-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucktank, welcher dazu eingerichtet ist, ein unter Druck stehendes Fluid zu speichern.
-
Drucktanks zur Speicherung von unter Druck stehenden Fluiden, wie beispielsweise Brennstoffen oder Gasen, sind seit vielen Jahren weit verbreitet. Gerade im Zuge der alternativen Brennstoffe, wie Wasserstoff, zum Antrieb von Fahrzeugen steigen die Anforderungen an Drucktanks im Hinblick auf deren Gewicht, Sicherheit und Herstellungskosten. Bekannte Drucktanks erreichen eine ausreichende Sicherheit meist nur durch aufwändige Verstärkungen, welche signifikant das Gewicht und die Kosten eines solchen Drucktanks erhöhen.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucktank bereitzustellen, welcher besser an die steigenden Anforderungen angepasst ist und insbesondere einen Materialeinsatz reduzieren kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucktank gelöst, welcher dazu eingerichtet ist, ein unter Druck stehendes Fluid zu speichern, umfassend einen Liner, welcher einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt und an dessen axialen Enden jeweils eine Abschlusskappe umfasst, wobei durch den zylindrischen Abschnitt eine Mittelachse definiert ist, wobei ein Schnittpunkt der Mittelachse mit einer jeweiligen Abschlusskappe einen Pol der Abschlusskappe definiert, wobei an der Außenseite des Liners eine erste Mehrzahl von Faserbändern angeordnet ist, welche entlang einer Umfangsrichtung des Liners derart relativ zueinander angeordnet sind, dass einander benachbarte Faserbänder an einer im Wesentlichen gleichen longitudinalen Startposition beginnen, einem gleichen Drehsinn in Bezug auf die Umfangsrichtung des Liners und unter einem im Wesentlichen gleichen Winkel in Bezug auf die longitudinale Richtung des Liners folgen und an einer im Wesentlichen gleichen longitudinalen Endposition enden, wobei die jeweilige Endposition näher zu einem der ersten Mehrzahl von Faserbändern zugeordneten Pol liegt als die jeweilige Startposition, wobei an der Außenseite der ersten Mehrzahl von Faserbändern eine zweite Mehrzahl von Faserbändern angeordnet ist, welche entlang einer Umfangsrichtung des Liners derart relativ zueinander angeordnet sind, dass einander benachbarte Faserbänder an einer im Wesentlichen gleichen longitudinalen Startposition beginnen, einem gleichen Drehsinn in Bezug auf die Umfangsrichtung des Liners und unter einem im Wesentlichen gleichen Winkel in Bezug auf die longitudinale Richtung des Liners folgen und an einer im Wesentlichen gleichen longitudinalen Endposition enden, wobei die jeweilige Endposition näher zu dem der ersten Mehrzahl von Faserbändern zugeordneten Pol liegt als die jeweilige Startposition, wobei sich die erste Mehrzahl von Faserbändern und die zweite Mehrzahl von Faserbändern zumindest teilweise überlappen, und wobei der Drehsinn, welchem die erste Mehrzahl von Faserbändern folgt, zu dem Drehsinn, welchem die zweite Mehrzahl von Faserbändern folgt, entgegengesetzt ist.
-
Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der „zugeordnete Pol“ denjenigen Pol beschreiben soll, welcher zu jeweils betrachteten Faserbändern näher angeordnet ist. Ferner soll die „longitudinale Richtung“ eine Richtung an dem Drucktank beschreiben, welche sich parallel zu der Mittelachse des Liners erstreckt. Der Winkel, unter welchem die Faserbänder in Bezug auf die longitudinale Richtung des Liners an diesem aufgebracht sind, kann insbesondere von 0° und/oder von 90° verschieden sein. Der Ausdruck „zumindest teilweise überlappen“ soll derart verstanden werden, dass ein erstes Faserband an seiner äußeren Hauptfläche von einem zweiten Faserband überdeckt wird, insbesondere ohne dass eine Durchdringung zwischen den beiden Faserbändern und/oder ohne dass eine Verflechtung zwischen benachbarten Faserbändern stattfindet. In anderen Worten kann die erste Mehrzahl von Faserbändern, gegebenenfalls mit Ausnahme von Überlappungsbereichen von benachbarten Faserbändern der ersten Mehrzahl von Faserbändern, in einer Richtung entlang einer jeweiligen Normalen zu der Oberfläche des Liners betrachtet, in einem ersten Abstand zu der Oberfläche des Liners angeordnet sein und die zweite Mehrzahl von Faserbändern, wiederum gegebenenfalls mit Ausnahme von Überlappungsbereichen von benachbarten Faserbändern der zweiten Mehrzahl von Faserbändern, in einer Richtung entlang der gleichen jeweiligen Normalen zu der Oberfläche des Liners betrachtet, in einem zweiten Abstand zu der Oberfläche des Liners angeordnet sein, wobei der erste Abstand insbesondere geringer ist als der zweite Abstand.
