DE102018205943A1 - Mit Faserverbundwerkstoff verstärkter Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Nach der Erfindung ist ein zur Speicherung von Kraftstoff vorgesehener Druckbehälter, der so mit Faserverbundwerkstoff verstärkt ist, dass eine Armierung aus Fasern in Kunststoff eingebettet ist, die so dimensioniert ist, dass sie ausreicht, um die aus dem Betriebsdruck des Kraftstoffs in dem Druckbehälter resultierenden Kräfte aufzunehmen, wobei eine weitere Armierung, mit einer kleineren Bruchdehnung als diejenige der Armierung, als weitere Schicht so auf der Armierung angeordnet ist, dass eine einen definierten Betrag über dem Betriebsdruck des Kraftstoffs liegende resultierende Kraft in dem Druckbehälter die weitere Armierung detektierbar und/oder sichtbar zerstört, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Armierung wenigstens als ein geschlossener Streifen in Umfangsrichtung um den Druckbehälter gelegt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere zur Verwendung als Kraftstoffbehälter für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
  • Es ist bereits bekannt, zum Beispiel Wasserstoff als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge zu verwenden und diesen dazu in einem Drucktank unter Überdruck zu speichern. Derartige Drucktanks können aus Stahl oder Aluminium bestehen. Für einen höheren Fülldruck kann zum Beispiel ein solcher, zum Beispiel im Wesentlichen zylindrischer Tank, durch einen Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern umwickelt werden.
  • Ein solcher Hochdruckbehälter ist aus der DE 10 2013 003 207 A1 bekannt. Zur Erhöhung der Festigkeit beziehungsweise für eine dünnere metallische Wandung, zur Gewichtsreduzierung, wird ein metallischer Innenbehälter, ein so genannter Liner, an seiner Behälteraußenfläche mit faserverstärktem Kunststoff umwickelt.
  • Die DE 197 51 411 C1 betrifft einen Druckbehälter für ein druckbelastetes, fließfähiges oder gasförmiges Medium. Er enthält einen blasgeformten Kunststoffliner ohne nennenswerte Festigkeit, der von einer eine Armierung bildenden Schicht aus in Kunstharz eingebetteten Fasern außenseitig umschlossen ist. Als Fasern werden Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- und Borfasern sowie Al2O3-Fasern und Gemische daraus erwähnt. Die einzelnen Faserarten haben voneinander abweichende Eigenschaften und auch eine unterschiedliche Bruchdehnung. Sie sind nach Art von Wicklungen auf den Kunststoffliner aufgebracht und in eine Kunststoffmatrix eingebettet, die aus Epoxid- oder Phenolharz bzw. aus Thermoplasten wie z.B. Polyamid, Polyäthylen oder Polypropylen besteht. Allen Ausbildungen ist gemein, dass die so erhaltene Armierung eine Festigkeit hat, die ausreicht, um den Kräften standzuhalten, die aus einer Druckbelastung des enthaltenen Gases oder der Flüssigkeit resultieren. Die Bruchdehnung ergibt sich vor allem aus den Eigenschaften und der Anordnung der jeweils enthaltenen Fasern. Eine Überlastung kann zum Bersten des Druckbehälters führen, was mit erheblichen Risiken verbunden sein kann, die darin bestehen, dass die Druckbehälter bei einer Überlastung plötzlich, unvorhersehbar und unkontrollierbar bersten. Aufgrund dieses Versagensverhaltens ist es üblich, die bekannten Druckbehälter mit einer Faserverbundarmierung mit verhältnismäßig hohen Sicherheitsfaktoren zu belegen. Die Behälter mit einer Armierung aus Faserverbundstoff sind daher erheblich überdimensioniert. Es werden neben der Verwendung von Druckbehältern mit einer Armierung von teuren, hochfesten Kohlenstofffasern auch kostengünstige Glasfasern eingesetzt. Die Dauerfestigkeit der Glasfasern ist wenig befriedigend. Daher sind hier die Sicherheitsfaktoren besonders hoch.
