DE102021121433A1

DE102021121433A1 - Druckbehälter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102021121433A1
Application number: DE102021121433.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hindenlang; Hermann Finckh
Original assignee: Lasso Ingenieurgesellschaft Mbh; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Current assignee: Lasso Ingenieurgesellschaft Mbh; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (10) sowie ein Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters (10). Der Druckbehälter (10) wird insbesondere nach Art eines Baukastensystems aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Teilelementen (35) und zusätzlichen Randteilen (27) hergestellt. Jedes Teilelement (35) hat einen ersten Flächenabschnitt (38), einen zweiten Flächenabschnitt (39) und einen den ersten Flächenabschnitt (38) mit dem zweiten Flächenabschnitt (39) verbindenden Verbindungsabschnitt (40). Die Teilelemente (35) werden unter Verwendung von faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt. Unter Verwendung der ersten Flächenabschnitte (38) wird eine erste Wand (25) und unter Verwendung der zweiten Flächenabschnitte (39) wird eine zweite Wand (26) des Druckbehälters (10) gebildet. Die Verbindungsabschnitte (40) der Teilelemente (35) erstrecken sich somit zwischen der ersten Wand (25) und der zweiten Wand (26) mit Abstand und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander. Insbesondere erstrecken sich die Verbindungsabschnitte (40) in etwa rechtwinklig zur ersten Wand (25) und rechtwinklig zur zweiten Wand (26). Dadurch kann ein quaderförmiger bzw. prismatischer Druckbehälter (10) hergestellt werden, wobei die erste Wand (25) und die zweite Wand (26) dem Fluiddruck im Inneren aufgrund der Vielzahl von Verbindungsabschnitten (40) standhalten. Die Abmessungen des Druckbehälters (10) können sehr einfach durch die Anzahl und Größe der verwendeten Teilelemente (35) angepasst werden, so dass der Druckbehälter (10) flexibel und an den verfügbaren Bauraum angepasst werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter für unter Druck stehende Fluide, beispielsweise Wasserstoff, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger nimmt zu. Es ist daher von besonderer Bedeutung, einen für die Speicherung bzw. Lagerung von Wasserstoff geeigneten Drucktank oder Druckbehälter bereitzustellen.
Aus DE 10 2016 208 376 A1 ist ein Druckbehälter aus faserverstärktem Werkstoff bekannt. Der Druckbehälter hat einen rohrförmigen Teil, das an beiden Enden durch jeweils einen Deckel bzw. Boden verschlossen ist. Die sich gegenüberliegenden Böden können über einen Zugstab miteinander verbunden werden.
Ein weiterer Druckbehälter aus Faserverbundwerkstoff ist aus DE 10 2017 205 190 A1 bekannt. Der Druckbehälter hat eine zylindrische Gestalt.
In DE 10 2014 107 316 A1 wird ein Tanksystem zur kryogenen Lagerung von Wasserstoff in einem Flugzeug beschrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel werden mehrere im Querschnitt achteckige Druckbehälter zur Bildung einer Wabenstruktur verklebt oder verschweißt. Die Wabenstruktur kann als Tanksystem in einem Flügel eines Flugzeugs angeordnet werden.
EP 1 355 105 B1 schlägt vor, einen Druckbehälter aus einzelnen Druckzellen aufzubauen und die Zellen kraftschlüssig miteinander zu verbinden, beispielsweise mittels schwalbenschwanzförmiger Teilelemente.
Fluide, beispielsweise Wasserstoff, Erdgas, Synthesegas, Ethanol, usw., können als Energieträger zum Antreiben eines Motors in Fahrzeugen oder stationär zur Umwandlung in elektrische Leistung eingesetzt werden. Derartige Fluide sollen sicher und mit einer ausreichend hohen Energiedichte gespeichert werden können. Dafür kommen Druckbehälter zum Einsatz. Wegen des häufig hohen Drucks werden in der Regel zylindrische Druckbehälter verwendet, die dem Innendruck des darin unter Druck gelagerten Fluids besser standhalten als andere, beispielsweise prismatische Formen. Derartige zylindrische Behälter lassen sich allerdings nicht vorteilhaft in jeden verfügbaren Bauraum integrieren, insbesondere wenn der Druckbehälter in ein Fahrzeug (Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug) eingebaut werden soll. Die bisherigen Lösungen sind unbefriedigend.
Es kann daher als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, einen verbesserten Druckbehälter für ein unter Druck stehendes Fluid bereitzustellen, der einerseits eine ausreichende mechanische Stabilität bereitstellt und andererseits besser an einen verfügbaren Bauraum angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
Der erfindungsgemäße Druckbehälter ist zur Lagerung von unter Druck stehendem Fluid, insbesondere Wasserstoff, eingerichtet. Das Fluid kann in flüssiger und/oder gasförmiger Form im Druckbehälter gespeichert werden.
Der Druckbehälter hat eine erste Wand und eine der ersten Wand gegenüberliegende zweite Wand. Die erste Wand und die zweite Wand können sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken oder - zumindest leicht - voneinander weg gewölbt sein. Die erste und zweite Wand können an ihrem Rand durch eine polygonale Kontur bzw. Linie begrenzt oder eingefasst sein. Der Druckbehälter kann eine im Wesentlichen prismatische und beispielsweise quaderförmige Gestalt aufweisen. Wenn die erste Wand und die zweite Wand voneinander weg gewölbt sind, erhält der Druckbehälter eine bombierte Form, wobei die Querschnittsfläche zwischen der ersten und zweiten Wand polygonal (z.B. rechteckig) sein kann.
