DE10305397B4 - Druckbehälter - Google Patents

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Abstract

Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte axial wirkende, durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1), welche aus Fasersträngen bestehen, gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, die genau axial ausgerichtet sind und zwischen ebenen Deckeln (7) parallel verlaufen und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.

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.
  • In der DE 199 52 611 A1 wird ein Hochdruckbehälter und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorgestellt. Der Hochdruckbehälter besteht aus einem zylindrischen Mittelteil mit seitlich zuordbaren Verschlusselementen. Das zylindrische Mittelteil ist aus einem Verbundwerkstoff, einer metallischen Hülse mit auf dieser aufzuwickelnden Fasern, ausgeführt. Die eingesetzten Fasern sind in wechselnder Wickellage und Wickelfolge unter einem bestimmten Wickelwinkel im Wickelbereich von 0 bis 90° derart angeordnet, dass die Elastizitätsmodule der aus den einzelnen Fasern herausgebildeten Faserverbundschichten und somit die Belastbarkeit des ausgebildeten Faserverbundes von innen nach außen ansteigen. Wesentlich in dieser Veröffentlichung ist, dass der E-Modulwert der zur Herstellung des Mittelteiles des Hochdruckbehälters verwendeten Faserschichten von innen nach außen verändert wird, indem die einzelnen Fasern, sowohl im Hinblick auf ihre tragbare Spannung als auch mögliche Dehnung bis an ihre zulässigen Spannungs- und Dehnungsgrenzen belastet werden.
  • Auch in der Veröffentlichung EP 0239407 A2 wird wie bei der DE 19952611 A1 die Kraftaufnahme nur im Oberflächenbereich realisiert.
  • Der Nachteil dieser Anordnungen ist es, dass die Verstärkungsstrukturen nur auf der Außenhülle angeordnet sind und den Druck in alle Richtungen aufnehmen müssen. Die dadurch entstehende Form des Druckbehälters ist unvermeidlich, da die Wicklungen im Winkel versetzt erfolgen müssen.
  • Diese nachteiligen Anordnungen finden sich auch in den Veröffentlichungen DE 1272653 A und DE 101 08 748 A1 wieder.
    •
  • 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 zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte axial wirkende, durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen, welche aus Fasersträngen (vorrangig Kohlefasern) bestehen, gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, die genau axial ausgerichtet sind und zwischen ebenen Deckeln parallel verlaufen und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht umschlossen 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. Durch das spiralförmige Aufwickeln der Unidirektionallagen mit den Aufdickungen an den beiden Enden werden die Deckel oder ein Teil der Deckel gebildet.
  • 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 aufgewickelte unidirektionale Faserschicht werden umfangsgerichtete radial wirkende Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.
  • Eine Ausführung sieht vor, zur Erhöhung der Gasdichtheit des Druckbehälters Barriereschichten zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehenden axialen Verstärkungsstrukturen und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht zu wickeln, die sich weitgehend überlappen.
  • Die Verwendung der 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.
  • 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.
  • [Beispiele]
  • 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 Verstärkungsstrukturen 1, vorzugsweise imprägnierte Einzelfäden aus Kohlefasern oder anderen hochfesten fadenförmigen Strängen, im Innern eines Zylinders. Sie sind 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 Verstärkungsschichten 2 aufgewickelt, 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 Verstärkungsstrukturen 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 Verstärkungsstrukturen
    2
    radial wirkende Verstärkungsschicht
    3
    Barriereschicht
    4
    metallisches Verstärkungsrohr
    5
    metallischer Anschluss
    6
    zusätzliche Barriereschicht
    7
    Deckel
    8
    Aufdickung

Claims (6)

  1. Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte axial wirkende, durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1), welche aus Fasersträngen bestehen, gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, die genau axial ausgerichtet sind und zwischen ebenen Deckeln (7) parallel verlaufen und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (1) aus spiralförmig aufgewickelten Unidirektionallagen eines Verbundwerkstoffes bestehen, die am Ende Aufdickungen (8) besitzen und so beim Aufwickeln die Deckel (7) oder einen Teil der Deckel bilden und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereschichten (3) zur Verringerung der Permeation von Gasen zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehenden axialen Verstärkungsstrukturen (1) und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) aufgebracht sind.
  4. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine bandförmig aufgewickelte sich überlappende Barriereschicht (3) angeordnet ist.
  5. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (7) aus leichten metallischen Materialien oder aus faserverstärktem Kunststoff gebildet werden, die regelmäßig im Winkel aber unterschiedlich tief geschlitzt sind und in den Schlitzen die hindurchgehenden axialen Verstärkungsstrukturen (1) befestigt sind.
  6. Druckbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Armaturen gasdicht mit den Deckeln (7) verbunden sind.
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