DE10305397A1 - Druckbehälter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung kann bei der Druckspeicherung von Gasen zur Anwendung gelangen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit ebenen oder nahezu ebenen Deckeln zu realisieren. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass gewickelte axial ausgerichtete Verstärkungsstrukturen durch den Innenraum des Körpers hindurchgehen und den größten Teil der notwendigen Kräfte in ihrer Ausrichtungsebene übernehmen. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Faserstränge, die gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet und an ebenen oder weitgehend ebenen Deckeln befestigt werden. DOLLAR A Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass durch das spiralförmige Aufwickeln einer weitgehend unidirektionalen Faserschicht, die an den Enden aufgedickt ist, ein Behälter gebildet wird. DOLLAR A Über die Verstärkungsstränge bzw. die spiralförmig aufgewickelten unidirektionalen Faserschichten werden umfangsgerichtete radial wirkende Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff zur Speicherung von Gasen.
  • Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch Druckbehälter, die einen Inliner aus Metall oder Kunststoff enthalten. Auf dem Inliner wird der faserverstärkte Kunststoff mittels eines Wickelverfahrens aufgebracht. Dabei wird die axiale Festigkeit durch Längswicklungen und die Umfangsfestigkeit durch Umfangswicklungen getrennt realisiert.
  • Als wesentliches Element der Behälter dient der Inliner als Stützgerüst für die Aufbringung des faserverstärkten Kunststoffs sowie als Barriere gegenüber der Permeation von Gasen. Die Festigkeit des Druckbehälters wird durch das Aufbringen von faserverstärktem Kunststoff erreicht.
  • Nachteil der oben beschriebenen Ausführung ist, dass der Inliner das Gewicht des Bauteils erhöht. Zudem ergibt sich in den Bereichen der Dome eine ungünstige Materialverteilung, da es im Bereich der Pole der Dome durch den Wickelvorgang zu einer nicht festigkeitsbegründeten Materialanhäufung kommt.
  • Ein Problem, das der Nutzung des größtmöglichen Volumens der bekannten Behälter entgegensteht, betrifft die Tatsache, dass die Stirnseiten der Druckbehälter stets als konvexe Dome ausgebildet sind. Durch die Form der Dome ist eine ungünstige Volumenausnutzung gegeben.
  • Die Modifizierung der Dome durch eine sogenannte isotensoide Form und die Modifizierung der Faserverteilung und Winkel kann dieses Problem nur bedingt entschärfen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter zu entwickeln, der eine wesentliche Verbesserung bei der Auslegung des Druckbehälters mit geringem Aufwand ermöglicht. Dazu ist ein Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit ebenen oder nahezu ebenen Deckeln zu realisieren, wodurch die oben genannten Nachteile reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass gewickelte axial ausgerichtete Verstärkungsstrukturen durch den Innenraum des Körpers hindurchgehen und den größten Teil der notwendigen Kräfte in ihrer Ausrichtungsebene übernehmen.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Faserstränge (vorrangig Kohlefasern), die gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet und an ebenen oder weitgehend ebenen Deckeln befestigt werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht. vor, dass durch das spiralförmige Aufwickeln einer weitgehend unidirektionalen Faserschicht, die an den Enden aufgedickt ist, ein Behälter gebildet wird.
  • Die Faserorientierung der Schicht ist in der Fläche quer zur Wickelrichtung. Die Aufdickungen können auch in anderer Richtung orientiert oder aus einem anderen Material gefertigt sein.
  • Über die Verstärkungsstränge bzw. die spiralförmig aufgewickelten unidirektionalen Faserschicht werden umfangsgerichtete radial wirkenden Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine axiale Verstärkung in mehr als einer Richtung erfolgt.
  • Es ist weiterhin vorgesehen, eine Kombination der axialen durch den Innenraum hindurchgehenden Verstärkungen mit Verstärkungen, die in die Außenhülle integriert sind, zu kombinieren.
  • Eine Ausführung sieht vor, zur Erhöhung der Gasdichtheit des Druckbehälters Barriereschichten zwischen der äußeren Schicht der axialen Verstärkung und der umfangsgewickelten Außenhülle zu wickeln, die sich weitgehend überlappen.
  • Die Verwendung der nahezu ebenen Deckel der Behälter wurde überraschend gefunden und stellt eine technische Lösung zur Verfügung, die es ermöglicht, eine Reihe von Vorteilen bei der Gestaltung der gewickelten Druckbehälter zu verwirklichen.
  • Zur Fixierung der beidseitigen Deckel bietet sich ein innenliegendes, gasoffenen Verstärkungsrohr an.
  • Die Deckel, die die Stirnseiten des Druckbehälters bilden, bestehen aus geeigneten, leichten metallischen Materialien oder aus faserverstärktem Kunststoff. Für die Aufnahme der Verstärkungsstrukturen können Schlitze regelmäßig im Winkel, jedoch unterschiedlich in der Tiefe eingebracht werden. Gleichzeitig wird dadurch die Lösung ermöglicht, die Armaturen des Druckbehälters gasdicht mit den Gasanschlüssen zu verbinden.
  • Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
    Es ist kein Inliner notwendig.
  • Die Verstärkungsmaterialien sind nahezu vollständig in Richtung der auftretenden Kräfte orientiert. Aus beiden Eigenschaften ergibt sich eine deutliche Verbesserung des gewichtsspezifischen Speichervermögens. Die Fertigung ist vereinfacht.
  • Die Integration in Anlagen ist durch die günstigere Formgebung raumsparender möglich und damit eine Erhöhung der volumetrischen Speicherdichte gegeben.
    •
  • Die Erfindung ist anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 Druckbehälter mit Fasersträngen
  • 2 Druckbehälter mit Unidirektionallagen
  • 3 Unidirektionallagen
  • Der Druckbehälter nach 1 entsteht durch die Anordnung von axial hindurchgehenden Verstärkungen 1, vorzugsweise imprägnierte Einzelfäden aus Kohlefasern oder anderen hochfesten fadenförmigen Strängen, im Innern eines Zylinders. Sie sind weitgehend gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt. und werden in ebenen Deckeln 7 verankert. Die Deckel 7 werden über eine Wickeltechnologie ebenfalls aus dem Strangmaterial gebildet oder aus einem anderen Material miteingewickelt.
  • Bevorzugt im Zentrum der Deckel wird ein metallischer Anschluss 5 für die Armaturen in das Compositmaterial eingebettet.
  • In der äußeren Begrenzung des Druckraumes werden diese Verstärkungsstränge sehr dicht angeordnet, so dass Sie mit einer Barriereschicht 3 belegt werden können. Auf diese werden dann die radialen Verstärkungen 2 aufgewi ckelt, die die radiale Verstärkung ergeben und die den äußeren Abschluss des Druckbehälters bilden.
  • Der Druckbehälter nach 2 und 3 entsteht durch das Aufwickeln eines Halbzeugs, bestehend aus einer Grundschicht aus im wesentlichen unidirektionalem Gelege mit. an den Enden aufgebrachten Aufdickungen 8 als axiale hindurchgehende Verstärkung 1. Die Verdickungen werden bevorzugt ebenfalls durch Verbundwerkstoff gebildet und können zusätzlich Barriereschichten 6 enthalten. Das Halbzeug wird üblicherweise mit einem Matrixsystem vorimprägniert. Das Aufwickeln kann auf einem metallischen Verstärkungsrohr 4 erfolgen, das gleichzeitig die Armaturen trägt. Dabei muss das Rohr 4 Öffnungen zum Durchströmen des Speichermediums besitzen.
  • Beim Aufwickeln wird das Halbzeug so ausgerichtet, dass die Richtung der Fasern in der Grundschicht mit der axialen Richtung des Druckkörpers übereinstimmt. Die Aufdickungen 8 im Randbereich bilden dabei gleich den axialen Abschluss des Druckkörpers.
  • Auf dem entstandenen spiralförmigen Kern kann eine in radialer Richtung wirkende Barriereschicht 3 aufgebracht werden. Auf dieser liegt dann eine in Umfangsrichtung orientierte radial wirkende Verstärkungsschicht 2.
    • 1
    hindurchgehende Verstärkung
    2
    radiale Verstärkungen
    3
    Barriereschicht
    4
    metallisches Verstärkungsrohr
    5
    metallischer Anschluss
    6
    zusätzliche Barriereschicht
    7
    Deckel
    8
    Aufdickung

Claims (10)

  1. Druckbehälter dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte in mindestens einer Richtung durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) angeordnet sind.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstränge, die gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet sind und von einem weitgehend ebenen Deckel zu der gegenüberliegenden Seite verlaufen und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale hindurchgehende Verstärkung (1) in einem zylindrischen Druckbehälter durch spiralförmig aufgewickelte Unidirektionallagen eines Verbundwerkstoffes erfolgt, die am Ende Aufdickungen (8) besitzen und so beim Aufwickeln den Deckel (7) oder einen Teil des Deckels bilden und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen wird.
  4. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass axiale durch den Innenraum hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) nicht nur in einer räumlichen Richtung sondern auch in einer weiteren oder in allen drei axialen Richtungen angeordnet sind.
  5. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehenden Verstärkungsstrukturen (1) nur einen Teil der Axialkräfte durch den Innendruck aufnehmen und mit einer über die Außenhülle verlaufenden Verstärkungsschicht kombiniert sind.
  6. Druckbehälter nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereschichten (3) zur Verringerung der Permeation von Gasen zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) aufgebracht sind.
  7. Druckbehälter nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine bandförmig aufgewickelte sich überlappenden Barriereschicht (3) angeordnet ist.
  8. Druckbehälter nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein innenliegendes zentrales Verstärkungsrohr (4) angeordnet ist.
  9. Druckbehälter nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (7) durch geeignete leichte Materialien gebildet werden, die regelmäßig im Winkel aber unterschiedlich tief geschlitzt sind und in den Schlitzen die hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) befestigt sind.
  10. Druckbehälter nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Armaturen gasdicht mit den Deckeln (7) verbunden sind.
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