An den Seitenbereichen sind die erste Wand und die zweite Wand über wenigstens ein Randteil miteinander verbunden. Das wenigstens eine Randteil kann einen polygonalen und beispielsweise rechteckförmigen Rahmen bilden. Die erste Wand, die zweite Wand und das wenigstens eine Randteil bilden eine Hülle des Druckbehälters, die einen Fluidaufnahmeraum für das zu lagernde Fluid umgibt. An der Innenseite und/oder der Außenseite kann die Hülle erforderlichenfalls beschichtet sein, insbesondere um die Fluiddichtheit für das zu speichernde Fluid herzustellen. Diese Beschichtung kann beispielsweise ein sogenannter Liner sein. Die Beschichtung bzw. der Liner kann beispielsweise Polyamid und/oder Polyethylen und/oder Zink aufweisen bzw. daraus bestehen. Die Beschichtung kann in flüssiger Form aufgebracht werden und anschließend aushärten oder in Form einer Folie aufgebracht werden.
Der Druckbehälter hat mehrere Teilelemente. Jedes Teilelement hat einen ersten Flächenabschnitt, der Bestandteil der ersten Wand ist, einen zweiten Flächenabschnitt, der Bestandteil der zweiten Wand ist, sowie einen Verbindungsabschnitt, der den jeweiligen ersten Flächenabschnitt mit dem jeweiligen zweiten Flächenabschnitt verbindet. Jedes Teilelement ist vollständig oder zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt. Das faserverstärkte Verbundmaterial enthält wenigstens einen Verstärkungsfaserstrang, der in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist. Als Verstärkungsfasern können Kunststofffasern und/oder Naturfasern verwendet werden, beispielsweise Kohlenstofffasern und/oder Keramikfasern und/oder Glasfasern und/oder Basaltfasern. Die Kunststoffmatrix besteht insbesondere aus einem Duroplast. Zur Herstellung der Gasdichtheit kann auch jedes Teilelement individuell mit einer Beschichtung versehen werden, beispielsweise einem Liner. Insbesondere bei der Beschichtung der Teilelemente vor deren Verbindung kann auch eine Folie als Beschichtung aufgebracht werden. Als Liner kann beispielsweise eine Zinkfolie verwendet werden.
Der Verbindungsabschnitt weist wenigstens einen Abschnitt eines Verstärkungsfaserstrangs des faserverstärkten Verbundmaterials auf, der sich zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt durchgehend erstreckt. Der Verbindungsabschnitt kann säulenförmig oder stabförmig sein. Die Größe der Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts kann ausgehend von dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt zu einem mittleren Bereich zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt hin abnehmen. Alternativ dazu könnte der Verbindungsabschnitt auch eine konstante Querschnittsform aufweisen. Jedes Teilelement kann einen oder mehrere Verbindungsabschnitte aufweisen, die mit Abstand zueinander angeordnet sind und den ersten Flächenabschnitt und den zweiten Flächenabschnitt miteinander verbinden.
Die Teilelemente können als einzelne, individuelle Bausteine verwendet werden, um die erste Wand und die zweite Wand in der gewünschten Form und Größe aufzubauen. Dadurch, dass die Länge des wenigstens einen Verbindungsabschnitts jedes Teilelements variieren kann, lassen sich auch Formen der Hülle des Druckbehälters realisieren, die von einer im Wesentlichen quaderförmigen Gestalt abweichen und beispielsweise eine gewölbte erste Wand und/oder zweite Wand aufweisen. Die Druckstabilität der Hülle ist durch die Stabilität jedes einzelnen Teilelements gewährleistet, das zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt auftretende Zugkräfte durch den wenigstens einen Verbindungsabschnitt sehr gut aufnehmen und abstützen kann.
Die erste Wand und die zweite Wand können somit vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig durch die jeweiligen ersten Flächenabschnitte bzw. zweiten Flächenabschnitte aus faserverstärkten Verbundmaterial aufgebaut werden. Optional kann zwischen benachbarten ersten Flächenabschnitten und benachbarten zweiten Flächenabschnitten zusätzliches faserverstärktes Verbundmaterial oder Kunststoffmaterial zur lückenlosen Verbindung der jeweiligen Flächenabschnitte vorhanden sein. Insgesamt ergibt sich ein geringes spezifisches Gewicht der Hülle des Druckbehälters pro Quadratmeter der Wandfläche. Der Druckbehälter eignet sich daher sehr gut für den Einsatz in Fahrzeugen.
Durch die unmittelbar benachbarte Anordnung der mehreren Teilelemente und die Verbindung der ersten Flächenabschnitte zur Bildung der ersten Wand und der zweiten Flächenabschnitte zur Bildung der zweiten Wand, kann die Dimension der Hülle des Druckbehälters sehr einfach an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Durch die Variabilität bei der Dimensionierung und Formgebung des Druckbehälters kann dessen Gestalt sehr einfach an die verfügbaren Bauraumverhältnisse angepasst werden, was wiederum den Einsatz in einem Fahrzeug verbessert.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste Wand und die zweite Wand ausschließlich aus dem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt sind, aus dem die einzelnen Teilelemente bestehen.