-
Zum Beispiel kann die erste Mehrzahl von Faserbändern an dem Liner als ein in Umfangsrichtung verlaufender Ring (auch als „base belt“ bezeichnet) aus mehreren im Wesentlichen parallel angeordneten Faserbändern angebracht sein, wodurch eine in Umfangsrichtung betrachtet im Wesentlichen geschlossene Oberfläche durch die erste Mehrzahl von Faserbändern erzeugt werden kann. Die Faserbänder können dabei unter einem vorbestimmten Winkel zu einer longitudinalen Richtung des Liners entlang der Mittelachse an dem Liner angebracht sein, wobei dieser Winkel insbesondere für alle Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern im Wesentlichen gleich sein kann. Dadurch kann sich ein umlaufend einheitliches Streifenmuster schräger Streifen ergeben. Radial außerhalb der ersten Mehrzahl von Faserbändern kann nun die zweite Mehrzahl von Faserbändern angeordnet sein, welche ebenfalls unter einem vorbestimmten Winkel zu der longitudinalen Richtung des Liners und in Umfangsrichtung davon umlaufend (auch als „offset belt“ bezeichnet) angebracht sein können, wobei sich der Winkel der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern von dem Winkel der Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern unterscheidet. Insbesondere können die Winkel an einem jeweiligen Schnittpunkt mit einer gleichen Höhenlinie des Drucktanks, das heißt an einer gleichen longitudinalen Position des Drucktanks, betragsgleich, jedoch in Bezug auf eine longitudinale Richtung des Liners im ihrem Vorzeichen unterschiedlich sein, beispielsweise +30° und -30°. Durch die Anordnung der zweiten Mehrzahl von Faserbändern auf der ersten Mehrzahl von Faserbändern kann wiederum eine in Umfangsrichtung betrachtet im Wesentlichen geschlossene Oberfläche durch die zweite Mehrzahl von Faserbändern erzeugt werden, welche die durch die erste Mehrzahl von Faserbändern erzeugte Oberfläche außen, insbesondere zu wenigstens 90%, bedeckt.
-
Unter Verwendung einer Überlagerung der zweiten Mehrzahl von Faserbändern radial außerhalb der ersten Mehrzahl von Faserbändern kann eine nicht-symmetrische Anordnung der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern zu den Faserbändern der zweiten Mehrzahl von Faserbändern erreicht werden, da bei einer solchen Überlagerung die erste und zweite Mehrzahl von Faserbändern in unterschiedlichen radialen Abständen zu der Mittelachse des Liners angeordnet sind.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der ersten Mehrzahl von Faserbändern und der zweiten Mehrzahl von Faserbändern an dem Liner kann eine systematische Wellung der aus den Faserbändern gebildeten Verstärkungsschicht reduziert, insbesondere weitgehend vermieden, werden. So können im Wesentlichen alle aufgebrachten Faserbänder, das heißt sämtliches auf den Liner aufgebrachtes, lasttragendes Fasermaterial, näher bis zur theoretischen Belastungsgrenze des Grundmaterials belastet werden.
-
Durch die, in radialer Richtung betrachtete, kreuzende Anordnung überlappender Faserbänder kann der Liner gleichmäßig verstärkt werden, sodass eine Last, welche auf den Liner einwirkt, gleichmäßig aufgenommen werden kann. Fachsprachlich kann es auch als ein sogenanntes „ausgeglichenes Laminat“ bezeichnet werden, wenn zu jeder Lage von Faserbändern mit einem ersten Anordnungswinkel relativ zu der Mittelachse des Liners eine zweite Lage von Faserbändern mit einem zweiten Anordnungswinkel relativ zu der Mittelachse des Liners, welcher zu dem ersten Anordnungswinkel betragsgleich und vorzeichengewechselt ist, angeordnet ist.
-
Das streifenweise Aufbringen der Faserbänder kann, im Gegensatz zu üblichen Umwicklungen des Liners mit Fasermaterial, unnötige Überlappungen vermeiden und somit insgesamt Fasermaterial einsparen.
