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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstofftank aus Verbundmaterial, welcher
für die
Aufbewahrung von verflüssigtem
Kraftstoff unter Druck bestimmt ist.
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Die
automobilen Kraftstofftanks, welche für die Aufbewahrung von gasförmigen Kraftstoffen
bestimmt sind, wie z.B. flüssiges
Propangas, sind derzeit von einer torischen oder zylindrischen Form,
um erhöhte
Drücke
hinnehmen zu können.
Der Druck, welcher von dem flüssigen
Propangas ausgeübt wird,
ist in der Größenordnung
von 2 MPa, jedoch müssen
aus Gründen
der Sicherheit die Kraftstofftanks Drücke von mindestens 6,75 MPa
hinnehmen können.
Diese Kraftstofftanks sind entweder in den Kofferraum des Fahrzeuges
gesetzt, wobei so sein Volumen verringert wird, oder an der Stelle
des Reserverads. Da außerdem
das derzeit eingesetzte Material Stahl ist, weisen diese Kraftstofftanks
ein relativ erhöhtes
Gewicht auf. Die derzeit am Markt erhältlichen Kraftstofftanks aus
Stahl weisen ein Verhältnis Gewicht/Volumen
insgesamt der Größenordnung von
0,5 kg/l auf.
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Metallische
Kraftstofftanks in einer im Allgemeinen parallelepipedischen Form
sind vorgeschlagen worden (EP-A-633 422 und EP-A-527 564). Bei diesen
Kraftstofftanks wird der Halt gegenüber dem Druck durch das Vorhandensein
von inneren Stäben oder
Zwischenwänden
sichergestellt, welche gegenüberliegende
Wände des
Kraftstofftanks verbinden. In letzterem Fall macht die eingesetzte
Verstärkung das
Messen der Kraftstoffmenge, welche in dem Kraftstofftank verbleibt,
schwierig. Diese Kraftstofftanks bringen somit eine Lösung gegenüber dem Problem
ihrer Integration in dem Fahrzeug unter der Bedingung, eine relativ
einfache Form beizubehalten (wie z.B. ein Parallelepiped), jedoch
sind komplexere Formen schwierig in Betracht zu ziehen.
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Man
kennt auch Kraftstofftanks aus Verbundmaterial mit einer Polymermatrize,
welche dem Druck widersteht. Sie weisen am häufigsten eine zylindrische
Form auf (EP-A-580 535 und WO-A-97 17570). Sie werden entweder durch
Aufwickeln von Filamenten oder durch Einsatz von geflochtenen Verstärkungen
realisiert, gefolgt von einer Imprägnierung mit thermohärtbarem
Harz durch Injektion. Diese Kraftstofftanks ermöglichen einen Gewichtsgewinn
gegenüber
ihren Homologen aus Stahl, sie bringen jedoch keinen Vorteil hinsichtlich
des Einsetzens des Kraftstofftanks am Fahrzeug, da die zylindrischen Formen
schwierig in die Struktur des Fahrzeugs einsetzbar sind.
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Es
besteht daher ein Bedürfnis
für einen Kraftstofftank,
welcher erhöhten
Drücken
widersteht, aus einem Verbundmaterial mit Polymermatrize, der eine
andere als eine zylindrische oder torische Form aufweisen kann,
welcher eine leichtere Integration im Fahrzeug ermöglicht,
an Ort und Stelle von derzeitigen Kraftstofftanks zum Beispiel,
unter einem Ermöglichen
eines Gewichtsgewinns im Verhältnis
zu Kraftstofftanks aus Stahl.
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Schließlich müsste ein
derartiger Kraftstofftank aus Verbundmaterial durch ein reproduzierbares Verfahren
hergestellt werden können,
damit seine mechanischen Eigenschaften nicht von einem Teil zum
anderen variieren. Des Weiteren muss das Verfahren relativ kurz
umzusetzen sein, wenn man es wünscht,
eine Industrialisierung in großer
Serie des Kraftstofftanks in Betracht zu ziehen.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Bedürfnisse zu befriedigen.
