DE102018222316A1 - Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug und hiermit hergestellter Drucktank - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug und hiermit hergestellter Drucktank Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks (10) zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten:- Bereitstellen eines Liners (20), der einen zylindrischen Abschnitt (21) und zwei Kuppelabschnitte (22) aufweist;- Abdecken beider Kuppelabschnitte (22) durch Aufsetzen jeweils eines Deckels (40), wobei die Deckel (40) jeweils eine mit Umfangsnuten (42) ausgebildete Außenumfangsfläche (41) aufweisen;- Aufbringen einer Faserummantelung (30) auf den Liner (20) durch Umwickeln mit einem Faserband, welches auch auf den mit Umfangsnuten (42) ausgebildeten Außenumfangsflächen (41) der Deckel (40) abgelegt wird.Die Erfindung betrifft ferner einen verfahrensgemäß hergestellten Drucktank.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner einen erfindungsgemäß hergestellten Drucktank.
  • Drucktanks der hier betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von Brennstoff, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für einen Brennstoffzellenantrieb oder zur Speicherung von Gas für einen Gasantrieb, verwendet. Solche Drucktanks sollen einerseits stabil sein, um den hohen Innendrücken (bis zu 750 bar und mehr) standzuhalten und gegebenenfalls auch Kräfte und Momente im Kraftfahrzeug zu übertragen, und sollen andererseits leicht sein.
  • Um diesen mitunter widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, sind aus dem Stand der Technik Druckstanks bekannt, die einen sogenannten Liner (Innenhülle) und mindestens eine außen auf dem Liner aufgebrachte faserverstärkte Materialschicht (Faserummantelung) aufweisen. Ein solcher Liner ist zumeist aus Kunststoff (z. B. Polyethylen oder Polyamid) oder Metall (z. B. Aluminium) gefertigt und ist typischerweise mit einem mittleren zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Abschnitt sowie zwei endseitigen Kuppelabschnitten, die auch als Dombereiche (oder nur als Dome) bezeichnet werden, ausgebildet. Die Kuppelabschnitte können Öffnungen aufweisen, in denen Mundstücke (die auch als Bosse bezeichnet werden) für den Drucktankanschluss (z. B. mittels Adapter, Ventil, Schlauch, Rohr u. Ä.) angeordnet sind. Die Faserummantelung wird meistens durch ein Wickelverfahren erzeugt, wobei mit einer Wickelmaschine ein harzgetränktes oder harzimprägniertes Faserband oder dergleichen auf den Liner aufgebracht wird. Dabei können die Mundstücke mit eingewickelt werden. Das Umwickeln des Liners mit einem Faserband erweist sich jedoch insbesondere an den Kuppelabschnitten als schwierig.
  • Zum Stand der Technik wird auf die Patentschriften DE 10 2014 215 718 A1 , DE 10 2017 107 110 A1 und US 2015/0192251 A1 verwiesen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 wird nun ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks vorgestellt, das eine vereinfachte Herstellung ermöglicht. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drucktank. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug weist folgende Schritte auf:
    • - Bereitstellen eines Liners, der einen zylindrischen Abschnitt und zwei Kuppelabschnitte aufweist, d. h., der Liner beinhaltet einen zylindrischen Abschnitt und zwei Kuppelabschnitte, die mit jeweiligen Enden des zylindrischen Abschnitts verbunden sind;
    • - Abdecken beider Kuppelabschnitte durch Aufsetzen (von außen) jeweils eines Deckels, wobei die Deckel jeweils eine mit Umfangsnuten ausgebildete Außenumfangsfläche aufweisen und vorzugsweise so beschaffen bzw. gestaltet sind, dass diese Außenumfangflächen nach dem Aufsetzen bis in den zylindrischen Abschnitt des Liners hineinreichen und insbesondere dort (d. h. in einem axialen Überdeckungsbereich) die Umfangsnuten angeordnet sind;
    • - Aufbringen einer Faserummantelung auf den Liner durch Umwickeln mit einem Faserband oder dergleichen, welches (dabei) auch auf die mit Umfangsnuten ausgebildeten Außenumfangsflächen der Deckel abgelegt wird.
  • Unter einem Faserband wird ein schnur- oder bandartiges Halbzeug mit endlosen Verstärkungsfasern, insbesondere Glas-, Basalt- oder Kohlenstofffasern, verstanden. Für das Umwickeln kann ein nasses, zuvor mit (duroplastischem) Harz getränktes Faserband verwendet werden. Für das Umwickeln kann auch ein trockenes Faserband verwendet werden, dass nach dem Umwickeln mit (duroplastischem) Harz getränkt wird (bspw. in einem Injektionsprozess). Ferner kann ein vorimprägniertes Faserband (das mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix vorimprägniert ist) oder auch ein thermoplastisches Faserband (das bereits eine thermoplastische Kunststoffmatrix aufweist) verwendet werden. Durch Aushärten oder Abkühlen ergibt sich dann die Faserummantelung, wobei es sich genau genommen um eine Faser-Kunststoff-Ummantelung handelt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vor dem Umwickeln die Kuppelabschnitte, insbesondere vollständig, mit jeweils einem hut- bzw. haubenartigen Deckel abgedeckt. Bevorzugt sind die verwendeten Deckel an die Außenform der Kuppelabschnitte des Liners angepasst und sind vorzugsweise einstückig aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff (z. B. SMC), oder aus Metall (z. B. Aluminium oder Magnesium) gefertigt. Vorzugsweise handelt es sich um Spritzguss- oder Druckgussteile.
