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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für Druckflüssigkeiten.
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Obwohl
die Erfindung geeignet ist für
eine Vielzahl von Anwendungen die Druckflüssigkeiten betreffen, bezieht
sie sich insbesondere auf einen Tank aus Kompositwerkstoff, der
dazu vorgesehen ist, „GPLc" (verflüssigtes
Erdgas) oder andere Kohlenwasserstoff-Verbindungen aufzunehmen.
Sie betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Tanks.
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Üblicherweise
verwendete Tanks für
verflüssigtes
Erdgas oder „GPLc" sind einem starken
Druck ausgesetzt in der Größenordnung
von 3 MPa. Sie müssen
nicht nur diesem Druck widerstehen, sondern auch ein Maß an Durchlässigkeit
entsprechend der Normen aufweisen und auch den bestehenden Vorschriften
entsprechen oder vorgegebenen Zielen entsprechen.
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Der
Stand der Technik wie die
FR
2764671 , die als nächstliegender
Stand der Technik angesehen wird und dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs
1 entspricht, beschreibt verschiedene Typen von Tanks aus Stahl
oder aus Kompositwerkstoff, die mindestens teilweise diese zwei
Vorgaben erfüllen. Unter
diesen Tanks haben die am häufigsten
verwendeten eine Kugelform oder eine Zylinderform, die bekannt sind
für ihre
Beständigkeit
gegen erhöhte
Drücke,
wobei sich diese Drücke
gleichmäßig über die Wandungen
verteilen.
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Aus
Erwägungen
des Platzbedarfs ist die Zylinderform die am häufigsten verwendete. In diesem Fall
wird der Tank in den Koffer raum eines Fahrzeuges, auf das Dach oder
auch noch an die Unterseite der Karosserie dieses Fahrzeugs gesetzt.
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Der
Tank kann auch eine Torusform aufweisen und an die Stelle des Ersatzreifens
gesetzt werden. Das Fehlen des Ersatzreifens stellt jedoch einen nicht
zu vernachlässigenden
Nachteil dar.
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In
verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, einen Tank in
flacher Form zu haben. Um dem Druck, dem er ausgesetzt ist, zu widerstehen,
muss ein solcher Tank mit einer dickeren Wandung versehen werden.
Diese Vergrößerung der Wandstärke läuft jedoch
einem der gewünschten
Ziele entgegen, nämlich
das Gewicht des Tanks zu verringern. Des weiteren führt diese
Vergrößerung zu
einem Tank mit einer bedeutenderen Ausdehnung, die letzteren inkompatibel
machen kann zu dem verfügbaren
Platz, an dem er angebracht wird.
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Das
Auftreten von Kompositwerkstoffen hat es erlaubt, Tanks in verschiedenen
Formen zu konzipieren, die vor allem den Vorteil aufweisen, dass
sie leichter sind und gleichzeitig eine gute Druckbeständigkeit
bewahren.
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Gleichzeitig
ist es notwendig, um den erhöhten
Drücken
zu widerstehen, sie mit sehr dicken Wandungen zu versehen.
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Insgesamt
müssen
Tanks im Falle von GPLc-Tanks einem Maximaldruck in der Größenordnung
von 7 MPa widerstehen, um den Sicherheitsanforderungen zu entsprechen.
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Die
Patentanmeldung WO 98/57095 offenbart Behälter, die dazu bestimmt sind,
Druckflüssigkeiten
aufzunehmen, die mehrere Verästelungen
aufweisen, die auf durchgehende Art die Hauptflächen der Tankwand miteinander
verbinden, die sich gegenüber
liegen. Dieser Tank ist mit einem schmiegsamen inneren Mantel versehen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft eine Struktur, die dazu
vorgesehen ist, eine Druckflüssigkeit
aufzunehmen, und ihr Herstellungsverfahren. Die Form der Struktur
kann beliebig sein, polymorph, einfach oder auch konvex, so dass
sie einen Ausgleich schafft zwischen zum einen der Druckbeständigkeit
und zum anderen dem gewünschten Leichtbau.
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Die
erhaltene Struktur kann ein Volumen aufweisen, das optimiert ist
in Bezug auf den verfügbaren
Platz oder die Geometrie des Ortes, an den sie gesetzt wird.
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Da
dieser Ort gemäß dem üblichen
Fall eine komplexe Form aufweist, die zu einer ungleichmäßigen Verteilung
von mechanischen Einschränkungen führt, ermöglicht es
die Erfindung, einen Tank mit einer komplexen Form zu schaffen,
die angepasst ist an diejenige des Ortes und den von der Komplexität der Form
erzeugten Zwängen
widersteht.
