DE102019200285A1 - Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters, Druckgasbehälter, Verwendung desselben sowie Fahrzeug mit einem solchen Druckgasbehälter - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird u.a. ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters (3), welcher einen Liner (4) aus Metall sowie eine auf denselben aufgebrachte Ummantelung aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist. Das Verfahren zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Schritte aus:a) Bereitstellung eines vorgefertigten Liners (4) aus Metall,b) Bereitstellung zumindest einer vorgefertigten Manschette (9) aus faserverstärktem Kunststoff zur Ummantelung des Liners (4), wobei der Liner (4) und die zumindest eine Manschette (9) mit einer Übermaßpassung gefertigt sind, sowiec) kraftschlüssiges Verbinden des Liners (4) mit der zumindest einen Manschette (4) durch Kaltdehnen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 7 der Erfindung betrifft dieselbe des Weiteren die Verwendung des nach besagtem Verfahren hergestellten Druckgasbehälters. Gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 der Erfindung betrifft dieselbe ferner einen Druckgasbehälter. Gemäß Anspruch 9 der Erfindung betrifft dieselbe überdies auch ein Fahrzeug mit einem derartigen Druckgasbehälter.
  • Es ist allgemein bekannt, ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, unter hohem Druck in entsprechend ausgebildeten Druckgasbehältern zu speichern. Die Druckgasbehälter können z.B. aus Stahl oder Aluminium bestehen und eine flaschenförmige Gestalt aufweisen. Um das Gewicht besagter Druckgasbehälter zu minimieren, weisen diese einen sogenannten Liner aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, sowie eine Ummantelung aus einem faserverstärkten Kunststoff auf. Der Liner bildet hierbei einen zumindest behälterabschnittsweise rohrförmigen Hohlkörper, oft hohlzylindrischen Hohlkörper aus. Bei besagtem faserverstärkten Kunststoff handelt es sich bevorzugt um einen glasfaser-, kohlenstofffaser- oder aramidfaserverstärkten Kunststoff, insbesondere um einen faserverstärkten Duroplast. Die Ummantelung wird beispielsweise mittels Wickelmaschinen auf den Liner aufgebracht (vgl. Beschreibungseinleitung der DE 101 56 377 A1 ).
  • Demgegenüber offenbart die DE 101 56 377 A1 einen Druckgasbehälter, welcher aus einem zylindrischen Metallbehälter aus beispielsweise einer Aluminiumlegierung und einem vorgefertigten Mantelrohr, insbesondere Laminatrohr aus Kohlefaserlaminat, besteht. Im Besonderen ist hier vorgesehen, dass der besagte Metallbehälter in das Mantelrohr gebracht und mittels Gas- respektive Fluiddruck soweit verformt und aufgeweitet wird, dass eine kraftschlüssige und unlösbare Verbindung zwischen den Fügepartnern entsteht.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen, jedoch hoch belastbaren Druckgasbehälters anzugeben. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, eine vorteilhafte Verwendung des nach besagtem Verfahren hergestellten Druckgasbehälters anzugeben. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe derselben, einen leichtgewichtigen, jedoch hoch belastbaren Druckgasbehälter bereitzustellen. Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem derartigen Druckgasbehälter zur Verfügung zu stellen.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters, welcher einen Liner aus Metall sowie eine auf denselben aufgebrachte Ummantelung aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist, zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
    1. a) Bereitstellung eines vorgefertigten Liners aus Metall,
    2. b) Bereitstellung zumindest einer vorgefertigten Manschette aus faserverstärktem Kunststoff zur Ummantelung des Liners, wobei der Liner und die zumindest eine Manschette mit einer Übermaßpassung gefertigt sind, sowie
    3. c) kraftschlüssiges Verbinden des Liners mit der zumindest einen Manschette durch Kaltdehnen.
