DE102015225690A1 - Druckbehälter mit Endlosfasern - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters 100 mit mindestens einer faserverstärkten Schicht 120. Die Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122“ der faserverstärkten Schicht 120 werden aus mindestens einer Endlosfaser 122, 122‘, 122“ ausgebildet. Der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser wird variiert.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters mit mindestens einer faserverstärkten Schicht sowie einen Druckbehälter. Die Endlosfasern der faserverstärkten Schicht weisen erfindungsgemäß einen variierenden Elastizitätsmodul auf.
  • Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen faserverstärkte Schichten, die beispielsweise durch Flechten oder Wickeln aufgebracht werden. Solche Druckbehälter werden i. d. R. mit einer Faserart gewickelt oder geflochten. Bei gleicher Steifigkeit der Fasern ist unter Behälterinnendruck die Spannung in Umfangsrichtung des Druckbehälters auf der Innenseite der Druckbehälterwand größer als auf der Außenseite. Die Auslastung der einzelnen Fasern in der faserverstärkten Schicht ist deshalb nicht optimal. Aus der DE 10 2006 043582 B3 ist ferner bekannt, unterschiedliche Faserarten für unterschiedliche Schichten einzusetzen, wobei die äußere Schicht eine höhere Bruchdehnung aufweist.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Das kryogene Druckbehältersystem umfasst einen kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern.
  • Der Druckbehälter kann einen Liner umfassen. Der Liner ist der Hohlkörper, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein oder es kann auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.
  • Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt umfasst die faserverstärkte Schicht mindestens eine Endlosfaser als Verstärkungsfaser, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden kann. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen gewickelt bzw. geflochten. In dem zylindrischen Mantelbereich befinden sich i.d.R., zusätzlich zu den Kreuzlagen, die sogenannten Umfangslagen, die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von nahe 90° zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert. Die faserverstärkte Schicht umfasst mindestens zwei Faserlagen. Die Faserlagen der faserverstärkten Schicht sind Lagen an Verstärkungsfasern, die innerhalb der faserverstärkten Schicht übereinander angeordnet sind. Die Fasern einer Lage sind im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet. Die mindestens eine Endlosfaser erstreckt sich hier über mindestens zwei Faserlagen der faserverstärkten Schicht. Mit anderen Worten wird also aus der/den ein und derselben/denselben Endlosfaser(n) mindestens zwei Faserlagen ununterbrochen hergestellt. Eine Endlosfaser ist insbesondere ein Filament von mindestens 1 m Länge. Insbesondere weist die mindestens eine Endlosfaser in den mindestens zwei der Faserlagen einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul auf. Mit anderen Worten ändert sich also innerhalb des Lagenaufbaus der faserverstärkten Schicht der Elastizitätsmodul der verarbeiteten Endlosfaser(n) selbst. Somit können vorteilhaft die mechanischen Eigenschaften der faserverstärkten Schicht variiert werden, ohne dass andere Parameter, wie Matrixmaterial, Lagenaufbau, Faservolumen, etc. angepasst werden müssen. Beispielsweise kann somit innerhalb der Umfangslagen im Mantelbereich die Steifigkeit variiert werden, ohne dass die Faserorientierung und/oder der Fasergehalt geändert werden muss.
  • Die mindestens eine Endlosfaser ist besonders bevorzugt als Bündel an Endlosfasern, auch Roving genannt, ausgebildet.