  • Die DE 10 2006 043 582 B3 beschreibt einen Druckbehälter für ein druckbelastetes, fließfähiges Medium, umfassend eine erste Armierung aus Fasern, die als Wicklung aufgebracht und in Kunstharz eingebettet sind, wobei zusätzlich zur ersten Armierung eine zweite Armierung vorgesehen ist, die eine Bruchdehnung hat, die kleiner ist als diejenige der ersten Armierung, wobei die erste Armierung, für sich allein genommen, ausreicht, um die aus dem Druck des Mediums in dem Druckbehälter resultierenden Kräfte insgesamt aufzunehmen und wobei Mittel vorgesehen sind, die geeignet sind, einen Bruch der zweiten Armierung anzuzeigen. Dies verbessert die Dauerhaltbarkeit des Druckbehälters bei sparsamerem Materialeinsatz. Eine Überlastung wird frühzeitig angezeigt und ein unvorhersehbares Bersten ist ausgeschlossen.
  • Nachteilig ist hier, dass diese Lösung auf eine sprunghafte Dehnungsänderung angewiesen ist, die nur entsteht, wenn die zweite Armierung vor dem Erreichen ihrer Bruchdehnung einen wesentlichen Teil der Druckbelastung aufgenommen hat.
  • Auch sind für faserverstärkte Druckbehälter Health-Monitoring-Systeme bekannt. Weiterhin sind so genannte diagnostische-Lagen bekannt, die beispielsweise durch auf der Behälteraußenseite angebrachte Glasfaserlagen gebildet werden können, die dann mechanische Beschädigungen durch Bruch kenntlich machen, so genannten Weißbruch, an der auftretenden weißlichen Farbe zu erkennen.
  • Die elektronischen Health-Monitoring-Systeme für Druckbehälter sind sehr aufwändig und erfordern komplexe Auswerteelektroniken. So gibt es beispielsweise parallel zu den Verstärkungsfasern eingewickelte optische Fasern mit Fiber-Bragg-Gittern. Um in großen Stückzahlen preiswert gebaut zu werden, sind diese Technologien zu aufwändig und zu teuer.
  • Der Nachteil der außen angebrachten diagnostischen Lagen besteht darin, dass sie eben auch nur Beschädigungen von außen nachweisen können. Eine Überschreitung des zulässigen Drucks im Behälter, beispielsweise aufgrund eines Fehlers beim Betanken, stellt aber ein hohes Risiko dar, wenn dieses nicht erkannt und der Behälter weiterverwendet wird.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffbehälter der eingangs genannten Art für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, der oben genannte Nachteile nicht besitzt und so eine verbesserte Sicherheit bei vergleichsweise geringem Aufwand darstellt, mit einer Einrichtung, die den Schaden nicht an der eigentlichen drucktragenden Struktur nachweist, sondern an einer speziell dafür ausgelegten und speziell positionierten kostengünstigen Opfer-Struktur.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und ein Herstellungsverfahren beschreiben die abhängigen Ansprüche.
  • Nach der Erfindung ist ein zur Speicherung von Kraftstoff vorgesehener Druckbehälter, der so mit Faserverbundwerkstoff verstärkt ist, dass eine Armierung aus Fasern in Kunststoff eingebettet ist, die so dimensioniert ist, dass sie ausreicht, um die aus dem Betriebsdruck des Kraftstoffs in dem Druckbehälter resultierenden Kräfte aufzunehmen, wobei eine weitere Armierung, mit einer kleineren Bruchdehnung als diejenige der Armierung, als weitere Schicht so auf der Armierung angeordnet ist, dass eine einen definierten Betrag über dem Betriebsdruck des Kraftstoffs liegende resultierende Kraft in dem Druckbehälter die weitere Armierung detektierbar und/oder sichtbar zerstört, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Armierung wenigstens als ein geschlossener Streifen in Umfangsrichtung um den Druckbehälter gelegt ist.