  • Unter besagtem Liner wird im Wesentlichen eine innere Auskleidung des Druckgasbehälters, vorliegend aus Metall, verstanden, auf welche die Ummantelung in Form der Manschette aufgebracht wird. Durch das kraftschlüssige Verbinden des Liners mit der zumindest einen Manschette durch Kaltdehnen ist im Hinblick auf den Stand der Technik vorteilhaft der maschinentechnische Aufwand zur Herstellung des Druckgasbehälters gemindert. Aufwendige Wickelvorrichtungen oder Presseinrichtungen sind entbehrlich, da vorliegend ausschließlich der Effekt des Wärmeschrumpfens des Liners durch Kühlung desselben mit dem sich anschließendes Dehnen des Liners infolge Erwärmung gegen die denselben ummantelnde Manschette genutzt wird. In der Folge ist ein Pressverband erzeugt, welcher in Anlehnung an einen an sich bekannten Frettage-Effekt bzw. Autofrettage-Effekt Druckeigenspannungen im Liner bewirkt, die sich positiv auf die Betriebsfestigkeit des Druckgasbehälters dahingehend auswirken, dass bei befülltem Druckgasbehälter die besagten Druckeigenspannungen im Liner vorzugsweise im Gleichgewicht mit sich aus der Befüllung mit Druckgas ergebenden Zugeigenspannungen in der Manschette stehen.
  • Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
  • So ist bevorzugt vorgesehen, dass im Hinblick auf den Schritt a) ein Liner bereitgestellt wird, welcher aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Hierdurch wird vorteilhaft eine hohe Werkstofffestigkeit mit einem geringen Gewicht kombiniert.
  • In Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass im Hinblick auf den Schritt a) ein Liner bereitgestellt wird, welcher zumindest einen Behälterabschnitt mit einem zylindrischen oder ovalen Rohrquerschnitt aufweist. Hierdurch ist eine funktionssichere Ummantelung des Liners mit der zumindest einen Manschette ermöglicht.
  • Im Hinblick auf den Schritt c) ist bevorzugt vorgesehen, dass der Liner derart kraftschlüssig durch Kaltdehnen mit der zumindest einen Manschette verbunden wird, dass zunächst der Liner durch Abkühlen geschrumpft wird, anschließend die zumindest eine Manschette auf den geschrumpften Liner aufgeschoben wird, und abschließend der Liner durch selbsttätige oder aktive Erwärmung auf Raum- oder Normaltemperatur gedehnt wird oder sich dehnt mit der Folge, dass der Liner gegen die Innenkontur der zumindest einen Manschette gepresst wird. Der Liner wird demnach soweit unter Raum- oder Normaltemperatur abgekühlt, dass sich ein ausreichend großes Schrumpfen des Liners respektive ein ausreichend großes Fügespiel für die Manschette ergibt. Zum Kühlen des Liners kann beispielsweise Flüssigstickstoff oder Trockeneis zur Anwendung kommen.
  • Wie bereits oben angedeutet, wird die zumindest eine Manschette bevorzugt auf den zumindest einen Behälterabschnitt des geschrumpften Liners mit dem zylindrischen oder ovalen Rohrquerschnitt aufgeschoben, um eine sichere Funktion der Manschette im Sinne des besagten Frettage-Effekts zu gewährleisten.
  • Verwendung findet der Druckgasbehälter, welcher mit einem Verfahren der vorbeschriebenen Art hergestellt ist, bevorzugt als Gastank für ein gasbetriebenes oder betreibbares Fahrzeug oder als Gastank zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere besagten Fahrzeugs. Bei besagtem Gas kann es sich beispielsweise um Wasserstoff, Methanol, Butan, Erdgas oder Biogas für eine Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs oder um ein geeignetes Gas, beispielsweise Wasserstoff, zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung eines Elektrofahrzeugs handeln, wobei besagte Brennstoffzellenvorrichtung das Gas in elektrische Energie wandelt.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Druckgasbehälter, welcher einen Liner aus Metall sowie eine auf denselben aufgebrachte Ummantelung bzw. Manschette aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ummantelung des Druckgasbehälters durch zumindest eine vorgefertigte Manschette aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist, welche mit dem Liner kraftschlüssig durch Kaltdehnen verbunden ist.
  • Hierdurch ist vorteilhaft der maschinentechnische Aufwand zur Herstellung des Druckgasbehälters gemindert und besonders vorteilhaft ein Pressverband erzeugt, welcher in Anlehnung an einen an sich bekannten Frettage-Effekt bzw. Autofrettage-Effekt Druckeigenspannungen im Liner bewirkt, die sich positiv auf die Betriebsfestigkeit des Druckgasbehälters auswirken.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, mit einem Druckgasbehälter der vorstehend beschriebenen Art.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
    • 1 äußerst schematisch ein Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter der erfindungsgemäßen Art,
    • 2 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des Druckgasbehälters nach 1, und
    • 3 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante des Druckgasbehälters nach 1.