  • Die in den zylindrischen Abschnitt des Liners hineinreichenden Bereiche der Deckel werden beim Umwickeln mit umwickelt bzw. eingewickelt, wobei sich zwischen der erzeugten Faserummantelung und den Umfangsnuten ein Formschluss ausbildet, wodurch die Deckel in axialer Richtung (Axialrichtung) festgehalten bzw. fixiert sind. Außerdem können die Deckel bereits beim Aufsetzen auf die Kuppelabschnitte mit dem Liner verklebt, verschraubt und/oder verpresst werden, sodass sich je nach dem eine Klebeverbindung, Schraubverbindung und/oder Pressverbindung (Klemmverbindung) zwischen den Deckeln und dem Liner ergibt. Der Liner und die Deckel können mit korrespondierenden Gewindeabschnitten ausgebildet sein, die insbesondere ein flaschenverschlussartiges Versschrauben des Deckels mit dem Liner ermöglichen. Der Liner und/oder die Deckel können auch metallische Gewindeeinsätze aufweisen.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass beim Umwickeln des Liners nur sogenannte Umfangswicklungen erzeugt werden (hoop winding), die insbesondere nur im zylindrischen Abschnitt abgelegt werden. Die Umfangswicklungen können mit einem Winkel zwischen -45° bis +45° zur axialen Richtung des Drucktanks abgelegt werden und werden/sind bevorzugt in einem Winkel von 90° oder im Wesentlichen 90° zur axialen Richtung des Drucktanks abgelegt. Ein schraubenförmiges Umwickeln (helical winding), mit dem die Kuppelabschnitte abgedeckt werden (wie bspw. in der US 2015/0192251 A1 gezeigt; siehe Figure 3A), kann somit entfallen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, dass die verstärkende Faserummantelung nur im zylindrischen Abschnitt des Liners aufgebracht wird/ist und die Kuppelabschnitte durch die Deckel verstärkt werden/sind. Die Herstellung des Drucktanks wird dadurch erheblich vereinfacht.
  • Die Deckel können in axialer Richtung des Drucktanks konvex nach außen oder aber auch konkav nach innen gewölbt sein, wie nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
  • In wenigstens einem Kuppelabschnitt des Liners kann ein Mundstück (Boss) angeordnet sein. (Der Liner kann mit einem oder zwei Mundstücken als ein Bauteil vorgefertigt sein.) Der auf diesem Kuppelabschnitt aufzusetzende Deckel kann dann mit einer komplementären, insbesondere zentral angeordneten, Öffnung bzw. Bohrung für das Mundstück ausgebildet sein, sodass der Deckel über das Mundstück geschoben werden kann bzw. das Mundstück den Deckel durchragen kann. Gleichzeitig kann auch eine Befestigung des Deckels am Mundstück erfolgen, insbesondere eine Schraubbefestigung, wozu das Mundstück und/oder die Öffnung des Deckels mit einem Gewindeabschnitt ausgebildet sein können.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine erste Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
    • 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine zweite Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Drucktanks 10 (Rohrspeicher), wobei analog zur Darstellung in der DE 10 2014 215 718 A nur eine Hälfte der Anschlussseite dargestellt ist. Der Drucktank 10 weist einen vorzugsweise einstückig aus Kunststoff oder Metall gefertigten Liner 20 auf, mit einem zylindrischen Abschnitt 21 und zwei Kuppelabschnitten 22, wobei nur einer dieser Kuppelabschnitte 22 gezeigt ist.
  • Im zylindrischen Abschnitt 21 ist der Liner 20 mit einer umfangsgewickelten Faserummantelung 30 verstärkt. Der Kuppelabschnitt 22 ist durch einen aufgesetzten Deckel 40 abgedeckt und dadurch verstärkt. Der hut- bzw. haubenartige Deckel 40 weist eine Umfangswandung auf, die bis in den zylindrischen Abschnitt 21 des Liners 20 hineinreicht, sodass zwischen dem zylindrischen Abschnitt 21 des Liners 20 und dem Deckel 40 eine axiale Überdeckung besteht, die bspw. wenigstens 20 mm betragen kann. Die Umfangswandung des Deckels 40 weist eine Außenumfangsfläche 41 mit mehreren Umfangsnuten 42 auf. Die Faserummantelung 30 erstreckt sich auch auf diese Außenumfangsfläche 41 des Deckels 40, wobei zwischen der Faserummantelung 30 und den Umfangsnuten 42 ein Formschluss besteht, durch den der Deckel 40 in axialer Richtung des Drucktanks 10 festgehalten bzw. fixiert ist. Der Deckel 40 kann zudem mit dem Liner 20 verklebt, verschraubt und/oder verpresst sein.
