DE102018006293A1

DE102018006293A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Abschätzung des Berstdrucks

Info

Publication number: DE102018006293A1
Application number: DE102018006293.8A
Authority: DE
Inventors: Felix Blank; Ulli Kunstfeld
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Abschätzen des Berstdrucks (p) eines Typ-IV-Druckgasbehälters (5), welcher am Ende seines Herstellungsprozesses einer Druckprüfung unterzogen wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Setzverhalten des Druckgasbehälters (5) während der Druckprüfung erfasst und aus der daraus resultierenden Druckreduzierung (Δp) auf den Berstdruck (p) geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Abschätzung des Berstdrucks eines Druckgasbehälters nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Produktion eines derartigen Druckgasbehälters mit der Nutzung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Druckgasbehälter zur Speicherung von Gasen unter hohem Druck sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Derzeit werden für Nenndrücke von beispielsweise 70 MPa oder 35 MPa typischerweise sogenannte Typ-IV-Druckgasbehälter eingesetzt. Diese bestehen aus einer inneren Hülle, dem sogenannten Liner, welcher dem gespeicherten Gas eine möglichst dichte Barriere entgegensetzt. Diese innere Hülle ist von einer äußeren faserverstärkten Hülle umgeben, welche typischerweise aus gebündelten Fasern hergestellt wird, indem diese um den Liner gewickelt, geflochten oder in ähnlicher Art und Weise angeordnet werden. Die Fasern, welche dann mit einer aushärtenden Kunststoffmatrix getränkt werden oder bereits vorher mit einer solchen getränkt wurden, werden dann ausgehärtet, um den Druckgasbehälter fertig zu stellen. Im Anschluss an diesen Herstellungsprozess durchläuft ein derartiger Druckgasbehälter typischerweise eine Druckprüfung, bei welcher er mit einem Prüfdruck beaufschlagt wird, welcher meist beim 1,5-fachen des nominalen Arbeitsdrucks, also bei 70 MPa Nenndruck bei 105 MPa liegt. Meist wird dieser Prüfdruck über ein inkompressibles Medium, beispielsweise Wasser, in dem Druckgasbehälter aufgebracht.
Um das für die Praxis und die Sicherheit ebenfalls relevante Berstverhalten des Druckgasbehälters kennen zu lernen, müssen anschließend zumindest einige der hergestellten Druckgasbehälter zerstört werden, indem der Druck so weit erhöht wird, bis der Behälter, und hier typischerweise die faserverstärkte Außenhülle, versagt. Der Berstdruck soll dabei mindestens das 2,25-fache des nominalen Arbeitsdrucks bzw. Nenndrucks betragen, also bei den oben bereits angesprochenen Behältern mit einem Nenndruck von 70 MPa 157,5 MPa. Ein Dichtheitstest findet mit dem für den späteren Einsatz geplanten Gas anschließend typischerweise bei den nicht geborstenen Behältern ebenfalls statt, ist für die hier vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung.
Die Herstellung und die Materialien zur Herstellung derartiger Druckgasbehälter sind nun vergleichsweise teuer. Muss eine große Anzahl von Druckgasbehältern einem zerstörenden Bersttest unterzogen werden, stellt dies eine erhebliche finanzielle Belastung dar. Je nach Vorschriften zur Zertifizierung der Behälter sind aber entsprechende große Anzahlen von Behältern für einen Bersttest vorzusehen, sodass typischerweise bis zu 2,5% der Produktion bei Tests zerstört werden müssen.