  • Die mindestens eine Endlosfaser kann sich bevorzugt über mindestens 50% oder mindestens 80% oder mindestens 90% oder über 100% der Faserlagen erstrecken, wobei die Endlosfasern zumindest bereichsweise einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweisen, insbesondere in Abhängigkeit von deren Abstand zur Druckbehälterlängsachse A-A. Der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser nimmt bevorzugt mit zunehmenden Radius des Druckbehälters zu.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere des hier offenbarten Druckbehälters mit mindestens einer faserverstärkten Schicht. Die Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht werden aus mindestens einer Endlosfaser ausgebildet. Der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser wird variiert. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen: Ausbilden von mehreren Faserlagen der faserverstärkten Schicht, wobei sich die mindestens eine Endlosfaser über mindestens zwei Faserlagen erstreckt, und wobei der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser derart variiert wird, dass die mindestens eine Endlosfaser in einer Faserlage der mindestens zwei Faserlagen einen anderen Elastizitätsmodul aufweist als in einer anderen Faserlage der mindestens zwei Faserlagen. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser vor dem Ausbilden der mindestens zwei Faserlagen variiert wird. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die mindestens eine Endlosfaser mit variierendem Elastizitätsmodul vor dem Ausbilden der mindestens zwei Faserlagen auf einer Vorratsrolle aufgewickelt wird.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser durch Variation von mindestens einem Parameter während einer Wärmebehandlung der mindestens einen Endlosfaser variiert wird. Beispielsweise kann während der Graphitisierung von Kohlenstofffasern die Temperatur, die Zeit und/oder das Schutzgas variiert werden. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die mindestens zwei Faserlagen der faserverstärkten Schicht durch Flechten und/oder Wickeln und/oder Ablage von vorgefertigten Faserlagen-Halbzeugen ausgebildet werden. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach sich die mindestens eine Endlosfaser über mindestens 50% oder mindestens 80% oder mindestens 90% oder über 100% der Faserlagen erstreckt.
  • Mit anderen Worten ist hier die Verwendung von Verstärkungsfasern offenbart, die zwar im Wesentlichen die gleiche Festigkeit haben, aber über unterschiedliche Steifigkeit verfügen. Für die Innenseite der Druckbehälterwand (bzw. einer inneren Schicht der faserverstärkten Schicht) werden bevorzugt Verstärkungsfasern mit geringerer Steifigkeit verwendet als die Verstärkungsfasern, die in einer die innere Schicht umgebende äußere Schicht angeordnet sind. Mit steigendem Druckbehälterradius R erhöht sich die Steifigkeit. Die Verstärkungsfasern mit der höchsten Steifigkeit werden bevorzugt auf der Außenseite des Druckbehälters vorgesehen. Die Verstärkungsfasern können durch Wickeln und/oder Flechten und/oder Ablage von vorgefertigten Faserlagen-Halbzeugen aufgebracht werden. Es können beispielsweise Fasern von unterschiedlichen Spulen mit jeweils unterschiedlichen Steifigkeiten für unterschiedliche Bereiche der Druckbehälterwand (Innen-Mitte-Außen) zum Einsatz kommen. Insbesondere für große Abnahmemengen kann die Herstellung einer Faserspule vorgesehen sein, deren Steifigkeit über die Ablauflänge variiert. Die Steifigkeit lässt sich beispielweise durch die Temperatur bei der Herstellung der Kohlenstoff-Faser einstellen. Die Variation der Steifigkeit in der Druckbehälterwand mit dem Radius ermöglicht, dass beim Berstdruck (Auslegungsdruck) im Idealfall alle Verstärkungsfasern bis zu ihrer Grenzfestigkeit unter Spannung stehen. Die theoretische Faserausnutzung beträgt somit 100%. Die Dicke der Druckbehälterwand kann vorteilhaft reduziert werden. Die Masse und das Gewicht des Druckbehälters kann vorteilhaft reduziert werden. Der Druckbehälter kann günstiger werden, da weniger FKV-Material zur Herstellung benötigt wird. Für den gleichen Bauraum kann der Druckbehälter i.d.R. eine größere Menge Kraftstoff speichern.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Druckbehälters 100, und
  • 2 eine schematische Detailansicht einer faserverstärkten Schicht 120.
  • Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Druckbehälters 100. Der Druckbehälter 100 umfasst den Liner 110 und die faserverstärkte Schicht 120, die den Liner 110 umgibt und diesen verstärkt. Der Liner 110 stellt das Innenvolumen I zur Speicherung von Brennstoff bereit. Der Druckbehälter 100 weist einen Mantelbereich M und Polkappenbereiche P1, P2 auf. Am Ende 142 des Druckbehälters 100 ist ein Auslass 170 vorgesehen, der hier nicht näher beschrieben wird.