  • Vorteilhafterweise ist durch die Anordnung in Streifen, die Breite der Lage der weiteren Armierung begrenzt und die Wahrscheinlichkeit damit sehr hoch, dass ein durch Ausdehnung des Druckbehälters bei Überdruck bedingter Riss in der Lage den Streifen vollständig zerreißt, was dann gut sichtbar ist und so nicht übersehen werden kann.
  • Die Lage kann bevorzugt in mehreren Streifen in Umfangsrichtung um den zylindrischen Bereich des Druckbehälters gelegt werden. Die parallelen Lagen können den Behälter im zylindrischen Bereich auch vollständig bedecken.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Streifen die Behälteroberfläche ohne Spiel umschließt und/oder nicht mit dieser verbunden ist.
  • Wenn die Lagen nicht, oder nur soweit es für die Montage absolut notwendig ist, an die Behälteroberfläche geklebt werden, besteht weniger die Gefahr, dass ein Riss unentdeckt bleibt, als wenn dieser in einem Bereich der Lage auftritt, der an die Druckbehälteroberfläche geklebt ist. Liegt die Lage der weiteren Armierung im Rissbereich also nur auf der Druckbehälteroberfläche auf, dann kommt es durch die mechanische Spannung in der Lage zu einem Aufklaffen des Risses, was optisch sehr gut zu erkennen ist.
  • Ergänzend zur Verwendung paralleler Streifen in Umfangsrichtung des Druckbehälters, können die Streifen der weiteren Armierung auch parallel in dessen Längsrichtung, also der Axialrichtung des Druckbehälters angeordnet sein. Vorteilhaft ist auch eine spiralig gewundene Bedeckung der zylindrischen Druckbehälteroberfläche, was dann mittels eines einzigen Stücks der weiteren Armierung erfolgen könnte.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass der Druckbehälter dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens zwei Streifen als weitere Armierung unterschiedlicher Bruchdehnung der weiteren Armierung so übereinander angeordnet sind, dass der Steifen mit der geringsten Bruchdehnung den mit der nächstliegenden größeren Bruchdehnung berührend an dessen Außendurchmesser umschließt und der Streifen mit der größten Bruchdehnung außen am Druckbehälter, diesen umschließend, anliegt.
  • Es lassen sich so mehrere Lagen übereinander anwenden, die jeweils eine unterschiedliche Bruchdehnung aufweisen und deshalb für unterschiedliche Druckgrenzen empfindlich sind. Bevorzugt sollten die Lagen mit geringerer Bruchdehnung über denen mit höherer Bruchdehnung angebracht werden.
  • Wenn dann der Druckbehälter dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein elektrischer Leiter in wenigstens einen Streifen in Umfangsrichtung des Druckbehälters so eingebracht ist, dass der elektrische Leiter durch eine Dehnung des Behälters, die der Bruchdehnung dieses Streifens entspricht, durchtrennt wird, ist es vorteilhafterweise alternativ oder zusätzlich zur optischen Erkennung eines in der Lage aufgetretenen Risses als Anzeichen für eine erfolgte Überdruckbelastung des Druckbehälters auch möglich, durch die Messung des elektrischen Widerstands des Leiters, insbesondere durch Messung des elektrischen Stromflusses in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung, eine Beschädigung des Leiters und damit eine erfolgte Überdruckbelastung des Druckbehälters zu erkennen und nachzuweisen, ohne dass eine visuelle Inspektion dafür notwendig wäre. Da der Riss irreversibel ist, das heißt, auch wenn der Druckbehälter wieder entlastet wird, bleibt der Riss bestehen, ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, dass das elektrische bzw. elektronische Mess-System, das den Zustand des Leiters in der Lage überwacht, zum Zeitpunkt der Rissentstehung, also der Überdruckbelastung, aktiv sein muss bzw. aktiv gewesen sein muss. Es reicht aus, beispielsweise vor Fahrtantritt oder vor dem Betrieb eines Kraftstoffverbrauchers oder vor dem Betanken des Druckbehälters den Zustand des Leiters zu überprüfen.
  • Bevorzugt ist jede der Lagen durch mindestens einen Leiter ausgerüstet, dessen Zustand sehr einfach, wie oben beschrieben, überprüft werden kann.
