laminatschicht 124, die jeweils an der Unterseite 132 bzw. der Oberseite 134 des Laminatbauteils 130 unmittelbar anliegen. Die Zwischenschicht 123 ist unmittelbar zwischen der unteren Laminatschicht 122 und der oberen Laminatschicht 124 vorgesehen. Sie ist hier als Laminatschicht ausgebildet. Im Bereich des Laminatbauteils 130 ist die Zwischenschicht 123 nicht vorgesehen. Die Zwischenschicht 123 liegt hier seitlich unmittelbar an der Seitenfläche 133 des Laminatbauteils 130 an. Die Zwischenschicht 123 kann mehrere Schichten aufweisen, die hier nicht gezeigt sind. Ferner können unterhalb der unteren Laminatschicht 122 und oberhalb der oberen Laminatschicht noch weitere Laminatschichten angeordnet sein. Die Zwischenschicht 123 weist in etwa dieselbe (Schicht)Dicke auf wie das Laminatbauteil 130 an seiner Seitenfläche 133. Somit kommt es beim Druckbehälter 100 gemäß der 2, 2a nicht zu Spannungsspitzen oder zu geringeren Spannungsspitzen in den Bereichen T und S (nicht gezeigt in den 2, 2a). Vorteilhaft lässt sich die Betriebsfestigkeit des Drucktanks weiter steigern.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Sofern die Beschreibung die einzelnen Elemente in der Einzahl beschreibt ist gleichzeitig auch die Mehrzahl mit umfasst. So umfasst die Beschreibung des einen Laminatbauteils, der einen Zwischenschicht und/oder der oberen und unteren Laminatschichten gleichzeitig die Ausgestaltung mit mehreren Laminatbauteilen, Zwischenschichten und/oder oberen und unteren Laminatschichten.

Claims

Druckbehälter (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – einen Liner (110), der geeignet ist, ein Fluid zu speichern; – ein faserverstärktes Laminat (120), das den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; – mindestens ein Laminatbauteil (130), welches zumindest bereichsweise von einer an dem Laminatbauteil (130) anliegenden oberen Laminatschicht (124) des faserverstärkten Laminates (120) bedeckt ist und an einer unteren Schicht (122) anliegt; und – mindestens eine Zwischenschicht (123), die zwischen der oberen Laminatschicht (124) und der unteren Schicht (122) angeordnet ist und sich zumindest bereichsweise bis zum mindestens einen Laminatbauteil (130) erstreckt, wobei das mindestens eine Laminatbauteil (130) ein Insert (130) ist, das zur Befestigung des Druckbehälters (100) dient.
Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, wobei die untere Schicht (122) eine untere Laminatschicht (122) des faserverstärkten Laminates (120) ist oder der Liner (110) die untere Schicht (122) ausbildet.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das mindestens eine Laminatbauteil (130) entlang der Längsachse (A-A) des Druckbehälters (100) zumindest bereichsweise in dessen Zylinderbereich (Z) erstreckt.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (123) zumindest bereichsweise dieselbe Dicke aufweist wie das Laminatbauteil (130) im Seitenbereich (133).
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (123) an dem mindestens einen Laminatbauteil (130) seitlich anliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100), umfassend die Schritte: – Vorsehen eines Liners (110), der geeignet ist, ein Fluid zu speichern, sowie gegebenenfalls einer ersten Laminatschicht (122) eines faserverstärkten Laminates (120), das den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; – Anordnen von mindestens einem Laminatbauteil (130) an den Liner (110) oder an die untere Laminatschicht (122), – Ablegen von mindestens einer Zwischenschicht (123) auf den Liner (110) oder auf die untere Laminatschicht (122), derart dass die Zwischenschicht (123) sich zumindest bereichsweise bis zum Laminatbauteil (130) erstreckt, – Vorsehen einer oberen Laminatschicht (124) auf dem Laminatbauteil (130) und der Zwischenschicht (123), so dass zumindest bereichsweise die obere und gegebenenfalls die untere Laminatschicht (122, 124) an dem Laminatbauteil (130) anliegen, und wobei die Zwischenschicht (123) und das Laminatbauteil (130) gleichzeitig an den Liner (110) oder an die untere Laminatschicht (122) angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Zwischenschicht (123) eine vorkonfektionierte Laminatschicht (123) ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mindestens eine Zwischenschicht derart abgelegt wird, dass sie seitlich an dem mindestens einen Laminatbauteil unmittelbar anliegt.