-
Die Faserbänder können eine Vielzahl von einzelnen Fasern bzw. von einzelnen Faserbündeln umfassen. Vorteilhafterweise kann eine Untergruppe der Vielzahl von einzelnen Fasern bzw. von einzelnen Faserbündeln im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Faserbands verlaufen, wobei die Längserstreckungsrichtung beispielsweise diejenige Richtung bezeichnen soll, in welcher sich die Länge eines länglichen Faserbands mit einer größeren Länge als Breite erstreckt. Für den Fall, dass ein Faserband eine gekrümmt verlaufende Länge aufweisen sollte, kann die Längserstreckungsrichtung ebenfalls gekrümmt verlaufen.
-
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die longitudinale Startposition, an welcher zumindest die erste Mehrzahl von Faserbändern beginnt, im Bereich des zylindrischen Abschnitts des Liners angeordnet sein. Somit können sich die Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern von dem zylindrischen Abschnitt des Liners über einen Übergangsbereich zwischen zylindrischem Abschnitt und Abschlusskappe hinweg in den Bereich der Abschlusskappe hinein erstrecken. Da der Bereich der Abschlusskappen und ein entsprechender Übergangsbereich zu dem zylindrischen Abschnitt zumeist weniger resistent gegenüber Belastungen sind als der zylindrische Abschnitt des Liners, können durch eine solche Anordnung der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern diese Bereiche gezielt verstärkt werden.
-
Ferner kann die longitudinale Startposition, an welcher die zweite Mehrzahl von Faserbändern beginnt, näher zu dem der ersten Mehrzahl von Faserbändern zugeordneten Pol liegen als die longitudinale Startposition der ersten Mehrzahl von Faserbändern. So kann ein in Umfangsrichtung des Liners verlaufender Ring, welcher die Startpositionen der Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern miteinander verbindet, einen geringeren longitudinalen Abstand bzw. einen geringeren Abstand entlang der Meridianrichtung der Abschlusskappe zu dem zugeordneten Pol aufweisen als ein in Umfangsrichtung des Liners verlaufender Ring, welcher die Startpositionen der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern miteinander verbindet. Auf diese Weise können Belastungskonzentrationen aufgrund von Steifigkeitsänderungen in den Schichten von Faserbändern reduziert oder sogar vermieden werden.
-
Dabei kann der longitudinale Versatz, um welchen die longitudinale Startposition, an welcher die zweite Mehrzahl von Faserbändern beginnt, zu dem der ersten Mehrzahl von Faserbändern zugeordneten Pol näher liegt als die Startposition der ersten Mehrzahl von Faserbändern, im Wesentlichen einer Breite oder einer halben Länge eines Faserbands der ersten Mehrzahl von Faserbändern entsprechen. Hierdurch kann vermieden werden, dass die Startpositionen der Faserbänder der ersten und zweiten Mehrzahl von Faserbändern, in radialer Richtung (das heißt in einer Richtung entlang einer jeweiligen Normalen zu der Oberfläche des Liners betrachtet) betrachtet, überlappen, sodass wiederum hierdurch eine gleichmäßige Verstärkung des Liners durch die Faserbänder erreicht werden kann.
-
Vorteilhafterweise kann eine Länge der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern zu einer Länge der Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern im Wesentlichen gleich sein. Natürlich ist es ebenso denkbar, dass sämtliche Abmessungen der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern zu den Abmessungen der Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern im Wesentlichen gleich sein können.
-
An der Endposition wenigstens eines der Faserbänder der ersten und/oder zweiten Mehrzahl von Faserbändern kann ein jeweiliges nachfolgendes Faserband angeordnet sein, wobei sich die Breite des nachfolgenden Faserbands von der Breite des vorherigen Faserbands unterscheiden kann. Ein voranstehend erwähntes „nachfolgendes Faserband“ kann zu einem zugeordneten Pol näher angeordnet sein als ein voranstehend erwähntes „vorheriges Faserband“. Dabei kann ein nachfolgendes Faserband von einem vorherigen Faserband größtenteils getrennt angeordnet sein, gegebenenfalls mit Ausnahme von überlappenden Bereichen im Sinne eines Übergangs von einem vorherigen Faserband zu einem nachfolgenden Faserband. Diese überlappenden Bereichen zwischen vorherigem Faserband und nachfolgendem Faserband können weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, der Gesamtfläche eines Faserbands betragen.