Eine Vorhersage des zu erwartenden Berstdrucks ist in der Praxis außerordentlich schwierig und hängt sowohl von verschiedenen geometrischen Eigenschaften des Behälters als auch von der Faserqualität, der Benetzung der Fasern mit der Kunststoffmatrix, der exakten Lage der Fasern, welche nach Möglichkeit beim Herstellungsprozess auf dem Liner nicht verrutschen dürfen und dgl. ab. Zwar beschreibt sowohl die US 2011/030974 A1 als auch die JP 2013-224 856 A die Möglichkeit, rechnerisch den Berstdruck abzuschätzen, indem der endgültige Aufbau des Druckgasbehälters quasi simuliert wird. In der Praxis kommt es jedoch immer zu Toleranzen und minimalen Ungenauigkeiten in der Herstellung, sodass das Abschätzen eines Berstdrucks über eine derartige Simulation des Herstellungsverfahrens von so großen Unsicherheiten begleitet ist, sodass weiterhin zerstörende Bersttests in relativ hohem Umfang notwendig sind, um beispielsweise Produktionsparameter zu optimieren oder den minimalen Berstdruck einer Charge von hergestellten Druckgasbehältern mit ausreichender Sicherheit angeben zu können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem ein Verfahren zur zerstörungsfreien Abschätzung des Berstdrucks eines Typ-IV-Druckgasbehälters angegeben wird, welches dann auch zur Überwachung der Produktion und letztlich zur Optimierung der Produktion eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes Verfahren zur Überwachung der Produktion ist im Anspruch 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfinder haben bei der Druckprüfung eine Art Setzverhalten der einzelnen Druckgasbehälter beobachtet. Bei einer näheren Untersuchung dieses Setzverhaltens haben die Erfinder erkannt, dass der Druckabfall, welcher sich beim Setzen des Druckgasbehälters während der Druckprüfung ergibt, in Korrelation zu dem Berstdruck, der später nach der Druckprüfung einem zerstörenden Bersttest unterworfenen Behälter, steht. Beobachtet man nun also das Setzverhalten und erfasst die auftretende Druckdifferenz, insbesondere die über die Zeit auftretende Druckdifferenz, so ergibt sich bei vergleichbaren Zeiten die Möglichkeit, diese Druckdifferenz zu nutzen, um relativ genau auf den Berstdruck zu schließen. Anders als bei den Verfahren im Stand der Technik, bei denen eine reine Simulation vorliegt, erfolgt die Prüfung hier am konkret realisierten und hergestellten Behälter. Nach der Produktion wird ohnehin die Druckprüfung mit dem 1,5-fachen des späteren Arbeitsdrucks bzw. Nenndrucks durchgeführt und die Ergebnisse werden dokumentiert. Nutzt man diese Ergebnisse, um in der oben beschriebenen Art auf den Berstdruck zu schließen, erhält man zerstörungsfrei für jeden hergestellten Behälter einen abgeschätzten Berstdruck. Versuchsreihen, in denen später der Behälter tatsächlich geborsten wurde, zeigen eine entsprechend hohe Korrelation, sodass anhand der Druckreduzierung aufgrund des Setzverhaltens bei der Druckprüfung relativ genau und zerstörungsfrei auf den tatsächlichen Berstdruck des jeweiligen Behälters rückgeschlossen werden kann. Dieses Wissen lässt sich nun insbesondere in der Zertifizierung und/oder der Optimierung von Prozessparametern bei der Herstellung der Druckgasbehälter einsetzen.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Berstdruck dabei anhand eines Zusammenhangs zwischen der Druckreduzierung und dem zu erwartenden Berstdruck abgeschätzt. Dies ist relativ einfach in der Handhabung und über weite Strecken sehr effizient.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dahingegen vor, dass der Berstdruck anhand eines Zusammenhangs zwischen der Steigung der Druck-Zeit-Kurve der Druckreduzierung und dem Berstdruck abgeschätzt wird. Nimmt man eine solche Steigung mit auf, wird auch der Zeitfaktor mit berücksichtigt, was, so haben die Untersuchungen gezeigt, nochmals eine Verbesserung in der Korrelation der Werte aus dem Setzverhalten während der Druckprüfung und dem späteren Berstdruck desselben Behälters ergibt.
Einer oder beide der Zusammenhänge können dabei als lineare Zusammenhänge verwendet werden, was die Auswertung besonders einfach macht.