  • 1 zeigt äußerst schematisch ein Fahrzeug 1 mit einer Antriebsmaschine 2 sowie mit einem Druckgasbehälter 3, welcher gasförmigen Kraftstoff für besagte Antriebsmaschine 2, vorliegend eine Verbrennungskraftmaschine, speichert bzw. zur Verfügung stellt. Bei besagtem gasförmigen Kraftstoff kann es sich beispielsweise um Wasserstoff, Methanol, Butan, Erdgas oder Biogas handeln. Mit erfasst ist auch eine Antriebsmaschine 2 in Form eines Elektromotors, wobei es sich in diesem Fall bei besagtem Druckgasbehälter 3 um vorzugsweise einen Wasserstofftank handelt, welcher Wasserstoff für eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Umwandlung des Wasserstoffs in elektrischen Strom speichert bzw. zur Verfügung stellt.
  • Wie aus 1 und insbesondere auch aus 2 weiter zu entnehmen ist, weist der Druckgasbehälter 3 einen Liner 4 auf, der bevorzugt aus Leichtmetall, weiter bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Der Liner 4 weist einen zentralen, ersten Behälterabschnitt 5 mit bevorzugt einem zylindrischen Rohrquerschnitt auf. Alternativ kann auch ein nicht zeichnerisch dargestellter, ovaler Rohrquerschnitt, insbesondere ein abgeflachter Rohrquerschnitt mit gerundeten Enden vorgesehen sein/werden (nicht zeichnerisch dargestellt).
  • Beidenends des besagten zentralen, ersten Behälterabschnitts 5 ist der rohrförmige Liner 4 mittels je eines kugelsegmentförmigen, zweiten und dritten Behälterabschnitts 6, 7 gasdicht verschlossen. Der kugelsegmentförmige, zweite Behälterabschnitt 6 weist einen nach Lineraußen gerichteten hohlzylindrischen, vierten Behälterabschnitt 8 auf oder bildet einen solchen aus. Der hohlzylindrische, vierte Behälterabschnitt 8 dient im Wesentlichen der Aufnahme einer nicht zeichnerisch dargestellten, an sich bekannten Armatur mit beispielsweise einem Absperrventil und einem Druckminderer.
  • Der Liner 4 kann mehrteilig ausgebildet sein, indem die einzelnen Behälterabschnitte 5 bis 8 durch insbesondere Schweißen untereinander gefügt sind. Alternativ kann der Liner 4 auch zumindest teilweise aus einem einzigen Ausgangsteil durch z.B. Innenhochdruck-Umformen hergestellt sein.
  • Wie den 1 und 2 weiter zu entnehmen ist, ist auf dem zentralen, ersten Behälterabschnitt 5 des Liners 4 eine denselben ummantelnde, rohrförmige Manschette 9 angebracht. Die Manschette 9 besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei bevorzugt sogenannte Endlosfasern Verwendung finden, die in Umfangsrichtung der Manschette 9 orientiert sind. Bei besagten Verstärkungsfasern handelt es sich vorzugsweise um Kohlenstoff-, Aramid- und/oder Glasfasern. Die Manschette 9 ist weiter bevorzugt bedarfsgerecht von einer vorgefertigten rohrförmigen Meterware abgelängt.
  • Die Manschette 9 ist mit dem Liner 4 bzw. dessen ersten Behälterabschnitt 5 kraftschlüssig verbunden und zwar durch Kaltdehnen, welches in Praxis gelegentlich auch als Kaltschrumpfen bezeichnet wird. Im Wesentlichen wird hierunter verstanden, dass auf ein abgekühltes Innenteil ein Außenteil aufgeschoben wird, welches nach Erwärmung des Innenteils sich mit dem Außenteil kraftschlüssig verbindet, sozusagen eine Pressverbindung eingeht.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden demnach zunächst ein vorgefertigter Liner 4 und eine vorgefertigte Manschette 9 bereitgestellt. Der Liner 4 und die Manschette 9 sind an sich mit Übermaßpassung gefertigt, welche üblicherweise im Mikrometerbereich liegt.
  • In Durchführung des Verfahrens wird der Liner 4 einer Kühlung unterzogen. In der Folge schrumpft der Liner 4. Aufgrund des sich nunmehr ergebenden Fügespiels besteht die Möglichkeit, die vorbereitete rohrförmige Manschette 9 auf den zentralen, ersten Behälterabschnitt 5 des Liners 4 aufzuschieben.