  • Da beispielsweise bei Wasserstoffbehältern in Fahrzeugen durch Vorgabe der maximale Betriebsdruck das 1,25-fache des Nominaldrucks (auch Nominal Working Pressure = NWP genannt) beträgt, der Prüfdruck das 1,5-fache des Nominaldrucks und der Berstdruck das 2,25-fache des Nominaldrucks überschreiten muss, könnten zum Beispiel folgende Grenzwerte für die maximale Dehnung bis zum Bruch der einzelnen Lagen der weiteren Armierungen (von außen nach innen) gewählt werden: für eine Lage 1 am Außendurchmesser des Druckbehälters: Bruch bei p > 1,25 des NWP, für eine nächstfolgende Lage 2 nach innen: Bruch bei p > 1,5 des NWP und für eine darauffolgende Lage 3 nach innen: Bruch bei p > 2,0 des NWP.
  • Die entsprechenden Reaktionen des Fahrzeugsystems können auf die unterschiedlichen Überschreitungen unterschiedlich reagieren.
    So könnte beispielhaft bei einem Bruch von Lage 1 ein Hinweis erfolgen, dass der Tank beim nächsten Service überprüft werden muss. Bei einem Bruch von Lage 2 könnte eine Empfehlung an einen Fahrzeugführer lauten, dass der Behälter sofort aus dem Verkehr zu nehmen ist und weiter bei einem Bruch von Lage 3 könnte eine Warnung erfolgen, das Fahrzeug sofort zu evakuieren und einen sicheren Abstand einzuhalten bis Fachleute eine Überprüfung durchführen konnten.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter in einem Verfahrensschritt durch einen Prüfdruck belastet wird und in nachfolgenden Verfahrensschritten ein Aufbringen wenigstens des bzw. der Streifen vollzogen wird, die eine kleinere Bruchdehnung aufweisen als die Dehnung des Behälters, die durch den Prüfdruck entsteht.
  • 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 102013003207 A1 [0003]
    • DE 19751411 C1 [0004]
    • DE 102006043582 B3 [0005]

Claims (6)

  1. Zur Speicherung von Kraftstoff vorgesehener Druckbehälter, der so mit Faserverbundwerkstoff verstärkt ist, dass eine Armierung aus Fasern in Kunststoff eingebettet ist, die so dimensioniert ist, dass sie ausreicht, um die aus dem Betriebsdruck des Kraftstoffs in dem Druckbehälter resultierenden Kräfte aufzunehmen, wobei eine weitere Armierung, mit einer kleineren Bruchdehnung als diejenige der Armierung, auf der Armierung als weitere Schicht so angeordnet ist, dass eine einen definierten Betrag über dem Betriebsdruck des Kraftstoffs liegende resultierende Kraft in dem Druckbehälter die weitere Armierung detektierbar und/oder sichtbar zerstört, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Armierung wenigstens als ein geschlossener Streifen in Umfangsrichtung um den Druckbehälter gelegt ist.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen die Behälteroberfläche ohne Spiel umschließt.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen nicht mit der Behälteroberfläche verbunden ist.
  4. Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Streifen unterschiedlicher Bruchdehnung der weiteren Armierung so übereinander angeordnet sind, dass der Steifen mit der geringsten Bruchdehnung den mit der nächstliegenden größeren Bruchdehnung berührend an dessen Außendurchmesser umschließt und der Streifen mit der größten Bruchdehnung außen am Druckbehälter, diesen umschließend, anliegt.
  5. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Leiter in wenigstens einen Streifen in Umfangsrichtung des Druckbehälters so eingebracht ist, dass der elektrische Leiter durch eine Dehnung des Behälters, die der Bruchdehnung dieses Streifens entspricht, durchtrennt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter in einem Verfahrensschritt durch eine Prüfdruck belastet wird und in nachfolgenden Verfahrensschritten das Aufbringen wenigstens des bzw. der Streifen vollzogen wird, die eine kleinere Bruchdehnung aufweisen als die Dehnung des Behälters, die der Prüfdruck verursacht.
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