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Noch
genauer betrifft die Erfindung einen Kraftstofftank aus Verbundmaterial,
welcher den Druck aufrechterhält,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass er aufweist:
- A)
eine innere Hülle
aus einem thermoplastischen Polymermaterial, welche Paare von gegenüberliegenden
Wänden
aufweist, wobei mindestens zwei dieser Paare von gegenüberliegenden
Wänden
durch eine Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen
verbunden sind, von denen die Enden aus einem Stück mit den Wänden sind,
wobei die Hülle
des Weiteren Verstärkungsbänder aufweist, welche
die röhrenförmigen Elemente
durchqueren, und welche mit den Wänden der inneren Hülle verbunden
sind, die benachbart zu den röhrenförmigen Elementen
sind; und
- B) eine äußere Hülle aus
Verbundmaterial, welche aus einer thermogehärteten Matrize und einer faserartigen
Verstärkung,
welche die innere Hülle umgibt,
gebildet ist.
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Der
Kraftstofftank der Erfindung weist vorzugsweise eine pseudoparallelepipedische
Form auf und kann lokale Variierungen seiner Geometrie aufweisen,
z.B. Abschnitte mit einem Einzug aufweisen, um einen Durchgang einzurichten
für ein
Rohr oder einen Auspuff.
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Die
innere Hülle
des Kraftstofftanks der Erfindung dient als dichte Barriere gegenüber verflüssigtem,
gasförmigem
Kraftstoff, wohingegen die äußere Hülle aus
Verbundmaterial mechanische Belastungen erduldet und die innere
Hülle gegenüber äußeren Aggressionen
schützt,
welche der Kraftstofftank im Einsatz erdulden kann, wie z.B. Stöße, Kieselsteine,
das Herumschleudern von chemischen Flüssigkeiten (Salzlösungen,
Säuren,
Fahrzeug-Fluide), das Feuer, etc...
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Die
innere Hülle
des Kraftstofftanks ist aus einem thermoplastischen Material gefertigt,
wie z.B. einem Polyethylen hoher Dichte oder einem Polyamid. Diese
Polymere weisen den Vorteil auf, leicht umgesetzt zu werden durch
Rotationsformen oder Injektion, und eine geringe Dichte aufzuweisen. Schließlich sind
sie relativ inert gegenüber
aliphatischen Kohlenwasserstoffen.
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Die
Polyamide weisen den Vorteil einer geringen Permeabilität gegenüber Gas
auf. Dagegen kann der Einsatz von Polyethylen eine Oberflächenbehandlung (Fluoridierung
oder Sulfonierung) erfordern, um die Permeabilität dieses Materials gegenüber flüssigem Propangas
zu verbessern.
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Die
röhrenförmigen Elemente,
welche gegenüberliegende
Wände der
inneren Hülle
verbinden, sind vorteilhafterweise an diesen Wänden in einer im Wesentlichen
regelmäßigen Art
und Weise aufgeteilt, z.B. bei Intervallen von 10 bis 13 cm. Es versteht
sich jedoch von selbst, dass die Aufteilung dieser röhrenförmigen Elemente
je nach der Form und der vom Kraftstofftank gewünschten mechanischen Widerstandsfähigkeit
modifiziert werden können.
Diese röhrenförmigen Elemente
sind aus einem Stück
mit den Wänden,
welche sie verbinden, und werden während dem Formen der inneren
Hülle erzeugt,
um die Anzahl von hinzugefügten
Teilen zu begrenzen. Man vermeidet so die Probleme insbesondere
der Dichtigkeit, welche die Befestigung dieser röhrenförmigen Elemente durch Klebung
oder Schweißung
an den Wänden
der inneren Hülle
mit sich bringen würde.
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Die
innere Hülle
kann eine Dicke von in etwa 2 bis 4 mm, vorzugsweise 2–3 mm aufweisen.
Sie muss ausreichend fest sein, um die Kräfte zu erdulden, welche mit
der Realisierung der äußeren Hülle über der
inneren Hülle
verbunden sind.