Vorzugsweise hat jeder erste Flächenabschnitt und jeder zweite Flächenabschnitt jedes Teilelements eine Umfangskante, die zumindest abschnittsweise unmittelbar an der Umfangskante des ersten Flächenabschnitts bzw. des zweiten Flächenabschnitts eines benachbarten Teilelements anliegt. Dadurch lassen sich aus den ersten Flächenabschnitten die erste Wand und aus den zweiten Flächenabschnitten die zweite Wand in der Hülle des Druckbehälters sehr einfach aufbauen.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Umfangskanten des ersten Flächenabschnitts und des zweiten Flächenabschnitts jedes Teilelements eine identische Kontur aufweisen. Die Kontur der Umfangskanten kann zumindest abschnittsweise geradlinig sein und vorzugsweise eine Polygonform haben. Bei der Polygonform handelt es sich vorzugsweise um ein regelmäßiges Sechseck. Bei dieser Ausgestaltung lassen sich die erste Wand und die zweite Wand besonders vorteilhaft aus den einzelnen Teilelementen aufbauen.
Jedes Teilelement kann symmetrisch sein bezüglich einer Mittelebene, die sich mittig zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand durch Hülle des Druckbehälters erstreckt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten Flächenabschnitte der ersten Wand und die zweiten Flächenabschnitte der zweiten Wand konkav oder konvex. Die ersten Flächenabschnitte und die zweiten Flächenabschnitte können beispielsweise eine kelchförmige oder trichterförmige Gestalt haben und von außen auf die Hülle des Druckbehälters betrachtet eine Vertiefung bilden. Alternativ dazu, können sich die ersten Flächenabschnitte und die zweiten Flächenabschnitte auch nach außen vom Fluidaufnahmeraum weg wölben und kuppelförmig ausgebildet sein. In beiden Fällen können die derart konstruierten Teilelemente die Zugkräfte zwischen den beiden Wänden sehr gut abstützen.
Es ist vorteilhaft, wenn jedes Teilelement einen Verstärkungsfaserstrang aufweist, der sich ringförmig oder spiralförmig um die Erstreckungsrichtung des Verbindungsabschnitts erstreckt. Der ringförmige oder spiralförmige Verstärkungsfaserstrang kann sich beispielsweise in oder am ersten Flächenabschnitt der ersten Wand und/oder in oder am zweiten Flächenabschnitt der zweiten Wand erstrecken. Dadurch kann die Abstützung des Fluiddrucks im Fluidaufnahmeraum verbessert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Randteil konvex nach außen gewölbt ist, wodurch seine Druckstabilität verbessert ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Druckbehälter mehrere miteinander verbundene Randteile auf. Dabei kann es sich beispielsweise um Seitenteile und Eckteile handeln, wobei jedes Eckteil zwei Seitenteile verbindet. Die Anzahl der Eckteile und Seitenteile ist gleich groß. geradlinig erstreckende Wenigstens eines der Randteile, vorzugsweise eines der Eckteile, kann zur Befestigung des Druckbehälters an einer externen Struktur, beispielsweise an einer externen Struktur eines Fahrzeugs, ein Befestigungselement aufweisen. Das Randteil, das das Befestigungselement aufweist, kann aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Die anderen Randteile können beispielsweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt sein. Dabei kann es sich um dasselbe faserverstärkte Verbundmaterial handeln, aus denen auch die Teilelemente hergestellt sind.
Es ist vorteilhaft, wenn der Druckbehälter wenigstens eine Umwicklung aufweist, die die Hülle umgibt. Jede Umwicklung hat eine Wickelrichtung um eine Raumrichtung. Mehrere Umwicklungen können daher unterschiedliche Wickelrichtungen haben, so dass die Umwicklungen die Hülle jeweils gegen eine Verformung radial zur betreffenden Raumrichtung abstützen.
Irgendein vorstehend beschriebenes Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters kann Bestandteil eines Fahrzeugs sein. Beispielsweise kann der Druckbehälter in einem Flügel eines Flugzeugs oder im Unterboden eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Er kann dabei auch als lasttragendes Strukturbauteil des betreffenden Fahrzeugs eingesetzt werden.
Zur Herstellung des Druckbehälters wird erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden mehrere Teilelemente individuell aus dem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt, wobei jedes Teilelement jeweils einen ersten Flächenabschnitt, einen zweiten Flächenabschnitt und wenigstens einen den ersten Flächenabschnitt mit dem zweiten Flächenabschnitt verbindenden Verbindungsabschnitt aufweist. Zusätzlich zu den Teilelementen wird wenigstens ein Randteil bereitgestellt.
Die ersten Flächenabschnitte der Teilelemente werden zur Bildung der ersten Wand miteinander verbunden und die zweiten Flächenabschnitte der Teilelemente werden zur Bildung der zweiten Wand miteinander verbunden. Das wenigstens eine Randteil wird mit der ersten Wand und der zweiten Wand verbunden und bildet die Hülle des Druckbehälters, die einen Fluidaufnahmeraum begrenzt.
Im Anschluss daran kann, sofern erforderlich oder vorteilhaft, eine fluiddichte Beschichtung auf der Innenseite der Hülle angrenzend an den Fluidaufnahmeraum aufgebracht werden. Beispielsweise kann dazu flüssiges Beschichtungsmaterial in den Fluidaufnahmeraum eingefüllt werden und die Hülle von der Innenseite her benetzen. Anschließend kann die innen an der Hülle haftende Flüssigkeit aushärten und die fluiddichte Beschichtung bilden. Alternativ hierzu kann eine fluiddichte Beschichtung auch vor dem Verbinden der Teilelemente auf jedes Teilelement separat aufgebracht werden.