-
In diesem Zusammenhang kann die Anzahl der nachfolgenden Faserbänder, in Umfangsrichtung des Drucktanks betrachtet, geringer sein als die Anzahl, wiederum in Umfangsrichtung des Drucktanks betrachtet, der vorherigen Faserbänder. Insbesondere an Bereichen des Drucktanks, an welchen sich eine zu bedeckende Oberfläche verringert, zum Beispiel an den Abschlusskappen auf einen jeweiligen Pol zulaufend, kann eine geringere Breite von nachfolgenden Faserbändern vorteilhaft sein, um ungewünschte Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Faserbändern reduzieren bzw. vermeiden zu können. Natürlich kann die Breite des nachfolgenden Faserbands auch größer sein als die Breite des vorherigen Faserbands. Ein Vergrößern einer Breite eines nachfolgenden Faserbands kann es, insbesondere an Bereichen des Drucktanks, an welchen sich eine zu bedeckende Oberfläche vergrößert oder zumindest im Wesentlichen gleich bleibt, ermöglichen, dass eine Anzahl von nachfolgenden Faserbändern, welche in Umfangsrichtung des Liners in Reihe angeordnet sind und hierdurch einen Ring bilden, geringer ist als eine Anzahl von vorherigen Faserbändern, wiederum betrachtet in Bezug auf einen in Umfangsrichtung des Liners gebildeten Ring aus vorherigen Faserbändern.
-
Eine Längserstreckungsrichtung des nachfolgenden Faserbands kann insbesondere zu einer Längserstreckungsrichtung eines jeweiligen vorherigen Faserbands gewinkelt sein. Das heißt, im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Faserstreifen, welcher auf eine jeweilige Abschlusskappe in einer stetigen Weise abgelegt ist, können hier aufeinanderfolgende Faserbänder einen „Knick“ (eine sprunghafte Richtungsänderung des Verlaufs von aufeinanderfolgenden Faserbändern) in deren Übergang zueinander aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung von länglichen Faserbändern, das heißt von Faserbändern, welche zwei längere Außenkanten und wenigstens zwei kürzere Außenkanten aufweisen, kann eine jeweilige Längserstreckungsrichtung parallel zu wenigstens einer der längeren Außenkanten verlaufen. Durch die gewinkelte Anordnung des nachfolgenden Faserbands zu einem jeweiligen vorherigen Faserband kann jedes einzelne Faserband entsprechend der Krümmung der Abschlusskappe optimiert ausgerichtet werden, wodurch ein jeweiliges Faserband verbessert entlang seiner Richtung der maximalen Traglast verwendet werden kann.
-
In Bezug auf einen Übergang eines vorherigen Faserbands zu einem nachfolgenden Faserband, kann das nachfolgende Faserband und ein jeweiliges vorheriges Faserband derart zueinander angeordnet sein, dass eine Außenkante des nachfolgenden Faserbands eine Außenkante des jeweiligen vorherigen Faserbands kreuzt, wobei ein Schnittpunkt, an welchem sich die beiden Außenkanten kreuzen, sowohl auf einer Mitte in Breitenrichtung des nachfolgenden Faserbands als auch auf einer Mitte in Breitenrichtung des vorherigen Faserbands liegt. In anderen Worten können die beiden Faserbänder, beispielsweise mit jeweils einer der kürzeren Außenkanten, derart überlappend aneinander angeordnet sein, dass eine Längsmittellinie des vorherigen Faserbands an dessen Außenkante auf eine Längsmittellinie des nachfolgenden Faserbands an dessen Außenkante trifft.
-
Ferner ist es in Bezug auf einen solchen Übergang denkbar, dass das nachfolgende Faserband und ein jeweiliges vorheriges Faserband derart zueinander angeordnet sein können, dass eine Außenkante des nachfolgenden Faserbands eine Außenkante des jeweiligen vorherigen Faserbands kreuzt, wobei ein Schnittpunkt, an welchem sich die beiden Außenkanten kreuzen, sowohl an einem Ende der Außenkante des nachfolgenden Faserbands als auch an einem Ende der Außenkante des vorherigen Faserbands liegt. Das heißt, eine Ecke des vorherigen Faserbands ist mit einer Ecke des nachfolgenden Faserbands überlagernd angeordnet.