Zur Überwachung der Produktion von Typ-IV-Druckgasbehältern lässt sich nun ein Verfahren nutzen, bei welchem zuerst eine erste Charge von Druckgasbehältern mit definierten gleich bleibenden Herstellungsparametern und gleicher Geometrie hergestellt und einer Druckprüfung unterzogen wird. Dabei werden während der Druckprüfung die aus dem Setzverhalten resultierenden Druckreduktionen erfasst. Anschließend ist es notwendig und sinnvoll, einige Druckgasbehälter der ersten Charge einem zerstörenden Bersttest zu unterziehen, wobei die Korrelation zwischen Berstdruck und Druckreduktion während der Druckprüfung erfasst wird. Somit lässt sich der entsprechende Zusammenhang zwischen dem Setzverhalten während der Druckprüfung und dem späteren Berstdruck für jede einzelne Art der Herstellung anhand der ersten Charge sehr genau einschätzen. Die weiteren Chargen kommen dann mit einem Minimum an zerstörenden Druckprüfungen aus, da anhand des für die jeweilige Geometrie und den jeweiligen Herstellungsprozess ermittelten Zusammenhangs zwischen dem Berstdruck und der Druckreduzierung aufgrund des Setzverhaltens der Berstdruck auch dieser weiteren Chargen sehr genau abgeschätzt werden kann. Werden nun Veränderungen in den Herstellungsparametern vorgenommen, lässt sich sehr schnell und zerstörungsfrei abschätzen, welche Auswirkungen diese auf den Berstdruck haben, indem die so variierten Behälter lediglich der Druckprüfung unterzogen werden.
Eine noch weitere Verbesserung des Verfahrens zur Überwachung der Produktion ergibt sich dann, wenn die Druckprüfung über längere Haltezeiten als normalerweise üblich für die erste Charge durchgeführt wird. Damit ergibt sich dann im zweiten Schritt die Möglichkeit zu analysieren, bei welcher Haltezeit während der Druckprüfung das beste Ergebnis der Korrelation zwischen der Druckreduzierung und dem Berstdruck erreicht worden ist. Im weiteren Verlauf der Druckprüfung bei den weiteren Chargen kann dann idealerweise mit dieser Haltezeit die Druckprüfung durchgeführt werden, um die Ergebnisse, welche anhand der Druckprüfung zur Abschätzung des späteren Berstdrucks erzielt worden sind, noch weiter zu verbessern.
Ein solches Verfahren lässt sich nun ideal zur Überwachung der Behälterqualität anhand der Druckreduktion in der Druckprüfung nutzen, um die zu erwartenden Berstdrücke abzuschätzen. Alternativ oder ergänzend hierzu kann das Verfahren, wie oben bereits erwähnt, auch genutzt werden, um den Einfluss von verschiedenen Parametern der Herstellung auf den zu erwartenden Berstdruck zu prüfen, indem der Herstellungsprozess bei unveränderter Geometrie des Druckgasbehälters und bei unveränderter Druckprüfung gezielt verändert wird. Hierdurch lässt sich eine Optimierung des Herstellungsverfahrens erreichen, sodass beispielsweise Herstellungszeiten optimiert werden können oder insbesondere der Einsatz der benötigten Fasermenge, was dann zu einer entsprechenden Kosteneinsparung führt, welche zusammen mit dem Wegfall der Notwendigkeit einer zerstörenden Prüfung einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil mit sich bringt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug als beispielhafte Anwendung für einen Druckgasbehälter;
2 einen Typ-IV-Druckgasbehälter in einer beispielhaften Ausführungsform;
3 ein Diagramm des Druckverlaufs über der Zeit bei der Druckprüfung eines Typ-IV-Druckgasbehälters;
4 einen Zusammenhang zwischen der Druckreduzierung Δp und dem Berstdruck;
5 den oberen Teil des Diagramms aus 3 in vergrößerter Darstellung; und
6 die Korrelation zwischen der Steigung des Druckabfalls über der Zeit und dem Berstdruck.

In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über eine prinzipmäßig angedeutete Brennstoffzelle 4 und eine Leistungselektronik 3 mit Antriebsenergie versorgt werden soll. Als Antriebsmotor ist im Bereich eines der Räder eine elektrische Maschine 2 gezeigt. Die Brennstoffzelle 4 als beispielhafte Einrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie arbeitet dabei mit Luft aus der Umgebung als Sauerstofflieferant und mit Wasserstoff, welcher in einem Druckgasbehälter 5 oder auch in mehreren über das Fahrzeug 1 verteilten Druckgasbehältern 5 gespeichert ist.