Zur Verbesserung der Stabilität des Druckbehälters kann die Hülle mit wenigstens einer Umwicklung umwickelt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Druckbehälters,
2 eine perspektivische Teildarstellung mehrerer miteinander verbundener Randteile des Druckbehälters aus 1,
3 eine perspektivische Teildarstellung einer Hülle des Druckbehälters aus 1,
4 eine perspektivische Teildarstellung mehrerer Umwicklungen sowie den jeweiligen Wicklungssinn jeder Umwicklung um die Hülle des Druckbehälters aus den 1 und 3,
5 eine schematische geschnittene Darstellung mehrerer Teilelemente zur Bildung einer ersten Wand und einer zweiten Wand der Hülle des Druckbehälters gemäß der 1 und 3,
6 eine schematische Draufsicht auf mehrere hexagonal konturierte Flächenabschnitte der Teilelemente aus 5,
7 eine perspektivische Teildarstellung der Anordnung von Verstärkungsfasersträngen eines Verbundmaterials zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Teilelements,
8 eine perspektivische Teildarstellung der Anordnung von Verstärkungsfasersträngen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Teilelements,
9 eine schematische Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs aufweisend einen Druckbehälter,
10 eine schematische Darstellung eines Flügels eines Flugzeugs aufweisend einen Druckbehälter.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters 10 in perspektivische Ansicht dargestellt. Der Druckbehälter 10 hat eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt. Eine Hülle 11 des Druckbehälters 10 (3) ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 von wenigstens einer Umwicklung 13, 14, 15 umwickelt, um die Druckstabilität des Druckbehälters 10 zu verbessern. Die wenigstens eine Umwicklung 13, 14, 15 ist optional und kann auch entfallen. Bei dem in 1 dargestellten Druckbehälter 10 sind mehrere Umwicklungen vorhanden, beispielsgemäß eine erste Umwicklung 13 und eine zweite Umwicklung 14. Zusätzlich kann noch eine dritte Umwicklung 15 vorhanden sein. Die Umwicklungen 13, 14, 15 haben jeweils einen Wicklungssinn w1, w2, w3. Der erste Wicklungssinn w1 der ersten Umwicklung 13 ist in Umfangsrichtung um eine erste Raumrichtung x orientiert, der zweite Wicklungssinn w2 der zweiten Umwicklung 14 ist in Umfangsrichtung um eine zweite Raumrichtung y orientiert und der dritte Wicklungssinn w3 der dritten Umwicklung 15 ist in Umfangsrichtung um eine dritte Raumrichtung z orientiert. Die Umwicklungen 13, 14, 15 und die jeweiligen Wicklungssinne w1, w2, w3 sind schematisch in 4 dargestellt.
Zur Herstellung der Umwicklung können zugstabile Fasern bzw. Fäden verwendet werden. Optional können die Umwicklungen 13, 14, 15 in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden, so dass nach dem Aushärten der Kunststoffmatrix ein Verbundmaterial gebildet ist. Die Umwicklungen 13, 14, 15 können den Druckbehälter 10 weiter festigen, insbesondere dann, wenn der Druckbehälter beispielsweise als tragendes Bauteil in ein Fahrzeug integriert werden soll, wie etwa ein Kraftfahrzeug 16 (Landfahrzeug), ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug. In 7 ist schematisch der Einbau des Druckbehälters 10 in den Unterboden eines Kraftfahrzeugs 16 dargestellt. 8 zeigt schematisch den Einbau eines Druckbehälters 10 in einen Flügel 17 eines Flugzeugs. In beiden Fällen kann der Druckbehälter 10 optional eine tragende Funktion erfüllen.
Die Hülle 11 des Druckbehälters 10 ist beim Ausführungsbeispiel durch eine erste Wand 25, eine der ersten Wand 25 gegenüberliegende zweite Wand 26 sowie wenigstens ein Randteil 27 gebildet. Das wenigstens eine Randteil 27 bildet einen nach Art eines Rings vollständig umlaufenden Rahmen und verbindet die Kante oder den Rand der ersten Wand 25 mit der zweiten Wand 26. Die erste Wand 25, die zweite Wand 26 und das wenigstens eine Randteil 27 begrenzen einen Fluidaufnahmeraum 28, in dem unter Druck stehendes Fluid bevorratet werden kann.
Beim Ausführungsbeispiel sind mehrere separate Randteile 27 vorhanden, die miteinander verbunden sind, um den Rahmen zu bilden, der mit den Rändern der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 verbunden ist. Die Randteile 27 können verschiedene Funktionen und/oder Geometrien aufweisen. Beispielsgemäß sind die einen Randteile 27 als sich geradlinig erstreckende Seitenteile 29 ausgebildet, während andere Randteile 27 Eckteile 30 bilden, die zwei Seitenteile 29 in einem Eckbereich der Hülle 11 bzw. des Druckbehälters 10 miteinander verbinden.
Die Seitenteile 29 sind beim Ausführungsbeispiel aus einem faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt und rinnenförmig ausgestaltet. Im Querschnitt können die Seitenteile 29 beispielsweise halbkreisförmig sein. Die konkave Seite der Seitenteile 29 ist dabei dem Fluidaufnahmeraum 28 zugewandt.
Die Eckteile 30 können durch jeweils einen Teil eines hohlen kugelförmigen oder kappenförmigen Körpers gebildet sein. Beispielsweise kann ein Eckteil 30 durch einen Kugelausschnitt einer Hohlkugel entsprechen (insbesondere Viertelkugel). Die Eckteile 30 können aus demselben oder einem anderen Material hergestellt sein wie die Seitenteile 29.
An wenigstens einem der Randteile 27 und insbesondere der Eckteile 30 ist beim Ausführungsbeispiel jeweils wenigstens ein Befestigungselement 31 vorhanden, um den Druckbehälter 10 mit einer externen Struktur zu verbinden. Die Anzahl und die Art der Befestigungselemente 31 kann variieren. Beim Ausführungsbeispiel ist jedes Befestigungselement 31 plattenförmig ausgestaltet und weist ein Durchgangsloch zur Befestigung auf.