  • Die 2 zeigt schematisch eine Detailansicht einer faserverstärkten Schicht 120. Die Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122'' sind hier in Umfangsrichtung U des Druckbehälters 100 angeordnet. Der Ausschnitt ist dabei so klein gegenüber dem Behälterdurchmesser gewählt, dass die Behälterkrümmung in der Abbildung nicht erkennbar ist. Beispielsweise sind solche Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122“ im Mantelbereich M des Druckbehälters 100 angeordnet. Die Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122“ der verschiedenen Faserlagen 126, 126‘, 126“ liegen hier parallel zueinander. Die Faserlagen 126, 126‘, 126“ sind übereinander angeordnet. Hier gezeigt sind schematisch drei Faserlagen 126, 126‘, 126“, die irgendwo in der faserverstärkten Schicht 120 angeordnet sein können. Die Faserlagen 126, 126‘, 126“ können unmittelbar benachbart oder aber auch durch andere Faserlagen getrennt angeordnet sein. Die einzelnen Abschnitte 122, 122‘, 122“ der mindestens einen Endlosfaser 122, 122‘, 122“ bilden hier die jeweiligen Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122“ der Faserlagen 126, 126‘, 126“ aus. Insbesondere verfügt der äußere Abschnitt 122“ der Endlosfaser, der in radialer Richtung R weiter von der Druckbehälterlängsachse A-A beabstandet ist, über einen höheren Elastizitätsmodul und somit über eine höhere Steifigkeit als eine innerer Abschnitt 122 der Endlosfaser.
  • Somit kann vorteilhaft erreicht werden, dass alle Verstärkungsfasern gleichmäßig bzw. gleichmäßiger bis zur Grenzfestigkeit belastet werden. Werden diese Abschnitte 122, 122‘, 122“ aus einer Endlosfaser hergestellt, so kann überdies ein kontinuierlicher und somit zeitsparender Wickel- bzw. Flechtprozess etabliert werden. Die Verstärkungsfasern 122, 122‘, 122“ der Faserlagen sind hier durch ein Matrixmaterial 124 gehalten. Als Matrixmaterial 124 kann irgendein Matrixmaterial eingesetzt werden.
  • 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.
  • 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 102006043582 B3 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100) mit mindestens einer faserverstärkten Schicht (120), wobei Verstärkungsfasern (122, 122‘, 122“) der faserverstärkten Schicht (120) aus mindestens einer Endlosfaser (122, 122‘, 122“) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) variiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: Ausbilden von mehreren Faserlagen (126, 126‘, 126“) der faserverstärkten Schicht (120), wobei sich die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) über mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) erstreckt, und wobei der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) derart variiert wird, dass die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) in einer Faserlage der mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) einen anderen Elastizitätsmodul aufweist als in einer anderen Faserlage der mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“).
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) vor dem Ausbilden der mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) variiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) mit variierendem Elastizitätsmodul vor dem Ausbilden der mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) auf einer Vorratsrolle aufgewickelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) durch Variation von mindestens einem Parameter während einer Wärmebehandlung der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) variiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) der faserverstärkten Schicht (120) durch Flechten und/oder Wickeln und/oder Ablage von vorgefertigten Faserlagen-Halbzeugen ausgebildet werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) über mindestens 80% der Faserlagen (126, 126‘, 126“) erstreckt.
  7. Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff, umfassend mindestens eine faserverstärkte Schicht (120), wobei die faserverstärkte Schicht (120) mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) umfasst, wobei sich die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) über mindestens zwei Faserlagen (126, 126‘, 126“) der faserverstärkten Schicht (120) erstreckt, und wobei die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) in den mindestens zwei der Faserlagen (126, 126‘, 126“) einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweist.
  8. Druckbehälter nach Anspruch 8, wobei sich die mindestens eine Endlosfaser (122, 122‘, 122“) über mindestens 80% der Faserlagen (126, 126‘, 126“) erstreckt.
  9. Druckbehälter nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Elastizitätsmodul der mindestens einen Endlosfaser (122, 122‘, 122“) mit zunehmenden Radius des Druckbehälters zunimmt.
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