Derzeit sind dabei sogenannte Typ-IV-Druckgasbehälter 5 allgemein üblich. Sie bestehen, wie es aus der Schnittdarstellung der 2 ersichtlich ist, aus einem für den Wasserstoff möglichst undurchlässigen Liner 6, welcher von einer Hülle 7 umgeben ist. Diese Hülle 7 baut sich aus einem Faserverbundwerkstoff auf und enthält eine Vielzahl von Faserbündeln 8, welche zusammen mit einem Kunststoff als Matrixmaterial zu der Hülle 7 verbaut werden, wozu die Faserbündel 8 um den Liner 6 gewickelt und dann beispielsweise durch Aufschmelzen und Aushärten (Thermoplast) einer Kunststoffmatrix oder durch Zufügen einer weiteren Komponente bzw. Aktivieren von zwei vorhanden Komponenten (Duroplast) einer Kunststoffmatrix zu der Hülle 7 verfestigt werden. Die einzelnen Faserbündel 8 können dabei in verschiedener Art und Weise gewickelt, geflochten oder auch durch Prozesse wie beispielsweise Stricken, um den Liner 6 angeordnet werden. Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein beispielhaftes Wickelmuster hier exemplarisch im Inneren des Druckgasbehälters 5 angedeutet. Der Liner 6 weist einen zylindrischen Mittelteil auf und an seinen Enden im Wesentlichen halbkugelförmige Dome 10, welche mit Anschlusselementen 11 zur Befestigung von Ventilen 12, einer Halteeinrichtung für den Druckgasbehälter 5 oder Vergleichbarem versehen sein können.
Jeder der Druckgasbehälter 5 wird nach der Herstellung einer Druckprüfung unterzogen, typischerweise mit dem 1,5-fachen des nominalen Arbeitsdrucks, welcher beispielsweise bei der Speicherung von Wasserstoff für Fahrzeuganwendungen bei 70 MPa, oder für Nutzfahrzeuge bei 35 MPa liegt. Der maximale Prüfdruck pmax liegt also für den Behälter mit einem Nenndruck von 70 MPa bei 105 MPa. Das Diagramm der 3 zeigt nun eine Druckrampe, über welche der Druck p entsprechend gesteigert wird. Der Druckgasbehälter 5 wird dabei typischerweise mit einem inkompressiblen Medium, beispielsweise Wasser, bedruckt. Nach einer gewissen Zeit ergibt sich der maximale Prüfdruck pmax, woraufhin der Behälter verschlossen wird. Der Druck p wird für eine Zeitspanne Δt gehalten. Nach dieser Zeitspanne hat sich, so zeigt es das Diagramm der 3, der Druck vom maximalen Prüfdruck pmax auf einen niedrigeren Druckwert reduziert. Die Druckreduktion ist im Diagramm der 3 mit Δp eingetragen. Diese Druckreduzierung bzw. der Druckabfall Δp resultiert aus einer Art Setzverhalten des Druckgasbehälters 5. Der Druckgasbehälter 5 wird bei der Druckprüfung zum ersten Mal belastet, und zwar sehr stark. Dadurch können zum Beispiel kleinere Lufteinschlüsse verpresst werden und/oder Schwachstellen in der faserverstärkten Hülle 7, beispielsweise Fasern, die nicht optimal liegen oder nicht optimal mit der Matrix angebunden sind, werden aufgebrochen. Da die Druckprüfung mit inkompressiblem Wasser durchgeführt wird, fällt der Druck p mit jeder kleinen Volumenänderung des Druckgasbehälters 5, wenn dieser sich setzt, ab. Der Druck p nähert sich dabei aber relativ schnell einem konstanten Wert an, das heißt die Druck-Zeit-Kurve ist am Ende der Druckprüfung bereits deutlich abgeflacht und weist für eine relativ große Strecke eine annähernd konstante Druckreduzierung Δp auf.