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Sie
erlaubt es vor insbesondere, Tanks zu schaffen, die dazu vorgesehen
sind, Druckflüssigkeiten
zu enthalten, wie beispielsweise GPLc, Kohlenwasserstoffe, Dimethylether,
GNV oder eine Mischung aus Gas und Flüssigkeit.
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Im
Verlauf der Beschreibung versteht man unter dem Ausdruck „Kompositwerkstoff" ein Material, das
eine Matrix aus Verstärkungselementen
aufweist. Die Matrix besteht im Allgemeinen aus Polymerwerkstoff
(beispielsweise Thermoplaste, Thermodure oder Elastomere) oder metallischen
oder mineralischen Werkstoffen. Die Verstärkungselemente können in
verschiedenen Formen vorliegen wie bei spielsweise Fasern und/oder
Bänder
und können verschiedenen
Typs sein oder auch natürlich
vorkommende wie beispielsweise mineralisch und/oder organisch und/oder
metallisch.
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Gleichermaßen definiert
man unter dem Ausdruck Versteifungsmittel ein „körperliches" Element, das verschiedene Formen aufweisen
kann wie eine „Zugelement", das zwei oder mehrere
Wandungen der Struktur miteinander verbindet oder eine Wulst der
Wandung der Struktur und/oder eine Rippe oder einen Einschnitt oder
auch jedes andere körperliche
Mittel, das zur Druckbeständigkeit
beiträgt.
Diese verschiedenen Mittel können
alleine oder in Kombination vorgesehen sein.
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Gemäß der Erfindung
weist die Struktur des polymorphen Tanks für eine Druckflüssigkeit
mindestens einen Mantel auf, der mindestens einen Raum begrenzt,
der dazu bestimmt ist, die Druckflüssigkeit aufzunehmen, wobei
diese Struktur aus einem Material mit bekannten mechanischen Eigenschaften
besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eines oder mehrere
Versteifungsmittel aufweist, wobei die Wahl und/oder die Verteilung
dieser Versteifungsmittel bestimmt wird unter Berücksichtigung
der mechanischen Eigenschaften des Materials und der Beanspruchungen,
die durch diese Druckflüssigkeit
ausgeübt
werden, um mindestens einem Zustand mit gegebenen Beanspruchungen
zu entsprechen.
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Die
Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:
- – Sie
erlaubt es, die Form und das Volumen des Tanks an die Geometrie
des Ortes, an dem er angeordnet werden wird, anzupassen, unabhängig von
der Komplexität
seiner Form,
- – Durch
Anpassen der Form und des Volumens des Tanks kann man den verfügbaren Platz
an einem Fahrzeug besser ausnutzen,
- – Die
erhaltene Struktur stellt eine Druckbeständigkeit und ein Niveau der
Dichtigkeit dar, die die aktuell gültigen Normen berücksichtigen
oder die insbesondere von den Konstrukteuren geforderten Beanspruchungen,
wobei gleichzeitig ein geringstmöglicher
Wert für
das Verhältnis
von Gewicht zu Fassungsvermögen
vorliegt, der mit der endgültigen
Verwendung des Tanks zusammenpasst,
- – Im
Falle eines Tanks, der aus einem äußeren Mantel und einem inneren
Mantel oder einer Auskleidung zusammengesetzt ist, ist es möglich, das Material
der Auskleidung an die Erfordernisse des Niveaus der Durchlässigkeit
und seiner Verträglichkeit
mit der enthaltenen Flüssigkeit
anzupassen. Insbesondere kann man das Niveau der Dichtheit an die
Beanspruchungen der Umgebung anpassen,
- – Die
thermische Leitfähigkeit
eines Komposit-Tanks ist sehr viel geringer als diejenige eines vollständig aus
Metall bestehenden Tanks, wobei auch bei Komposit-Tanks ein Temperaturanstieg verzögert erfolgt
ebenso wie ein Druckanstieg.
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Weiter
Ziele und Merkmale der Erfindung werden klarer werden im Lauf der
folgenden erklärenden
Beschreibung, wobei Bezug genommen wird auf die angehängten schematischen
Zeichnungen, die lediglich beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen
sind, wobei sie verschiedene Ausführungsformen zeigen, bei denen:
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die 1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines Tanks, der dazu bestimmt ist, eine Druckflüssigkeit oder GPLc aufzunehmen,
wobei der Tank mit Versteifungsmitteln und mit Dichtungsmitteln
versehen ist,
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die 2A–2C zeigen
schematisch eine Abwandlung, bei der die Versteifungsmittel Streben
sind und die 3 eine Abwandlung davon,
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die 4A–4D stellen
Abwandlungen der Versteifungsmittel dar, die von Rippen gebildet werden,
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die 5A und 5B zeigen
eine Abwandlung, bei der die Versteifungsmittel durch Wülste gebildet
werden,
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die 6A und 6B zeigen
schematisch eine Abwandlung einer tiefen Rippe,
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die 7 zeigt
eine Abwandlung, bei der ein Versteifungsmittel durch eine Verstärkung der
Klappe gebildet wird und
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die 8 zeigt
einen Tank für
GPLc-Treibstoff für
ein Automobil.