-
In möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann wenigstens ein Faserband der ersten und/oder zweiten Mehrzahl von Faserbändern eine trapezoide Grundform aufweisen. Die trapezoide Grundform kann zum Beispiel dadurch beschrieben werden, dass eine der beiden längeren Außenkanten eines Faserbands kürzer ist als die andere längere Außenkante dieses Faserbands. Durch die trapezoide Grundform können in Längserstreckungsrichtung aufeinanderfolgende Faserbänder „auf Stoß“, das heißt ohne wesentlichen Überlapp, aneinander angereiht werden und zugleich kann eine sprunghafte Richtungsänderung des Verlaufs der in Längserstreckungsrichtung aneinander angereihten Faserbänder erzielt werden.
-
Zu diesem Zweck ist es möglich, dass die trapezoide Grundform wenigstens eines Faserbands derart ausgebildet sein kann, dass eine Achse, welche durch diejenigen Außenkanten definiert ist, an welchen ein vorheriges Faserband und ein diesem nachfolgendes Faserband relativ zueinander ausgerichtet sind, insbesondere an welchen sich ein vorheriges Faserband und ein diesem nachfolgendes Faserband kontaktieren, einen Winkel halbiert, welchen eine Längserstreckungsrichtung des nachfolgenden Faserbands zu einer Längserstreckungsrichtung eines jeweiligen vorherigen Faserbands aufweist. So kann beispielsweise auf Grundlage einer vor der Produktion eines erfindungsgemäßen Drucktanks durchgeführten Planung bestimmt werden, in welchem Winkel zwei in Längserstreckungsrichtung aufeinander folgende Faserbänder angeordnet werden sollen, wobei zu diesem Winkel eine Winkelhalbierende bestimmt werden kann, gemäß welcher entsprechende Faserbänder zu einer trapezoiden Grundform zuzuschneiden sind. Natürlich ist es ebenfalls denkbar, dass die Stoßkante der beiden aufeinander folgenden Faserbänder den Winkel nicht halbiert, oder sogar, dass nur eines der Faserbänder eine trapezoide Grundform aufweist und das jeweils andere (zumindest an der Seite, an welcher das trapezoide Faserbands angelegt ist) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist.
-
Hierbei können ein vorheriges Faserband und ein diesem nachfolgendes Faserband aus aneinander angrenzenden Abschnitten eines ursprünglich einstückig hergestellten Faserband-Ausgangsmaterials entnommen sein. Beispielsweise kann ein langer Faserstreifen, welcher eine deutlich größere Länge als jeweilige Faserbänder aufweist, in wenigstens zwei Faserbänder, insbesondere eine Vielzahl von Faserbändern, unterteilt werden. Dabei kann eine Unterteilung des Faserstreifens in zwei Faserbänder unter Verwendung einer Schnittlinie stattfinden, welche zu einer Längserstreckungsrichtung des Faserstreifens schräg, insbesondere nicht-orthogonal, verläuft. Verläuft nun diese Schnittlinie in einem Winkel zu der Längserstreckungsrichtung des Faserstreifens, welcher einer Hälfte desjenigen Winkels entspricht, unter welchem die Längserstreckungsrichtungen eines vorherigen und eines nachfolgenden Faserbands zueinander angeordnet werden sollen, so können die auf diese Weise aus dem Faserstreifen geschnittenen Faserbänder einfach dadurch aneinander angelegt werden, dass eines der Faserbänder „kopfüber“ auf dem Liner aufgebracht wird, wobei „kopfüber“ hier bedeuten soll, dass, angenommen man definiert an dem Faserstreifen eine der beiden Hauptflächen des Faserstreifens als „Oberseite“ und die andere der beiden Hauptflächen des Faserstreifens als „Unterseite“, eines aus dem vorherigen Faserband und dem nachfolgenden Faserband mit seiner „Oberseite“ auf dem Liner aufgebracht wird und das jeweils andere aus dem vorherigen Faserband und dem nachfolgenden Faserband mit seiner „Unterseite“ auf dem Liner aufgebracht wird. Eine solche Anordnung kann an einem fertigen Drucktank insbesondere aufgrund des Verlaufs der einzelnen Fasern eines jeweiligen Faserbands und deren Unterbrechung an einer jeweiligen Außenkante des Faserbands erkennbar sein.
-
Durch die voranstehend erwähnte Planung der Anordnung der Faserbänder an dem Liner und einem daraus resultierenden Zuschnitt der Faserbänder kann ein überlappungsfreies und/oder lückenloses aneinander Anreihen von Faserbändern realisiert werden. Ferner kann ein Verschnitt beim Unterteilen eines Faserstreifens in einzelne Faserbänder reduziert oder sogar vermieden werden.