Wenn ein neues Behälterdesign hergestellt wird oder Herstellungsparameter variiert werden, dann werden am Anfang immer einige der Druckgasbehälter 5 bis zum maximalen Berstdruck geprüft. Diese sogenannte Berstprüfung ist jedoch eine zerstörende Prüfung. Da die Druckgasbehälter 5 insbesondere aufgrund der eingesetzten Materialien und der relativ aufwendigen Herstellung sehr teuer sind, wird die Anzahl der Berstprüfungen typischerweise eher gering gehalten. In den ersten Herstellungschargen werden in der Regel drei Behälter geborsten, und wenn diese die geforderten Berstdrücke erreichen, werden bei den folgenden Chargen jeweils nur noch ein Behälter geborsten. Das entspricht beispielsweise der Mindestanzahl an Berstprüfungen für die Zulassung nach EC79 mit der Ausführungsvorschrift EU406, nach welcher ein Großteil der beispielsweise im Fahrzeug 1 eingesetzten Behälter zur Speicherung von Wasserstoff zugelassen werden. Es gibt jedoch weltweit auch noch andere Verordnungen, welche ähnlich strukturiert sind. Da eine Charge in der Regel ca. 40 bis 70 Behälter umfasst, bedeutet dies, dass in der Produktion 1,5 bis 2,5% der Behälter auf den maximalen Berstdruck geprüft werden. Dieser soll das 2,25-fache des Nenndrucks, also beim Behälter mit 70 MPa beispielsweise 157,5 MPa betragen. Die Druckprüfung in der im Diagramm 3 beschriebenen Art wird jedoch bei allen Behältern durchgeführt.
Nun hat sich aus der Analyse der Daten ergeben, dass es eine Korrelation zwischen dem Setzverhalten und dem Berstdruck gibt. In der Darstellung der 4 sind auf der y-Achse verschiedene Berstdrücke p_b aufgetragen. Es sind dabei 12 verschiedene Behälter gezeigt, welche einer Berstprüfung unterzogen wurden. Die Punkte bezeichnen dabei den vom jeweiligen Behälter erreichten Berstdruck, welcher entsprechend auf der y-Achse aufgetragen ist. Auf der x-Achse ist der Druckabfall Δp aufgetragen. Es ergibt sich eine lineare Korrelation zwischen dem Berstdruck p_B und der Druckreduzierung Δp. Wertet man die Werte statistisch aus, so ergeben sich statistische Werte für die Qualität der Anpassung in der Größenordnung von 63 bis 68% je nachdem, ob R² oder R²Kor ausgewertet werden. Diese statistischen Maße erlauben entsprechende Einschätzung der Qualität. Da man davon ausgehen muss, dass die Berstdrücke p_B von vornherein eine relativ große Streuung aufgrund der Toleranzen bei der Herstellung aufweisen, ist bei einem solchen Bestimmtheitsmaß von mehr als 50% bereits davon auszugehen, dass wirklich eine verwendbare Korrelation vorhanden ist. Das heißt, man kann bis zu einem gewissen Umfang von dem Druckabfall Δp bei der Druckprüfung auf den späteren Berstdruck p_B schließen. Druckgasbehälter 5, die bei der Druckprüfung eine größere Druckreduzierung Δp aufgezeigt haben, haben also auch entsprechend einen größeren Berstdruck p_B , die Druckgasbehälter 5, die bei der Druckprüfung eine kleinere Druckreduzierung Δp aufgewiesen haben, haben entsprechend einen kleineren Berstdruck p_B . Die Erfinder vermuten hinter diesem statistisch ermittelten Zusammenhang, welcher noch keine Erklärung für die technischen und physikalischen Phänomene beinhaltet, dass Behälter, die größere Fehlstellen haben, zunächst steifer sind, wenn zum Beispiel die Fasern in der Hülle 7 über einen größeren Bereich nicht optimal ausgerichtet sind. Diese nehmen dann bei der Druckprüfung jedoch mehr Kraft auf, sodass der Druckgasbehälter an dieser Stelle steifer ist und sich nicht so stark setzt wie dann, wenn die Fasern gleichmäßiger verteilt werden. Wird der Druck dann jedoch größer, wie bei der Berstprüfung, versagen diese Behälter entsprechend schneller, da die Kraftverteilung nicht homogen genug ist, da ja nicht alle Fasern in der Hülle 7 optimal ausgerichtet sind. Neben der Ausrichtung der Fasern kommen sicher auch weitere Einflüsse zum Tragen, wie beispielsweise die mehr oder weniger gute Anbindung der Fasern über das Harz sowie andere Fehlstellen, wie Lufteinschlüsse oder dgl.