  • Erwärmt sich nachfolgend der Liner 4 selbsttätig auf Raum- oder Normaltemperatur oder wird dieser aktiv auf Raum- oder Normaltemperatur erwärmt, erfährt derselbe eine Dehnung dahingehend, dass dieser gegen die Innenkontur der Manschette 9 gepresst wird. Wie bereits oben dargetan, ist hierdurch vorteilhaft ein Pressverband erzeugt, welcher in Anlehnung an einen an sich bekannten Frettage-Effekt bzw. Autofrettage-Effekt (thermische Autofrettage) Druckeigenspannungen im Liner 4 bewirkt, die sich positiv auf die Betriebsfestigkeit des Druckgasbehälters 3 auswirken.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 3 unterscheidet sich zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass statt einer einzigen, vorliegend langgestreckten, rohrförmigen und den gesamten zentralen, ersten Behälterabschnitt 5 des Liners 4 abdeckenden Manschette 9 mehrere ringförmige Manschetten 9, d.h., Manschetten 9 mit weit geringerer Längserstreckung als die vorbeschriebene Verwendung finden. Darüber hinaus sind die Mehrzahl, vorliegend sechs ringförmigen Manschetten 9 in Achsrichtung des Druckgasbehälters 3 gesehen mit Abstand zueinander angeordnet.
  • Vorteilhaft resultieren hieraus insbesondere Material- und Gewichtseinsparungen. Diese basieren auf der Vergleichmäßigung des mechanischen Spannungszustandes im Betrieb des Druckgasbehälters 3. Es ist vorteilhaft eine Reduzierung von Spannungsspitzen am Übergang von der betreffenden Manschette 9 zum jeweils benachbarten Bereich des ersten Behälterabschnitts 5 bzw. des zweiten und dritten Behälterabschnitts 6, 7 zu verzeichnen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    Antriebsmaschine
    3
    Druckgasbehälter
    4
    Liner
    5
    erster Behälterabschnitt (Liner 4)
    6
    zweiter Behälterabschnitt (Liner 4)
    7
    dritter Behälterabschnitt (Liner 4)
    8
    vierter Behälterabschnitt (Liner 4)
    9
    Manschette
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10156377 A1 [0002, 0003]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckgasbehälters (3), welcher einen Liner (4) aus Metall sowie eine auf denselben aufgebrachte Ummantelung aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellung eines vorgefertigten Liners (4) aus Metall, b) Bereitstellung zumindest einer vorgefertigten Manschette (9) aus faserverstärktem Kunststoff zur Ummantelung des Liners (4), wobei der Liner (4) und die zumindest eine Manschette (9) mit einer Übermaßpassung gefertigt sind, sowie c) kraftschlüssiges Verbinden des Liners (4) mit der zumindest einen Manschette (4) durch Kaltdehnen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt a) ein Liner (4) bereitgestellt wird, welcher aus einem Leichtmetall besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt a) ein Liner (4) bereitgestellt wird, welcher zumindest einen Behälterabschnitt (5) mit einem zylindrischen oder ovalen Rohrquerschnitt aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt c) der Liner (4) derart kraftschlüssig durch Kaltdehnen mit der zumindest einen Manschette (9) verbunden wird, dass zunächst der Liner (4) durch Abkühlen geschrumpft wird, anschließend die zumindest eine Manschette (9) auf den geschrumpften Liner (4) aufgeschoben wird, und abschließend der Liner (4) durch selbsttätige oder aktive Erwärmung auf Raum- oder Normaltemperatur gedehnt wird oder sich dehnt mit der Folge, dass der Liner (4) gegen die Innenkontur der zumindest einen Manschette (9) gepresst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Liner (4) mittels Flüssigstickstoff oder Trockeneis abgekühlt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Manschette (9) auf den zumindest einen Behälterabschnitt (5) des Liners (4) mit dem zylindrischen oder ovalen Rohrquerschnitt aufgeschoben wird.
  7. Verwendung eines Druckgasbehälters (3), welcher mit einem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, als Gastank für ein gasbetriebenes oder betreibbares Fahrzeug (1) oder als Gastank zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere besagten Fahrzeugs (1).
  8. Druckgasbehälter (3), welcher einen Liner (4) aus Metall sowie eine auf denselben aufgebrachte Ummantelung aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung durch zumindest eine vorgefertigte Manschette (9) aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist, welche mit dem Liner (4) kraftschlüssig durch Kaltdehnen verbunden ist.
  9. Fahrzeug (1), mit einem Druckgasbehälter (3) nach Anspruch 8.
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