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Die
Befestigungseinsätze
von Ausstattungen des Kraftstofftanks werden im Verlaufe der Ausarbeitung
der inneren Hülle
eingesetzt. Die gewünschten Einsätze werden
in die Form gesetzt, welche dem Herstellen der inneren Hülle dient,
vor dem Einbringen von thermoplastischem Material. Das Auffüllen der
Form durch thermoplastisches Material realisiert nach dem Abkühlen ein Überformen
von Einsätzen, was
die Dichtigkeit des Übergangs
zwischen jedem Einsatz und der Wand der inneren Hülle garantiert.
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Die
röhrenförmigen Elemente
sind ausreichend voneinander beabstandet, um nicht das Einsetzen
eines Messinstruments der Menge von Kraftstoff, die in dem Kraftstofftank
im Betrieb vorhanden ist, zu behindern.
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Die
innere Hülle
ist mit Hilfe von schmalen, gewobenen, imprägnierten Bändern verstärkt, z.B. aus einem thermoplastischen
Bindemittel, welches man quer über
die röhrenförmigen Elemente
wickelt, und das man an den Wänden
dieser röhrenförmigen Elemente
und an den benachbarten Wänden
der inneren Hülle
befestigt unter ihrem ausreichenden Erwärmen, um das Schmelzen des
thermoplastischen Bindemittels hervorzurufen. Als eine Variante
könnte man
auch ein thermohärtbares
Bindemittel anstelle eines thermoplastischen Bindemittels verwenden. Nach
dem Abkühlen
(thermoplastisches Bindemittel) oder Aushärten (thermohärtbares
Bindemittel) sind die Bänder
fest mit der inneren Hülle
verbunden und spielen die Rolle von Zugstreben, welche verhindern, dass
unter der Wirkung des inneren Drucks, welchem der Kraftstofftank
ausgesetzt wird, die gegenüberliegenden
Wände des
Kraftstofftanks sich nicht unter einem Entfernen voneinander verformen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wendet
man ein gleiches Band an zwei benachbarten röhrenförmigen Elementen und an zwei
Abschnitten von gegenüberliegenden
Wänden,
die sich zwischen diesen zwei röhrenförmigen Elementen
befinden, an, wobei man so eine An lokale Umgürtelung realisiert. In dem
Fall eines äußersten
röhrenförmigen Elementes
wird das Band an der äußersten
Wand, die am nächsten
von diesem äußersten
röhrenförmigen Element
ist, angelegt und an Abschnitte von gegenüberliegenden Wänden, welche
sich zwischen dieser äußersten
Wand und diesem äußersten
röhrenförmigen Element
befinden.
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In
einer Variante könnte
man, anstatt die Bänder
mittels einem thermoplastischen Bindemittel zu befestigten, einen
Klebstoff zu diesem Zweck verwenden. Nach dem Einsetzen der Verstärkungsbänder werden
die röhrenförmigen Elemente
vorzugsweise z.B. mit einem expandierten Polymermaterial aufgefüllt, wie
z.B. einem Schaum aus Polyurethan, aus Polyethylen oder aus Polyepoxyd.
Ein derartiges Auffüllen
hat als Vorteil, den Zusammenhalt der Fasern, welche das gewobene
Band bilden, sicherzustellen und stellt den Halt dieses letzteren
an der Wand des röhrenförmigen Elementes
trotz den Vibrationen und anderen mechanischen Belastungen, welche
fähig sind,
dem Kraftstofftank angelegt zu werden, sicher. Schließlich verschlechtert
nicht der Einsatz von expandiertem Polymer die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Stößen des
Kraftstofftanks.
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Die äußere Hülle ist
aus einem Verbundmaterial realisiert, d.h. einer Matrize aus thermogehärtetem Polymer,
welches durch Verstärkungsfasern
verstärkt
ist, die gewoben oder nicht sind, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern
oder Aramidfasern. Das thermogehärtete
Polymer kann aus einer thermohärtbaren
Zusammensetzung herkommen, z.B. auf Basis von Epoxydharz, Polyester
oder Polyurethan. Diese Zusammensetzungen sind wohl bekannt und
im Handel erhältlich.