Eine weitere Verbesserung der Korrelation zwischen dem Setzverhalten und dem zu erwartenden Berstdruck p_b ergibt sich nun, wenn außerdem die Zeit t, insbesondere die Haltezeit Δt der Druckprüfung mit berücksichtigt wird. In der Darstellung der 5 ist der obere Teil des Diagramms aus der Darstellung der 3 nochmals dargestellt. Zusätzlich sind dabei einzelne Punkte eingezeichnet. Der Punkt A bezeichnet den maximalen Prüfdruck p_max . Die weiteren Punkte B, C, D sind dann auf der Druck-Zeit-Kurve des Diagramms zeitlich nach diesem Punkt A eingezeichnet. Die Haltezeit Δt aus der Darstellung des Diagramms in 3 ergibt sich hier also als Haltezeit Δt (A-D) zwischen den Punkten A und D. Dementsprechend lassen sich weitere Haltezeiten zwischen den Punkten A und B Δt (A-B) und Δt (A-C) zwischen den Punkten A und C einzeichnen. Es hat sich gezeigt, dass sich eine noch bessere Korrelation und damit eine noch bessere Prognose des Berstdrucks p_B ergibt, wenn man berücksichtigt, dass der Druckabfall Δp nach dem Erreichen des maximalen Prüfdrucks p_max in Punkt A nicht linear verläuft. Je länger der Prüfdruck p an dem Druckgasbehälter 5 nach dem Erreichen des maximalen Prüfdrucks pmax in Punkt A anliegt, desto flacher wird die Kurve. In der Darstellung der 5 wird dies besonders deutlich, wenn man die Druckreduzierung Δp in den Punkten C und D vergleicht, welche annähernd gleich groß sind. Teilt man nun den Druckabfall Δp durch die Zeit Δt für den jeweiligen Punkt, erhält man jeweils die Steigung der Verbindungsgeraden zwischen diesen Punkten. Dies bedeutet, dass Δp (A-B) geteilt durch Δt (A-B) die Steigung der Geraden zwischen den Punkten A und B ergibt und so weiter. Alternativ zu dieser Betrachtung lässt sich selbstverständlich auch für jeden einzelnen Punkt der Kurve, sofern die Daten vorliegen, die entsprechende Ableitung verwenden.
Im Diagramm der 6 ist nun wieder der Berstdruck p_B der entsprechenden Behälter, welche geborsten worden sind, auf der y-Achse aufgetragen. Auf der x-Achse wird nun nicht der Wert Δp am Ende der Druckprüfung aufgetragen, sondern die Steigung zwischen dem maximalen Prüfdruck pmax und dem Prüfdruck am Ende der jeweiligen Zeitspanne Δt. Die Steigung wird also dargestellt als Δp/Δt. Da die Haltezeiten unterschiedlich sind, ergibt sich durch die Berücksichtigung der Haltezeiten so eine verbesserte Qualität der Prognose. Der Berstdruck p_B kann so noch genauer vorhergesagt werden. Die Faktoren R² und R²Kor sind im Vergleich zum Diagramm in 4 nochmals leicht angestiegen, hier auf Werte von 66 bis 70%, was bei der oben beschriebenen ohnehin sehr großen Streuung der Berstdrücke derartiger Druckgasbehälter 5 eine relativ gute Korrelation angibt.
Eine Überwachung der Produktion der Druckgasbehälter 5 könnte also die folgende Vorgehensweise verwenden:

• Zuerst wird eine erste Charge an Druckgasbehältern 5 hergestellt, bei gleicher Geometrie und unter Dokumentation aller relevanten Herstellungsparameter.