Das wenigstens eine Randteil 27, das ein Befestigungselement 31 aufweist, besteht vorzugsweise aus einer Stahllegierung. Alle anderen Randteile 27 bestehen vorzugsweise aus einem Verbundmaterial.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 ausschließlich oder zumindest überwiegend aus einer Mehrzahl von individuellen Teilelementen 35, die jeweils einem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt sind. Vorzugsweise besteht jedes Teilelement 35 ausschließlich aus dem faserverstärkten Verbundmaterial. Das faserverstärkte Verbundmaterial hat mehrere Verstärkungsfaserstränge 36, die in eine Kunststoffmatrix 37, beispielsweise Harz, eingebettet sind. In 5 sind beispielhaft einige Verstärkungsfaserstränge 36 durch gestrichelte Linien im Kunststoffmaterial der Kunststoffmatrix 37 veranschaulicht, mit dem die Verstärkungsfaserstränge 36 getränkt und umhüllt sind. In den 7 und 8 sind Ausführungsbeispiele für die Anordnung und den Verlauf der mehreren Verstärkungsfaserstränge 36 dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Kunststoffmatrix 37 nicht gezeigt ist. Zur Gewichtseinsparung ist der Anteil des Kunststoffmaterials der Kunststoffmatrix 37 so klein wie möglich gewählt, so dass die Verstärkungsfaserstränge 36 ausreichend durchtränkt und umhüllt sind.
Zur Herstellung der Teilelemente 35 können Rovings verwendet werden. Die Rovings werden mittels eines Wickelverfahrens oder eines Flechtverfahrens in die gewünschte Form gebracht. Dabei können herkömmliche Wickelverfahren oder 3D-Wickelverfahren eingesetzt werden. Das Tränken der Rovings mit noch nicht ausgehärtetem, fließfähigen Kunststoff der Kunststoffmatrix kann z.B. während des Wickelns oder Flechtens oder alternativ im Anschluss daran erfolgen und mittels eines Formwerkzeugs in der gewünschten dreidimensionalen Gestalt gepresst bzw. kompaktiert werden. Alternativ dazu kann das Roving als Ausgangsmaterial bereits das Matrixmaterial (thermoplastische Fasern) enthalten, so dass ein Tränken entfallen kann.
Jedes Teilelement 35 weist einen ersten Flächenabschnitt 38 und einen zweiten Flächenabschnitt 39 auf. Der erste Flächenabschnitt 38 ist mit Abstand zum zweiten Flächenabschnitt 39 angeordnet. Der erste Flächenabschnitt 38 ist Bestandteil der ersten Wand 25 und der zweite Flächenabschnitt 39 ist Bestandteil der zweiten Wand 26 der Hülle 11. Ein Verbindungsabschnitt 40 des Teilelements 35 verbindet den ersten Flächenabschnitt 38 mit dem zweiten Flächenabschnitt 39. Vom ersten Flächenabschnitt 38 entlang des Verbindungsabschnitts 40 bis in den zweiten Flächenabschnitt 39 verläuft wenigstens ein Verstärkungsfaserstrang 36 und vorzugsweise mehrere Verstärkungsfaserstränge 36. Zugkräfte, die zwischen den beiden Flächenabschnitten 38, 39 jedes Verbindungsabschnitts 40 wirken, werden durch den wenigstens einen Verstärkungsfaserstrang 36 im Verbindungsabschnitt 40 aufgenommen und abgestützt. Dadurch kann einer Verformung der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 aufgrund eines Fluiddrucks im Fluidaufnahmeraum 28 entgegengewirkt werden.
Bei dem schematisch in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Teilelemente 35 ist jeweils ein vorzugsweise säulenförmiger oder stabförmiger zentraler Verbindungsabschnitt 40 vorhanden. Zusätzlich oder alternativ können weitere oder andere vorzugsweise säulenförmige oder stabförmige Verbindungsabschnitte 40 vorhanden sein, die jeweils den ersten Flächenabschnitt 38 mit dem zweiten Flächenabschnitt 39 verbinden. Beispielsweise zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 7 zusätzlich zu einem zentralen Verbindungsabschnitt 40 weitere seitliche Verbindungsabschnitte 40, die die Flächenabschnitte 38, 39 im Bereich einer Umfangskante 41 der Flächenabschnitte 38, 39 miteinander verbinden. Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere vorzugsweise säulenförmige oder stabförmige Verbindungsabschnitte 40 vorhanden, die die Umfangskanten 41 des ersten Flächenabschnitts 38 und des zweiten Flächenabschnitts 39 des Teilelements 35 miteinander verbinden und mit Abstand zueinander angeordnet sind. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß der 5 und 7 ist hier kein zentraler Verbindungsabschnitt 40 vorhanden.
Sämtliche Verbindungsabschnitte 40 eines Teilelements 35 können säulenförmig oder stabförmig sein und sich parallel zueinander erstrecken.
Der erste Flächenabschnitt 38 und der zweite Flächenabschnitt 39 können konkav (5 und 7) oder alternativ konvex (8) ausgebildet sein und gegenüber dem Bereich, in dem der jeweilige Flächenabschnitt 38, 39 die Umfangskante 41 aufweist, eine Vertiefung bilden ( 5 und 7) oder eine Erhebung bilden (8). Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 5 und 7 sind die Flächenabschnitte 38, 39 trichterförmig oder kelchförmig ausgebildet und erweitern sich nach außen zur Umfangskante 41 hin. Demgegenüber bilden die Flächenabschnitte 38, 39 bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel des Teilelements 35 eine kuppelförmige oder kalottenförmige Erhebung.