-
Wenigstes eines der Faserbänder, insbesondere alle Faserbänder, kann Kohlefasern und/oder Aramid und/oder Glas und/oder Polyethylen, insbesondere UHMWPE, und/oder Basalt umfassen. Auch ist es denkbar, dass ein vorheriges Faserband und ein zu diesem in Längserstreckungsrichtung nachfolgendes Faserband unterschiedliche Materialien umfassen. Auf diese Weise kann gezielt auf explizite Belastungssituationen in bestimmten Bereichen des Drucktanks reagiert werden.
-
Um die Anordnung der Faserbänder an dem Liner weiter zu verstärken, kann wenigstes eines der Faserbänder, können insbesondere alle Faserbänder, mit einem Matrix-Material, insbesondere einem Harz, welches Fasern eines jeweiligen Faserbands verbindet, vorimprägniert sein oder nach deren Anordnung am Liner durchzogen sein. So kann ein jeweiliges Faserband zunächst an die Oberfläche des Liners bzw. an die Oberfläche von bereits an dem Liner angeordneten Faserbändern angepasst werden und anschließend in dieser Position aushärten.
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen in größerem Detail beschrieben werden. Es stellt dar:
- 1 eine teilweise Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Drucktanks;
- 2 ein Beispiel einer relativen Anordnung von Faserbändern;
- 3 eine schematische Darstellung eines Drucktanks, welcher gemäß der relativen Anordnung von Faserbändern aus 2 verstärkt ist;
- 4 eine teilgeschnittene Ansicht des Drucktanks gemäß 3;
- 5 eine weitere beispielhafte Anordnung von Faserbändern an einem Liner eines erfindungsgemäßen Drucktanks;
- 6 eine beispielhafte Aneinanderreihung von Faserbändern;
- 7 eine zu 5 alternative Aneinanderreihung von Faserbändern; und
- 8 eine Darstellung eines Faserstreifens, aus welchem das erste und das zweite Faserband gemäß 7 entnommen werden können.
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Drucktank allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Drucktank 10 umfasst einen Liner 12, welcher wiederum einen zylindrischen Abschnitt 14 und an den offenen Enden des zylindrischen Abschnitts 14 angeordnete Abschlusskappen 16 (nur eine davon ist in 1 gezeigt) aufweist. Die Abschlusskappe 16 verläuft von einem Übergangsbereich 18 (auch „Äquator“ genannt), an welchem der zylindrische Abschnitt 14 in die jeweilige Abschlusskappe 16 (hier tangential) übergeht zu einem Pol 20, an welchem die Abschlusskappe 16 eine Längsmittelachse X schneidet, welche durch den zylindrischen Abschnitt 14 definiert ist.
-
An dem in 1 dargestellten Pol 20 der Abschlusskappe 16 ist ein Fluidanschluss 22 angeordnet, über welchen Fluid in den Drucktank 10 bzw. in den Liner 12 eingeführt bzw. aus diesem ausgelassen werden kann.
-
An dem Liner 12 des Drucktanks 10 ist eine erste Mehrzahl von Faserbändern 24 angeordnet, welche zum besseren Verständnis in dem Bereich I freigestellt gezeigt sind. Die Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 beginnen jeweils an einer in Bezug auf die Mittelachse X longitudinalen Startposition S1, welche hier im Bereich des zylindrischen Abschnitts 14 liegt, und enden an einer longitudinalen Endposition E1, welche hier im Bereich der Abschlusskappe 16 liegt. Dabei verlaufen die Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 in der in 1 dargestellten Ansicht von rechts unten nach links oben. In anderen Worten verlaufen die Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 in 1 in einem linksläufigen Drehsinn auf den Pol 20 zu.
-
In dem Bereich II, welcher in 1 dargestellt ist, ist beispielhaft freigestellt (d.h. ohne die erste Mehrzahl von Faserbändern 24) eine zweite Mehrzahl von Faserbändern 26 gezeigt. Die Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 verlaufen analog zu den Faserbändern der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 von einer jeweiligen Startposition S2, welche hier der Startposition S1 entspricht, zu einer jeweiligen Endposition E2, welche hier der Endposition E1 entspricht. Jedoch verlaufen die Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 in einem zu dem Drehsinn der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 entgegengesetzten Drehsinn, das heißt in 1 von links unten nach rechts oben. In anderen Worten verlaufen die Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 in 1 in einem rechtsläufigen Drehsinn auf den Pol 20 zu.