• Anschließend erfolgt eine Druckprüfung aller Druckgasbehälter 5 mit einer etwas längeren Haltezeit Δt. Dabei wird der Verlauf des Druckabfalls Δp über der Zeit t detailliert aufgenommen.
• In einem dritten Schritt werden von der ersten hergestellten Charge der Druckgasbehälter 5 einige einem Bersttest unterzogen und zerstört.
• Dabei erfolgt eine Analyse, bei welcher der Haltezeiten Δt die Korrelation des Berstdrucks p_B zum Druckabfall Δp am größten ist. Dies ist abhängig vom Design des Druckgasbehälters, vom Material und vom Herstellungsprozess.
• Im Anschluss werden weitere Chargen desselben Behälters mit derselben Geometrie hergestellt, idealerweise unter Einhaltung der entsprechenden Herstellungsparameter.
• Die Druckprüfung dieser Behälter erfolgt dann mit einer Haltezeit Δt, welche entsprechend dem vorherigen Schritt gewählt worden ist. Es wird also die Haltezeit Δt ausgewählt, bei welcher die höchste Korrelation erzielt worden ist.

Im weiteren Verlauf kann dann die Qualität der Druckgasbehälter 5 mit den gewonnenen Erkenntnissen überwacht werden. Werden nun zunächst aktiv einzelne Herstellungsparameter analysiert und gegebenenfalls verändert, ergibt sich eine sehr einfache und abgesehen von der ersten Herstellungscharge zerstörungsfreie Möglichkeit, die Qualität der Herstellung zu überwachen, zu dokumentieren und den Einfluss der Veränderung von Herstellungsparametern detailliert zu analysieren. Da typischerweise alle hergestellten Druckgasbehälter 5 die Druckprüfung durchlaufen müssen, lässt sich über das beschriebene Verfahren für alle hergestellten Druckgasbehälter 5 eine Aussage über den prognostizierten Berstdruck erzielen. Bisher wird nur der Berstdruck der ca. 1,5 bis 2,5% zerstörten Behälter entsprechend bewertet.
Da die Druckprüfung sowieso erfolgen muss und entsprechend dokumentiert wird, ergibt sich aus ihrer Auswertung kein nennenswerter Mehraufwand. Allerdings ist es nun über das beschriebene Verfahren möglich, alle Behälter, die die Druckprüfung durchlaufen haben, mit einem prognostizierten Berstdruck zu versehen, was ein entscheidender Vorteil hinsichtlich der Dokumentation und der Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses für derartige Druckgasbehälter ist. Dabei ist es so, dass viele der Einflussfaktoren auf den Berstdruck bisher noch nicht im Detail untersucht sind. Dies liegt zum einen an der sehr großen Anzahl von möglichen Faktoren und insbesondere aber auch an den sehr hohen Kosten für die zerstörenden Bersttests.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es nun jedoch einfach möglich, zumindest die wichtigsten Einflussfaktoren schnell effizient und kostengünstig zu untersuchen und somit das Design und die Herstellung zukünftiger Behälter zu optimieren. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind dabei die geometrische Variation der Vorprodukte, die sich auf das Wickelmuster der Fasern auswirken. Alleine der Liner 6, um den die Fasern der Hülle 7 im späteren Herstellungsprozess gewickelt werden, ist aus verschiedenen Teilen zusammengebaut, beispielsweise aus den Domen, also einer Ventilkappe, und einem Blindstopfen sowie dem eigentlichen zylindrischen Liner dazwischen. Jedes einzelne Teil hat dabei entsprechende Toleranzen ebenso wie die Verbindung, welche beispielsweise durch Verschweißen realisiert wird.