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Wie
vorstehend angegeben worden ist, besteht der Gedanke der vorliegenden
Erfindung darin, ausgehend von einer vorgegebenen Form eine Struktur
zu gestalten und zu realisieren, die dazu vorgesehen ist, eine Druckflüssigkeit
aufzunehmen, beispielsweise GPLc, wobei gleichzeitig ein Gewicht und
ein Dichtigkeitsgrad eingehalten werden, die mit den notwendigen
Beanspruchungen für
seinen endgültigen
Verwendungszweck übereinstimmen.
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Die
Struktur berücksichtigt
sowohl die geltenden Normen als auch die Vorschriften insbesondere
von Automobilkonstrukteuren oder von staatlicher Seite.
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Um
das Ziel der Erfindung besser darstellen zu können, bezieht sich die Beschreibung,
die im folgenden lediglich anschaulich und in keiner Weise einschränkend wiedergegeben
wird, auf einen Tank aus Kompositwerkstoff, der als Tank für GPLc verwendet
wird und in einem Auto eingebaut wird.
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Die 1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer solchen Struktur.
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Der
Tank weist eine Auskleidung 1 oder einem inneren Mantel
auf, der von einem äußeren Mantel 2 umgeben
wird, der beispielsweise aus Kompositwerkstoff hergestellt ist.
Die Auskleidung 1 ist beispielsweise entsprechend verschiedener
Arten von Herstellungsverfahren hergestellt, wie beispielsweise
Rotationsformen oder Extrusion/Blasen.
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Die
Auskleidung stellt zu hauptsächlich
eine Dichtheitsfunktion sicher, wobei sie eine Barrierefunktion
gegenüber
der Druckflüssigkeit
innehat. Sie kann auch dazu beitragen, die Kräfte zu verteilen, die durch
den inneren Druck entstehen, der von der Druckflüssigkeit auf die Wände der
Struktur ausgeübt wird.
Schließlich
kann sie zur Verstärkung
des Kompositwerkstoffs dienen, der als äußerer Mantel vorgesehen ist.
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Die
Auskleidung wird beispielsweise aus einem Material hergestellt,
das wenigstens eine der drei vorgenannten Funktionen erfüllen kann.
Verschiedene Arten von Materialien sind in der folgenden Beschreibung
als nicht beschränkende
Beispiele wiedergegeben.
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Eine Öffnung oder
ein Loch 3 in dem Tank nimmt eine Klappe 4 zum
Befüllen
und Leeren auf. Die Klappe ist beispielsweise mit verschiedenen üblicherweise
verwendeten Vorrichtungen versehen, wie beispielsweise einer Vorrichtung
zur Kontrolle des Flüssigkeitsspiegels,
Sicherungsorganen etc. Die Klappe ist auf der Höhe der Auskleidung und dem äußeren Mantel
beispielsweise mit Hilfe eines Einsatzes 5 gehalten.
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Um
einen Tank zu erhalten, der dem Druck einer Druckflüssigkeit
widerstehen kann, ist der Tank mit mehreren Versteifungsmitteln
versehen. In der 1 sind verschiedene Beispiele
von Mitteln angeführt,
die, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, einzeln oder in
Kombination miteinander verwendet werden können um einen Tank gemäß der Erfindung
zu erhalten.
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Wie
oben angesprochen worden ist, bezeichnet der Ausdruck „Versteifungsmittel" physikalische Elemente,
deren Funktion insbesondere die Verbesserung der Druckbeständigkeit
oder die Verbesserung der Druckbeständigkeit des Tankes ist.
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Der
Tank trägt
beispielsweise:
- – eine oder mehrere Streben,
die in eine Überbrückung 6 oder
eine Röhre
der Auskleidung 1 eingesetzt sind, und/oder
- – eine
oder mehrere Rippen 8, die zur Versteifung dienen können oder
nicht, und/oder
- – einen
oder mehrere Wülste 9,
die beispielsweise aus demselben Material bestehen wie dasjenige des
Kompositwerkstoffs, der den äußeren Mantel 2 bildet,
und/oder
- – einen
oder mehrere Einsätze,
die zwischen der Auskleidung und der Innenwandung des äußeren Mantels
des Tanks angeordnet sind.