-
In dem in 1 dargestellten Bereich III ist gezeigt, wie hier die zweite Mehrzahl von Faserbändern 26 (im Sinne eines „offset belt“) die erste Mehrzahl von Faserbändern 24 (im Sinne eines „base belt“) radial außen überlagern, wobei die darunterliegende erste Mehrzahl von Faserbändern 24 zur Veranschaulichung angedeutet dargestellt ist.
-
Die Faserbänder der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 weisen hier einen gleichen, jedoch negativen, Winkel in Bezug auf die Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 auf, jeweils betrachtet an einer gleichen longitudinalen Position an dem Drucktank 10. Bei einer Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucktanks 10 kann es daher vorteilhaft sein, zunächst die erste Mehrzahl von Faserbändern 24 in Umfangsrichtung des Liners 12 vollständig umlaufend anzuordnen, bevor die zweite Mehrzahl von Faserbändern 26 radial außerhalb davon aufgebracht wird.
-
In 2 ist beispielhaft ein Faserband der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 und ein Faserband der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 gezeigt. Wie bereits mit Bezug auf 1 beschrieben, überlappt das Faserband 26 das Faserband 24. Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß 1 ist hier jedoch die longitudinale Startposition S2 des Faserbands 26 zu der longitudinalen Startposition S1 des Faserbands 24 derart versetzt, dass sich die longitudinale Startposition S2 des Faserbands 26 näher an dem Pol 20 befindet als die longitudinale Startposition S1 des Faserbands 24. Analoges gilt aufgrund der in 2 gezeigten gleichen Längen der beiden Faserbänder für die longitudinalen Endpositionen E1 und E2. Der longitudinale Abstand der Startpositionen S1 und S2 zueinander kann insbesondere einer Breite oder einer halben Länge eines Faserbands 24 bzw. 26 entsprechen.
-
In 3 ist ein Drucktank 10' dargestellt, dessen Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 und der zweiten Mehrzahl von Faserbändern 26 gemäß der mit Bezug auf 2 beschriebenen Anordnung auf den Liner 12 aufgebracht worden sind. Durch diese versetzte Anordnung der Startpositionen S1 und S2 bzw. der der Endpositionen E1 und E2 kann eine gleichmäßigere Verstärkung des Liners 12, insbesondere der Abschlusskappe 16, erzielt werden. Da in 3 ein schematisches Abbild eines dreidimensionalen Körpers perspektivisch gezeigt ist, wandern die Positionen S1, S2, E1, E2 zu den seitlichen Rändern der 3 nach oben.
-
4 soll in diesem Zusammenhang nochmals verdeutlichen, wie die zweite Mehrzahl von Faserbändern 26 die erste Mehrzahl von Faserbändern 24 an deren Außenseite überlagert. Auf diese Weise wird an dem Liner 12 außen eine erste Schicht gebildet, welche die erste Mehrzahl von Faserbändern 24 umfasst, und außen an der ersten Schicht eine zweite Schicht gebildet, welche die zweite Mehrzahl von Faserbändern 26 umfasst. Bei geeigneter Wahl der Start- und Endpunkte der Faserbänder sowie der Abmessungen und Überlappungen der Faserbänder kann so erreicht werden, dass, in jeweiliger Normalenrichtung zu der Lineroberfläche betrachtet, die erste Schicht in einem ersten Abstand zu dem Liner 12 angeordnet ist und die zweite Schicht, insbesondere vollständig, in einem zweiten Abstand zu dem Liner 12 angeordnet ist, wobei der zweite Abstand größer ist als der erste Abstand.
-
In 5 ist am Beispiel der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 gezeigt, dass sich in einer Längserstreckungsrichtung LR eines jeweiligen Faserbands der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 (als „vorheriges“ Faserband) ein nachfolgendes Faserband 28 anschließen kann. In der in 5 dargestellten Ausführungsform weist ein nachfolgendes Faserband 28 eine geringere Länge L, jedoch eine größere Breite B als ein jeweiliges vorheriges Faserband der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 auf. Auf diese Weise können die nachfolgenden Faserbänder 28 an die stärkere Krümmung der Abschlusskappe 16 angepasst werden. Ferner kann die Anzahl von nachfolgenden Faserbändern 28, in Umfangsrichtung des Liners 12 betrachtet, im Vergleich zu der Mehrzahl von Faserbändern 24 reduziert werden. Auch kann so ein Versatz der Längs-Außenkanten der nachfolgenden Faserbänder 28 zu den Längs-Außenkanten der Faserbänder der ersten Mehrzahl von Faserbändern 24 erreicht werden, wodurch gegenüber Belastungen weniger resistente Verstärkungsbereiche reduziert werden können.