Ein weiterer Einflussfaktor kann die Variation des Wickelmusters sein, welcher sich aus dem Produktionsprozess ergibt. Dabei spielen die Wickelgeschwindigkeit, die Spannung der aufgebrachten Fasern, die Viskosität des eingesetzten Harzes und deren Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle. Weitere Parameter wie beispielsweise die Temperatur während des Herstellungsprozesses und dgl. müssen gegebenenfalls auch berücksichtigt werden. Ein weiterer Einflussfaktor ist in der Variation der Qualität der Verbindung zwischen dem Harz und den Fasern zu sehen. Es kann sich beispielsweise durch den Herstellungsprozess, wobei hier wiederum die Wickelmuster, die Geschwindigkeit, aber auch die Umwelteinflüsse bei der Herstellung, beispielsweise Temperatur, Luftfeuchte und dgl. eine Rolle spielen, verändern. Auch Toleranzen innerhalb der Mengen der Inhaltsstoffe in den Harzen können hier eine entscheidende Rolle spielen. Auch potenzielle Verunreinigungen der Fasern sowie eine nicht gleichmäßige Oberflächenqualität der Fasern können hier entscheidend sein. Letztlich bleibt als ein wichtiger Einflussfaktor, wie bereits angesprochen, die Qualität des Harzes, da dieses beispielsweise aus verschiedenen Chargen oder von verschiedenen Herstellern stammt. Die Einhaltung der Bearbeitungszeit, die Qualität der Mischung sowie auch hier die Umweltbedingungen bei der Herstellung sowohl des Harzes, als auch bei der Verarbeitung desselben spielen eine Rolle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011030974 A1 [0005]
JP 2013224856 A [0005]

Claims

Verfahren zum zerstörungsfreien Abschätzen des Berstdrucks (p_B) eines Typ-IV-Druckgasbehälters (5), welcher am Ende seines Herstellungsprozesses einer Druckprüfung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Setzverhalten des Druckgasbehälters (5) während der Druckprüfung erfasst und aus der daraus resultierenden Druckreduzierung (Δp) auf den Berstdruck (p_B) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berstdruck (p_B) anhand eines Zusammenhangs zwischen der Druckreduzierung (Δp) und dem zu erwartenden Berstdruck (p_B) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berstdruck (p_B) anhand eines Zusammenhangs zwischen der Steigung (Δp/Δt) der Druck-Zeit-Kurve der Druckreduzierung (Δp) und dem zu erwartenden Berstdruck (p_B) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang linear ist.
Verfahren zur Überwachung der Produktion von Typ-IV-Druckgasbehältern (5), wobei 5.1 zuerst eine erste Charge von Druckgasbehältern (5) mit gleich bleibenden Herstellungsparametern hergestellt und einer Druckprüfung unterzogen wird, wobei während der Druckprüfung die aus dem Setzverhalten resultierenden Druckreduktionen (Δp) erfasst werden. 5.2 anschließend einige der Druckgasbehälter (5) der ersten Charge einem zerstörenden Bersttest unterzogen werden, wobei die Korrelation zwischen dem Berstdruck (p_B) und der Druckreduktion (Δp) erfasst wird, 5.3 weitere Chargen von Druckgasbehältern (5) hergestellt werden, welche nach dem Herstellungsverfahren mit denselben Herstellungsparametern einer Druckprüfung unterzogen werden, wobei anhand der unter 5.2 ermittelten Korrelation der Berstdruck (p_B) für jeden einzelnen Druckgasbehälter (5) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckprüfung der Druckgasbehälter (5) der ersten Charge mit einer längeren Haltezeit (Δt) als üblich durchgeführt wird, wonach analysiert wird, bei welcher Haltezeit (Δt) die beste Korrelation zwischen dem Berstdruck (p_B) und dem Setzverhalten erreicht worden ist, wonach die Druckprüfung bei den weiteren hergestellten Chargen an Druckgasbehältern (5) mit der ermittelten Haltezeit (Δt), bei der die beste Korrelation erreicht worden ist, durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der Qualität der Druckgasbehälter (5) anhand der aufgrund der Druckreduzierung (Δp) in der Druckprüfung zu erwartenden Berstdrücke (p_B) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss von verschiedenen Parametern der Herstellung auf den zu erwartenden Berstdruck (p_B) geprüft wird, indem Herstellungsparameter bei unveränderter Geometrie und Druckprüfung gezielt geändert werden, wonach anhand des Setzverhaltens während der Druckprüfung auf den zu erwartenden Berstdruck (p_B) geschlossen wird.