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Vorzugsweise
ist die äußere Hülle verstärkt, mindestens
teilweise, durch gewobene, dreidimensionale Verstärkuttgen
auf Basis von langen Fasern. Der Einsatz von dreidimensionalen Verstärkungen ermöglicht ein
leichteres Aufschrumpfen auf die innere Hülle, welche eine komplexe Form
aufweisen kann, bei einem gleichzeitigen Bieten des Vorteils, bessere
mechanische Eigenschaften zu verleihen und eine Reproduzierbarkeit
der Operation des Aufschrumpfens zu bieten, da die Verstärkung in
Abhängigkeit
von der letztendlichen Form des zu drapierenden Teils ausgearbeitet
wird.
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Nach
dem Einsetzen der faserartigen Verstärkungen auf der inneren Hülle setzt
man das Ganze in eine Form, man realisiert eine Injektion von einer
harzigen, thermohärtbaren
Zusammensetzung zum Imprägnieren
der Verstärkungen
und, man erhitzt das Ganze zum Thermohärten des Harzes, z.B. durch
die Technik, die bezeichnet wird als SRIM/RTM („Structural Reaction Injection
Moulding/Resin Transfer Moulding" in
Englisch). Die innere Hülle
spielt bei dieser Operation die Rolle eines Kerns.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, Kraftstofftanks herzustellen, welche ein Verhältnis Gewicht/Volumen insgesamt
von geringer als 0,40 kg/Liter aufweisen.
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Es
sei angemerkt, dass es nicht notwendig ist, dass die äußere Hülle fest
mit der inneren Hülle verbunden
ist, da der innere Druck, dem die innere Hülle im Betrieb ausgesetzt werden
wird, die innere Hülle
dazu natürlich
bringt, sich gegen die äußere Hülle anzulegen.
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Die
nachfolgende Beschreibung, welche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt,
wird die Erfindung gut verständlich
machen.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht mit teilweisem Schnitt der inneren
Hülle eines
Kraftstofftanks gemäß der Erfindung;
und
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2A und 2B stellen
das Einsetzen von faserartigen Verstärkungen auf die innere Hülle dar,
vor der Injektionsoperation einer harzartigen, thermohärtbaren
Zusammensetzung.
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In 1 hat
man die innere Hülle
eines Kraftstofftanks entsprechend der Erfindung dargestellt. Diese
Hülle 1 einer
pseudo-parallelepipedischen Form umfasst eine obere Fläche bzw.
Wand 2, eine unter Wand 3 und zwei seitliche Wände 4 und 5 und
zwei äußerste Wände 6 und 7.
Sie weist eine Mehrzahl von röhrenförmigen Elementen 8 und 9 auf, die
aus einem Stück
mit dem Rest der inneren Hülle und
regelmäßig voneinander
beabstandet sind, z.B. in einem Schritt P. Die Elemente 8,
wie z.B. 8a bis 8g verbinden die obere Wand 2 und
untere Wand 3, wohingegen die Elemente 9, wie
z.B. 9a–9g die
seitlichen Wände 4 und 5 miteinander
verbinden. Die Elemente 9 sind versetzt um einen halben
Schritt P im Verhältnis
zu den Elementen 8, um nicht diese letzteren zu überschneiden.
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Die
Mündungen
der röhrenförmigen Elemente 8 und 9 bilden
Vertiefungszonen im Verhältnis
zu den umgebenden Zonen der inneren Hülle.
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Die
obere Wand 2 und untere Wand 3 unterteilen sich
in Facetten 10, wie z.B. 10a, 10b,...,
welche leicht gewölbt
sind, wobei jede Facette durch die Ränder dieser Wände und
die Mündungen
der röhrenförmigen Elemente 8 begrenzt
ist.
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Die
gewölbte
Form jeder Facette 10 ermöglicht es den Wänden 2 und 3 besser
im Betrieb dem inneren Druck des verflüssigten Kraftstoffs zu widerstehen.