Der erste Flächenabschnitt 38 und der zweite Flächenabschnitt 39 jedes Teilelements 35 weisen vorzugsweise eine identische Größe und Kontur auf. Beim Ausführungsbeispiel hat die Umfangskante 41 jedes Flächenabschnitts 38, 39 wenigstens einen geradlinigen Abschnitt und ist vorzugsweise polygonal oder zumindest polygonähnlich mit mehreren geradlinigen Abschnitten ausgebildet. Wie es in 6 in einer schematischen Draufsicht auf die erste Wand 25 bzw. die zweite Wand 26 dargestellt ist, kann die Umfangskante 41 der ersten Flächenabschnitte 38 bzw. der zweiten Flächenabschnitte 39 ein regelmäßiges Polygon bilden und beispielsweise achteckig ausgebildet sein. Die ersten Flächenabschnitte 38 lassen sich dadurch sehr einfach miteinander verbinden, um die erste Wand 25 zu bilden. Analog hierzu können die zweiten Flächenabschnitte 39 sehr einfach miteinander verbunden werden, um die zweite Wand 26 zu bilden.
Sämtliche Teilelemente 35 der Hülle 11 können identisch ausgebildet sein. In Abwandlung hierzu ist es auch möglich, die Teilelemente 35 zumindest zum Teil voneinander verschieden auszuführen und beispielsweise Teilelemente 35 mit unterschiedlichen Größen und/oder Geometrien der Flächenabschnitte 38, 39 vorzusehen. Zum Beispiel können Teilelemente 35 vorhanden sein, bei denen die Umfangskante 41 des ersten Flächenabschnitts 38 und die Umfangskante 41 des zweiten Flächenabschnitts 39 in parallelen Ebenen oder in zueinander geneigten Ebenen angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ können der erste Flächenabschnitt 38 und der zweite Flächenabschnitt 39 unterschiedlich groß sein und/oder eine unterschiedliche Anzahl an Ecken und Kanten aufweisen.
Die Eckbereiche der polygonähnlichen Kontur der Umfangskanten 41 sind anders als in der schematischen Zeichnung dargestellt, vorzugsweise gekrümmt.
Somit können die erste Wand 25 und die zweite Wand 26 zumindest hauptsächlich aus den jeweiligen Flächenabschnitten 38 bzw. 39 der Teilelemente 35 aufgebaut werden. Die Größe und Umfangsform der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 können auf diese Weise beliebig angepasst werden, um einen Druckbehälter 10 zu bilden.
Wenn sämtliche Teilelemente 35 dieselbe Höhe (beispielsgemäß in der dritten Raumrichtung z) aufweisen, ist der Abstand der Umfangskanten 41 der ersten Flächenabschnitte 38 von den Umfangskanten 41 der zweiten Flächenabschnitte 39 gleich groß, so dass sich die erste Wand 25 parallel zur zweiten Wand 26 erstreckt, auch wenn die Flächenabschnitte 38, 39 selbst konkav oder konvex sein können.
Alternativ hierzu können die Höhen der einzelnen Teilelemente 35 (beispielsgemäß in der dritten Raumrichtung z) auch variieren, so dass gewölbte bzw. bombierte Formen der Hülle 11 hergestellt werden können, was sich beispielsweise für das Anordnen des Druckbehälters in einem Flügel 17 eines Flugzeugs eignet.
Wenn von der Erstreckung der Wände 25, 26 gesprochen wird (z.B. parallele Erstreckung oder bombierte Form) ist jeweils die virtuelle zweidimensionale Erstreckung gemeint, die durch die Lage der miteinander verbundenen Umfangskanten 41 der ersten Flächenabschnitte 38 in der ersten Wand 25 und die Lage miteinander verbundenen der Umfangskanten 41 der zweiten Flächenabschnitte 39 in der zweiten Wand 26 definiert ist. Eine virtuelle Fläche, die durch die Umfangskanten 41 sämtlicher erster Flächenabschnitte 38 der ersten Wand 25 verläuft, definiert die zweidimensionale Erstreckung der ersten Wand 25. Analog hierzu definiert eine virtuelle Fläche, die durch sämtliche Umfangskanten 41 der zweiten Flächenabschnitte 39 der zweiten Wand 26 verläuft, die zweidimensionale Erstreckung der zweiten Wand 26. Diese beiden virtuellen Flächen können parallel zueinander verlaufen, so dass die Hülle 11 eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt erhält. Die beiden virtuellen Flächen können auch voneinander weg gewölbt verlaufen, so dass die Hülle 11 des Druckbehälters 10 eine bombierte Form erhält.
Unmittelbar benachbarte Teilelemente 35 liegen beispielsgemäß an einem Abschnitt ihrer jeweiligen Umfangskante 41 des ersten Flächenabschnitts 38 und des zweiten Flächenabschnitts 39 aneinander an, wie es sich aus den 3, 5 und 6 ergibt. An diesen Kontaktstellen sind unmittelbar benachbarte Teilelemente 35 miteinander verbunden.