  • Im Kuppelabschnitt 22 ist ein Mundstück (Boss) 50 zur Aufnahme eines Ventils o. Ä. angeordnet, das eine zentrale (konzentrische) Öffnung 43 im Deckel 40 durchragt. Anders als bei dem aus der DE 10 2014 215 718 A vorbekannten Hochdruckgasbehälter erstreckt sich die Faserummantelung 30 nicht bis zu dem Mundstück 50, sondern befindet sich nur im zylindrischen Abschnitt 21. Dadurch wird die Herstellung des Drucktanks 10 deutlich vereinfacht. Durch den Deckel 40 ergibt sich zudem eine verbesserte Stabilität des Drucktanks 10 im Kuppelabschnitt 22.
  • Die andere Seite bzw. das andere axiale Ende des Drucktanks 10 ist bevorzugt identisch aufgebaut, wobei dort auch ein verschlossenes Mundstück (Blindboss) eingesetzt sein kann.
  • Zur Herstellung des Drucktanks 10 wird jeweils ein Deckel 40 auf die Kuppelabschnitte 22 des vorgefertigten und bereits mit einem oder zwei Mundstücken 50 bestückten Liners 20 aufgesetzt und bevorzugt auch mit dem Liner 20 verklebt, verschraubt und/oder verpresst. In dem gekennzeichneten Umfangsbereich 60 können die Außenumfangfläche des Liners 20 und die Innenumfangsflächen der Deckel 40 mit Gewindeabschnitten, insbesondere in Form metallischer Gewindeeinsätze, ausgebildet sein, die ein flaschenverschlussartiges Versschrauben der Deckel 40 mit dem Liner 20 ermöglichen. Prinzipiell kann wenigstens einer der Deckel 40 auch mit seiner Deckelöffnung 43 am Mundstücken 50 festgeschraubt werden.
  • Anschließend wird der Liner 20 zusammen mit den aufgesetzten Deckeln 40 mit einem Faserband umwickelt (wie obenstehend ausführlich erläutert), wodurch im zylindrischen Abschnitt 21 die Faserummantelung 30, die sich auch auf die Außenumfangsflächen 41 der Deckel 40 erstreckt, gebildet wird. Gegebenenfalls ist noch ein Aushärten erforderlich.
  • Bei der in 1 gezeigten Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist der Deckel 40 in axialer Richtung des Drucktanks 10 konvex nach außen gewölbt. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist der Deckel 40 in axialer Richtung des Drucktanks 10 konkav nach innen gewölbt, wodurch ein im Mundstück 50 angeordnetes Ventil o. Ä. geschützt ist und sich gegebenenfalls auch eine verbesserte Druckstabilität ergibt.
  • 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 102014215718 A1 [0004]
    • DE 102017107110 A1 [0004]
    • US 2015/0192251 A1 [0004, 0010]
    • DE 102014215718 A [0014, 0016]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks (10) zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Liners (20), der einen zylindrischen Abschnitt (21) und zwei Kuppelabschnitte (22) aufweist; - Abdecken beider Kuppelabschnitte (22) durch Aufsetzen jeweils eines Deckels (40), wobei die Deckel (40) jeweils eine mit Umfangsnuten (42) ausgebildete Außenumfangsfläche (41) aufweisen; - Aufbringen einer Faserummantelung (30) auf den Liner (20) durch Umwickeln mit einem Faserband, welches auch auf den mit Umfangsnuten (42) ausgebildeten Außenumfangsflächen (41) der Deckel (40) abgelegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umwickeln des Liners (20) nur Umfangswicklungen erzeugt werden, die insbesondere nur im zylindrischen Abschnitt (21) des Liners (20) abgelegt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) mit dem Liner (20) verklebt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) mit dem Liner (20) verschraubt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) und/oder der Liner (20) metallische Gewindeeinsätzen aufweisen.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) mit dem Liner (20) verpresst werden.
  7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) in axialer Richtung konvex nach außen gewölbt sind.
  8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (40) in axialer Richtung konkav nach innen gewölbt sind.
  9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Kuppelabschnitte (22) des Liners (20) ein Mundstück (50) angeordnet ist und der auf diesem Kuppelabschnitt (22) aufzusetzende Deckel (40) eine komplementäre Öffnung (43) für das Mundstück (50) aufweist.
  10. Drucktank (10) zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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