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Die
innere Hülle
kann durch Rotationsformen realisiert werden unter einem Setzen
des thermoplastischen Polymers in Form von mikronisiertem Puder
in einer passenden Form, welche den oder die notwendigen, metallischen
Einsätze
(nicht wiedergegeben) enthält
und Erhitzen auf eine Temperatur, welche das Schmelzen des thermoplastischen
Polymers hervorruft. Diese Einsätze
werden anschließend
durchbohrt, mit Gewinde versehen, etc... zum Aufnehmen der Befestigungsmuffen
von Abflussleitungen des Kraftstoffs, Befestigungslaschen oder jeder
anderen hinzugefügten
Vorrichtung. Rotationsbewegungen und Translationsbewegungen der
Form stellen die Verteilung des Polymermaterials an den Wänden dieser
letzteren sicher.
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Die
innere Hülle
weist ebenso eine Mehrzahl von geraden Verstärkungsbändern 11 auf, welche Zugelemente
zwischen den Wänden 2 und 3 einerseits
und 4 und 5 andererseits bilden. Die Bänder 11 können aus
einem Gewebe aus unidirektionalen, mit einem thermoplastischen Bindemittel
vorimprägnierten
Fasern (z.B. aus Glas, Karbon oder Aramid) gebildet sein. Jedes
Band 11 bildet eine Art Gurt bzw. Gürtel, wie z.B. 12a, 12b ...
oder 13a, 13b ..., der quer durch zwei benachbarte
röhrenförmige Elemente
hindurchgeht, wie z.B. 8a und 8b, für den Gurt 12b und über Zonen
der Wände 2 und 3,
die zwischen den Mündungen
und diesen röhrenförmigen Elementen angeordnet
sind. Gurte, wie z.B. 12a, sind ebenso zwischen den äußersten
röhrenförmigen Elementen, wie
z.B. 8a, und den äußersten
Wänden,
wie z.B. 6, der Hülle
vorgesehen. Vorzugsweise ist jeder Gurt doppelt, d.h., dass das
Band eine doppelte Runde macht. Das Band, welches jeden Gurt bildet,
wird unter einem leichten Druck angelegt und unter einem Erhitzen
zum Weich machen des Bindemittels derart, dass das Band nach dem
Abkühlen
gut an der Wand der inneren Hülle
haftet. Die Gurte 12 und 13 sind extrem widerstandsfähig gegenüber Zug
und begrenzen stark die Möglichkeiten
einer Verformung unter der Wirkung des inneren Drucks des verflüssigten Kraftstoffs.
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Nach
dem Platzieren der Bänder 11 füllt man vorteilhafterweise
den freien Raum der röhrenförmigen Elemente
mit Polymerschaum 14. Der Schaum kann von einer thermoplastischen
Art sein (Polyethylenschaum zum Beispiel) oder einem thermohärtbaren
(Epoxydschaum oder Polyurethanschaum zum Beispiel); der Schaum stellt
die Bindekraft und den Halt der Bänder sicher.
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Schließlich weist
die innere Hülle
an ihrem unteren Teil einen transversalen Einzug oder Hals 15 auf,
der vorgesehen ist, den Durchgang von z.B. einem Abgasrohr des Fahrzeuges
zu erlauben, auf welchem der Kraftstofftank montiert wird.
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2A und 2B stellen
die Operation des Aufschrumpfens dar, d.h. das Einsetzen von faserförmigen Verstärkungen
auf der inneren Hülle
vor der Operation einer Injektion.
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Die
fasrigen Verstärkungen
können,
wie es dargestellt ist, aus drei Teilen gebildet sein, d.h. einem
Zwischenteil 16 und zwei äußersten Teilen 17a und 17b.
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Der
Zwischenteil 16 bildet eine Art Muffe einer Form, die angepasst
ist an diejenige der inneren Hülle,
welche man durch Gleiten um diese letztere auffädelt, wie es 2A zeigt.
Wenn diese Muffe einmal vollständig übergezogen
ist, lässt
man die Form des Halses 15 sich anschmiegen, indem sie
auf der Oberfläche
dieser letzteren aufgeklebt wird, zum Beispiel mittels eines Klebstoffs,
der an dem Hals vor dem Überziehen
der Muffe aufgetragen wird. In einer Variante kann man um die Muffe
auf Höhe
des Halses 15 einen Gurt setzen, welcher die Muffe gegen den
Boden des Halses anlegt.