Wie es anhand der 7 und 8 zu erkennen ist, weist jedes Teilelement 35 beim Ausführungsbeispiel außerdem wenigstens einen sich kreisförmig und/oder spiralförmig um die Erstreckungsrichtung des wenigstens einen Verbindungsabschnitts 40 verlaufenden ringförmigen oder spiralförmigen Verstärkungsfaserstrang 45 auf. Der ringförmige oder spiralförmige Verstärkungsfaserstrang 45 kann im oder unmittelbar angrenzend an den ersten Flächenabschnitt 38 und/oder den zweiten Flächenabschnitt 39 jedes Teilelements 35 angeordnet sein. Dadurch werden Verformungen des ersten Flächenabschnitts 38 bzw. des zweiten Flächenabschnitts 39 durch den Fluiddruck im Fluidaufnahmeraum 28 reduziert bzw. vermieden.
In den 7 und 8 sind die Verstärkungsfaserstränge 36, 45 jedes Teilelements 35 nur teilweise dargestellt beispielsgemäß in einem Bereich im Anschluss an den ersten Flächenabschnitt 38 bis zu einer Mittelebene M. Der sich an den zweiten Flächenabschnitt 39 anschließende, nicht dargestellte Bereich ist vorzugsweise identisch ausgebildet. Beispielsgemäß sind die Teilelemente 35 symmetrisch zur Mittelebene M. Die Mittelebene M erstreckt sich mittig zwischen der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 durch die Hülle 11.
Die vorstehend beschriebenen Teilelemente 35, die Hülle 11 und der Druckbehälter 10 lassen sich wie folgt herstellen:
Zunächst werden mehrere Teilelemente 35 hergestellt und bereitgestellt. Beispielsweise können die Verstärkungsfaserstränge 36, 45 jedes Teilelements 35 aus sogenannten Rovings in einem 3D-Wickelverfahren gewickelt werden. Die Kunststoffmatrix 37 der Verstärkungsfaserstränge 36, 45 wird anschließend ausgehärtet, um die Teilelemente 35 zu bilden.
Zusätzlich zu den Teilelementen 35 werden ein Randteil 27 oder mehrere Randteile 27 und insbesondere mindestens vier Seitenteile 29 und vier Eckteile 30 bereitgestellt.
Die ersten Flächenabschnitte 38 der Teilelemente 35 werden zur Bildung der ersten Wand 25 miteinander verbunden. Analog hierzu werden die zweiten Flächenabschnitte 39 der Teilelemente 35 zur Bildung der zweiten Wand 26 miteinander verbunden. Etwaige vorhandene Lücken zwischen den ersten Flächenabschnitten 38 oder den zweiten Flächenabschnitten 39 können durch Kunststoffmaterial und/oder faserverstärktes Verbundmaterial geschlossen werden. Die Ränder der Wände 25, 26 werden dann mit den bereitgestellten Randteilen 27 verbunden, so dass die Hülle 11 entsteht, die den Fluidaufnahmeraum 28 umgibt. Der Verbindungsbereich der Randteile 27 ist dabei an die Geometrie der Umfangskanten 41 der Flächenabschnitte 38, 39 angepasst und kann entsprechende polygonale Vertiefungen und/oder Vorsprünge aufweisen (2).
Die Verbindung zwischen den Teilelementen 35 untereinander und zwischen den Teilelementen 35 und den Randteilen 27 kann mit einer geeigneten Verbindungsmethode erfolgen, insbesondere durch Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung und/oder durch Herstellen einer Haftverbindung.
Optional kann die hergestellte Hülle 11 auf ihrer Innenseite benachbart zum Fluidaufnahmeraum 28 mit einer zusätzlichen fluiddichten Beschichtung (sogenannter Liner) beschichtet werden. Die Beschichtung kann beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen und/oder Zink enthalten. Alternativ dazu ist es auch möglich, die den Fluidaufnahmeraum 28 zugewandten Flächen jedes Teilelements 35 während bzw. nach seiner Herstellung mit einer fluiddichten Beschichtung zu versehen. Bei dieser Verfahrensvariante kann die fluiddichte Beschichtung auch in Form eines festen Materials, wie etwa einer Folie, auf die einzelnen Teilelemente 35 aufgebracht werden. Nach dem Herstellen der Hülle 11 kann das Beschichtungsmaterial in flüssiger Form in den Fluidaufnahmeraum 28 eingebracht werden, um die Hülle 11 auf der Innenseite zu benetzen und dort zur Bildung der fluiddichten Beschichtung auszuhärten.