-
In den 6 und 7 ist nun gezeigt, auf welche Weise ein nachfolgendes Faserband 28 relativ zu einem vorherigen Faserband 24 angeordnet werden kann, wenn eine Verlaufsrichtungsänderung von dem vorherigen Faserband 24 zu dem jeweiligen nachfolgenden Faserband 28 erreicht werden soll. Dabei ist in den 6 und 7 eine Verlaufslinie 30 dargestellt, welche beispielsweise einem Belastungsverlauf eines zu verstärkenden Bauteils entspricht. Dieser Belastungsverlauf kann zum Beispiel auf einer Computersimulation basieren, in welcher ein Bauteil, beispielsweise ein Drucktank, mit simulierten Belastungen beaufschlagt wird. Folglich kann es gewünscht sein, die Längserstreckungsrichtungen von jeweiligen Faserbändern an der Verlaufslinie 30 auszurichten.
-
In 6 wird dabei der Ansatz verfolgt, dass ein jeweiliges Faserband 24, 28, 32 so ausgerichtet ist, dass die Verlaufslinie 30 an einer kurzen Seite eines Faserbands (Seite 34 des Faserbands 24) mittig eintritt und an einer gegenüberliegenden kurzen Seite 36 wiederum mittig austritt. Das heißt die Außenkante an einer jeweiligen kurzen Seite 34, 36 eines Faserbands wird durch die Verlaufslinie 30 halbiert. Ein jeweils nachfolgendes Faserband 28 wird unter den gleichen voranstehend beschriebenen Eigenschaften relativ zu der Verlaufslinie 30 ausgerichtet, wobei zusätzlich ein Eintrittspunkt der Verlaufslinie 30 in eine kurze Seite 38 des Faserbands 28 mit dem Austrittspunkt der Verlaufslinie 30 aus der kurzen Seite 36 des Faserbands 24 zusammenfällt. In einer analogen Weise ist ein weiteres Faserband 32 auf das Faserband 28 nachfolgend angeordnet.
-
Wie in 6 zu erkennen ist, entstehen durch eine solche Anordnung der Faserbänder 24, 28, 32 Bereiche 40, an welchen sich benachbarte Faserbänder überlappen, und Bereiche 42, an welchen einander benachbarte Faserbänder voneinander beanstandet sind.
-
Um zu vermeiden, dass ungewünscht überlappende Bereiche 40 und/oder ungewünscht voneinander beanstandete Bereiche 42 bei der Anordnung der Faserbänder am Liner 12 entstehen, können die Faserbänder gemäß der in 7 gezeigten Weise angeordnet werden. Dabei können die Ausrichtungen der jeweiligen Faserbänder wiederum vorab anhand einer Computersimulation geplant werden. Ist die relative Ausrichtung eines vorherigen Faserbands 24 zu einem nachfolgenden Faserband 28 (bzw. 28 zu 32) definiert, so lässt sich ein Winkel a bestimmen, welchen die beiden Längserstreckungsrichtungen LR des vorherigen Faserbands 24 und des nachfolgenden Faserbands 28 zueinander aufspannen. Für den Fall, dass es gewünscht ist, dass eine Stoßkante 44, an welcher das vorherige Faserband 24 und das nachfolgende Faserband 28 aneinander anliegen, entlang einer Winkelhalbierenden des Winkels α verläuft, so ist eine Schnittlinie 46 (siehe 8), gemäß welcher ein jeweiliges Faserband aus einem ursprünglichen Faserstreifen 48 (siehe 8) herausgeschnitten wird, derart auszurichten, dass die Schnittlinie 46 mit der Längserstreckungsrichtung LR dieses Faserbands den Winkel α/2 aufweist.
-
In 8 ist, wie voranstehend angesprochen, gezeigt, dass ein vorheriges Faserband 24 und ein nachfolgendes Faserband 28 aus einem Faserstreifen 48 derart geschnitten werden können, dass sich die in 7 gezeigten Faserbänder 24 und 28 ergeben, ohne hierbei nicht-verwendbaren Verschnitt zu erzeugen. Zur Anordnung der gemäß 8 erzeugten Faserbänder 24 und 28 ist eines davon derart umzudrehen, dass sich die beiden Winkel α/2 zwischen Schnittkante und jeweiliger Längserstreckungsrichtung LR zu dem gewünschten Winkel α ergänzen (siehe 7).