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Wenn
die Muffe 16 einmal an ihre Stelle gesetzt ist, weist sie
eine leicht geringere Länge
als diejenige der inneren Hülle
auf.
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Diese
Muffe ist aus einem Stapel von unidirektionalen Geweben gebildet,
deren Fasern gemäß den Richtungen
0° und 90° im Verhältnis zur
Hauptachse des Kraftstofftanks ausgerichtet sind. Der Stapel weist
in diesem Fall eines Gewebes mit Oberflächengewicht von 500 g/m2 4 Falten auf, die bei 0° ausgerichtet sind, und 4 Falten,
die bei 90° ausgerichtet
sind. Zwei multi-direktionale Falten von 1000g/m2 sind
auf die Falten aus uni-direktionalem Gewebe gesetzt, um die Bindekraft
des Stapels sicherzustellen.
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Die
Muffe 16 ist etwas länger
an ihrem unteren Teil als an ihrem oberen Teil, um der Tatsache Rechnung
zu tragen, dass zum Anschmiegen können an die Form des Halses 15 der
untere Teil der Muffe einen Zusatz an Länge im Verhältnis zum oberen Teil erfordert.
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Die äußersten
Teile 17a und 17b bilden eine Art von Deckeln,
deren Form und Größe es ermöglichen,
an den Enden des Zwischenteils 16 sie einzusetzen unter
einem simultanen Bedecken der äußersten
Wände 6 und 7 der
inneren Hülle.
Es ist gut eine Überdeckungszone
von mehreren Zentimetern zwischen dem äußersten Teil und dem Zwischenteil vorzusehen,
um die Bildung einer Schwächung
in Übergangszonen
zu vermeiden.
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Die
Deckel 17a und 17b sind dreidimensionale Strukturen,
welche aus einem Stapel von Geweben zusammengesetzt sind, die ähnlich zu
denjenigen sind, die für
die Muffe 16 beschrieben wurden. Dies ermöglicht eine
Reproduzierbarkeit der Operation des Aufschrumpfens, da die Deckel
in der letztendlichen Form des aufzuschrumpfenden Teils ausgearbeitet
sind. Des Weiteren könnten
derartige Deckel ein leichteres Aufschrumpfen von komplexen Formen
(Kuppel, Röhren,
etc...) in dem Fall ermöglichen,
wo man es wünscht,
einen Kraftstofftank einer komplexen Form herzustellen.
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Die
fasrigen Verstärkungsfasern
sind Glasfasern, jedoch könnte
man sie durch Karbonfasern oder Aramidfasern ersetzen.
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Die
innere Hülle,
welche mit den fasrigen Verstärkungen 16, 17a und 17b überzogen
ist, wird dann in einer Form einer Injektionsoperation von thermohärtbarem
Harz unterzogen, z.B. durch die zuvor genannte Technik SRIM/RTM.
Das thermohärtbare
Harz muss einen guten thermischen Halt aufweisen und auto-löschbar sein.
Man verwendet ein Epoxydharz, jedoch könnten in einer Variante auch phenolische
oder polyurethane Harze verwendet werden. Um jedes Zerdrücken oder
Weichwerden der inneren Hülle
während
der Operation einer Injektion zu verhindern, kann man die innere
Hülle mit Wasser,
falls es gewünscht
ist, füllen.
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Nach
der Vernetzung des thermohärtbaren Harzes
weist die äußere Verbundhülle eine
Dicke von 4,8 mm auf und enthält
50% in Volumen von gewobenen Verstärkungen. Der erhaltene Kraftstofftank weist
ein Verhältnis
Gewicht/Volumen insgesamt von 0,38 kg/Liter in etwa auf und erduldet
einen statischen Druck von mindestens 7,0 mPa.
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Die
Verstärkungsbänder begrenzen
sehr effizient die vertikale maximale Verformung auf weniger als
5 mm während
dem Unterdrucksetzen des Kraftstofftanks.
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Es
versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Ausführungsformen
nur Beispiele sind und man sie modifizieren könnte, unter einem Verbleiben
im Rahmen der Erfindung, welche lediglich durch die nachfolgenden
Ansprüche
definiert ist.