Eine weitere Option besteht darin, die Hülle 11 nach ihrer Herstellung mit wenigstens einer Umwicklung 13, 14, 15 zu versehen, um die mechanische Stabilität und die Fähigkeit des Druckbehälters 10, Kräfte abzustützen, zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters 10. Der Druckbehälter 10 wird insbesondere nach Art eines Baukastensystems aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Teilelementen 35 und zusätzlichen Randteilen 27 hergestellt. Jedes Teilelement 35 hat einen ersten Flächenabschnitt 38, einen zweiten Flächenabschnitt 39 und einen den ersten Flächenabschnitt 38 mit dem zweiten Flächenabschnitt 39 verbindenden Verbindungsabschnitt 40. Die Teilelemente 35 werden unter Verwendung von faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt. Unter Verwendung der ersten Flächenabschnitte 38 wird eine erste Wand 25 und unter Verwendung der zweiten Flächenabschnitte 39 wird eine zweite Wand 26 des Druckbehälters 10 gebildet. Die Verbindungsabschnitte 40 der Teilelemente 35 erstrecken sich somit zwischen der ersten Wand 25 und der zweiten Wand 26 mit Abstand und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander. Insbesondere erstrecken sich die Verbindungsabschnitte 40 in etwa rechtwinklig zur ersten Wand 25 und rechtwinklig zur zweiten Wand 26. Dadurch kann ein quaderförmiger bzw. prismatischer Druckbehälter 10 hergestellt werden, wobei die erste Wand 25 und die zweite Wand 26 dem Fluiddruck im Inneren aufgrund der Vielzahl von Verbindungsabschnitten 40 standhalten. Die Abmessungen des Druckbehälters 10 können sehr einfach durch die Anzahl und Größe der verwendeten Teilelemente 35 angepasst werden, so dass der Druckbehälter 10 flexibel und an den verfügbaren Bauraum angepasst werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Druckbehälter
11: Hülle
13: erste Umwicklung
14: zweite Umwicklung
15: dritte Umwicklung
16: Kraftfahrzeug
17: Flügel
25: erste Wand
26: zweite Wand
27: Randteil
28: Fluidaufnahmeraum
29: Seitenteil
30: Eckteil
31: Befestigungselement
35: Teilelement
36: Verstärkungsfaserstrang
37: Kunststoffmatrix
38: erster Flächenabschnitt
39: zweiter Flächenabschnitt
40: Verbindungsabschnitt
41: Umfangskante
45: ringförmiger oder spiralförmiger Verstärkungsfaserstrang
x: erste Raumrichtung
y: zweite Raumrichtung
z: dritte Raumrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016208376 A1 [0002]
DE 102017205190 A1 [0003]
DE 102014107316 A1 [0004]
EP 1355105 B1 [0005]

Claims

Druckbehälter (10) für ein unter Druck stehendes Fluid aufweisend: eine erste Wand (25) und eine der ersten Wand (25) gegenüberliegende zweite Wand (26), wenigstens ein Randteil (27), das die erste Wand (25) und die zweite Wand (26) verbindet, wobei die erste Wand (25), die zweite Wand (26) und das wenigstens eine Randteil (27) eine Hülle (11) des Druckbehälters (10) bilden, die einen Fluidaufnahmeraum (28) umgibt, mehrere Teilelemente (35), wobei jedes der Teilelemente (35) einen ersten Flächenabschnitt (38) der ersten Wand (25), einen zweiten Flächenabschnitt (39) der zweiten Wand (26) und wenigstens einen den ersten Flächenabschnitt (38) mit dem zweiten Flächenabschnitt (39) verbindenden Verbindungsabschnitt (40) aufweist, wobei der erste Flächenabschnitt (38), der zweite Flächenabschnitt (39) und der wenigstens eine Verbindungsabschnitt (40) aus einem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt sind.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die erste Wand (25) und die zweite Wand (26) ausschließlich aus dem faserverstärkten Verbundmaterial bestehen.
Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder erste Flächenabschnitt (38) und jeder zweite Flächenabschnitt (39) eine Umfangskante (41) aufweist, die zumindest abschnittsweise an einer Umfangskante (41) eines ersten Flächenabschnitts (38) bzw. zweiten Flächenabschnitts (39) eines benachbarten Teilelements (35) anliegt.
Druckbehälter nach Anspruch 3, wobei die Umfangskanten (41) des ersten Flächenabschnitts (38) und des zweiten Flächenabschnitts (39) eine identische Größe und Kontur haben.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Flächenabschnitte (38) der ersten Wand (25) und die zweiten Flächenabschnitte (39) der zweiten Wand (26) konkav oder konvex sind.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Teilelement (35) wenigstens einen Verstärkungsfaserstrang (36) aufweist, der sich ringförmig oder spiralförmig im oder am ersten Flächenabschnitt (38) der ersten Wand (25) und/oder im oder am zweiten Flächenabschnitt (39) der zweiten Wand (26) erstreckt.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Teilelement (35) mehrere parallel und mit Abstand zueinander verlaufende Verbindungsabschnitte (40) aufweist, die sich durch den Fluidaufnahmeraum (28) erstrecken.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Randteil (27) konvex nach außen gewölbt ist.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere miteinander verbundene Randteile (27) vorhanden sind und wobei wenigstens eines der Randteile (27) ein Befestigungselement (31) zur Befestigung des Druckbehälters (10) an einer externen Struktur aufweist.
Druckbehälter nach Anspruch 9, wobei das wenigstens eine Randteil (27), das das Befestigungselement (31) aufweist, aus einer Stahllegierung hergestellt ist und wobei die anderen Randteile (27) aus einem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt sind.
Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckbehälter (10) wenigstens eine Umwicklung (13, 14, 15) aufweist, mittels der die Hülle (11) umwickelt ist.
Fahrzeug (16) aufweisend einen Druckbehälter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (10) umfassend: - Herstellen mehrerer Teilelemente (35) aus faserverstärktem Verbundmaterial, wobei jedes der Teilelemente (35) einen ersten Flächenabschnitt (38), einen zweiten Flächenabschnitt (39) und wenigstens einen den ersten Flächenabschnitt (38) mit dem zweiten Flächenabschnitt (39) verbindenden Verbindungsabschnitt (40) aufweist, - Bereitstellen wenigstens eines Randteils (27), - Verbinden der ersten Flächenabschnitte (38) der Teilelemente (35) zur Bildung der ersten Wand (25) und Verbinden der zweiten Flächenabschnitte (39) der Teilelemente (35) zur Bildung der zweiten Wand (26), - Verbinden des wenigstens eines Randteils (27) mit der ersten Wand (25) und der zweiten Wand (26) zur Bildung einer Hülle (11), die einen Fluidaufnahmeraum (28) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Hülle (11) des Druckbehälters (10) angrenzend an den Fluidaufnahmeraum (28) mit einer fluiddichten Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Hülle (11) des Druckbehälters (10) mit wenigstens einer Umwicklung (13, 14, 15) umwickelt wird.