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Verschiedene
detaillierte Beispiele dieser Versteifungsmittel, sowohl hinsichtlich
der Ausgestaltung ihrer Geometrie als auch hinsichtlich der Art
der Materialien, die sie bilden, sind in den 2A–7 dargestellt.
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Die
Verteilung und der Typ der Versteifungsmittel, mit denen der Tank
versehen ist, sind gemäß einem
Verfahren bestimmt, das im folgenden beschrieben wird.
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In
dieser 1 ist auch eine Saugröhre 10 dargestellt,
die die Verbindung zwischen den verschiedenen tiefen Punkten des
Tanks ermöglicht.
Die tiefen Punkte können
tatsächlich
voneinander getrennt sein durch die Ausgestaltung der Wand zur Innenseite
des Tankes hin.
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Eines
der Ziele der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere Versteifungsmittel
und ihre Verteilung auszusuchen um, ausgehend von einer vorgegebenen
Form, die mit dem Herstellungsverfahren des äußeren Mantels aus Kompositwerkstoff
und der Auskleidung kompatibel ist wie auch mit dem zur Verfügung stehenden
Platz, einen Tank zu erhalten, der in der Lage ist, dem von der
Flüssigkeit
ausgehenden Druck zu widerstehen.
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Für diesen
Zweck geht man beispielsweise gemäß der folgenden Abschnitte
vor:
Wenn die äußere Form
des Mantels, der den Tank bildet, der endgültige Betriebsdruck des Tanks
oder ein Wert des Grenzdrucks P bekannt sind, bestimmt man die mechanischen
Eigenschaften (Elastizität,
Gleichförmigkeit,
Typ der Versteifungen, Größenordnung der
Versteifungen, ...) des oder der Kompositwerkstoffe, die den äußeren Mantel
des Tanks bilden.
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Die
mechanischen Beanspruchungen sind im Verlauf der Beschreibung bezeichnet
mit: σ (Zugbeanspruchung),
T (Scherungsbeanspruchung), γ (Scherungsverformung
durch) und ε (Verformung
an einem gegebenen Punkt der Struktur).
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Es
wird ein Bereich [emin, emax]
vorgegeben für
die Werte der Dicke e. Dieser Bereich ist beispielsweise gewählt abhängig von
der Funktion des Materials und der Beanspruchungen der endgültigen Verwendung
(akzeptables Gewicht, Fassungsvermögen).
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Vorrangig
vor dem Verfahren ist es möglich, eine
Datenbank aufzubauen, die für
ein Versteifungsmittel genau seine Wirksamkeit angibt, also die
Art und Weise, wie es teilnimmt an der oder beiträgt zu der
Druckbeständigkeit.
Die Versteifungsmittel können
durch ihre Geometrie, ihre Größe oder
noch durch ihre Art gekennzeichnet sein.
- 1)
In einer ersten Phase legt man ein Netz des Tanks für eine Dicke
fest die auch sinnvollerweise konstant ist auf der gesamten Struktur,
beispielsweise entsprechend dem Wert emin.
Zu Beginn dieses Abschnitts (1) hat man eine Gesamtheit von Knoten
Ni. Man kann die Theorie der Schalen verwenden, die beispielsweise
im Werk von S. Timoschenko und S. Woinowsky-Krieger beschrieben ist mit dem Titel „Theorie
der Schalen" beim Verlag
Edition Dunod.
Im Verlauf dieses ersten Abschnitts geht man
von der Voraussetzung aus, dass das Material gleichförmig oder
quasi gleichförmig
ist.
- 2) Man unterwirft diesen Tank einem inneren Druck, der beispielsweise
dem Betriebsdruck oder einem Testdruck entspricht,
- 3) für
jeden der Knoten Ni der Struktur bestimmt man den Beanspruchungsstand
(σi, τi, γi, εi) unter Verwendung
von beispielsweise der Finite-Elemente-Methode,
- 4) ausgehend von den Daten (Ni, σi, Ti, γi, εi) erstellt man eine Karthographie
C1 der kritischen Zonen, die an den Knoten Ni sitzen. Diese Zonen Zj
sind spezifiziert durch Bezug zu den Werten der akzeptierten Beanspruchung σmax, τmax, γmax, εmax. Die
akzeptierten Werte sind beispielsweise bestimmt unter Berücksichtigung
der Art des vorgesehenen Materials, wobei das letztere charakterisiert
worden sein kann im Verlauf von mechanischen Versuchen, die zuvor
festgelegt worden sind,
- 5) Man wendet die Abschnitte 2) bis 4) an für einen zweiten Wert der Dicke
e2, der sinnvollerweise gleichförmig
oder konstant sein kann, mit denselben Voraussetzungen und denselben
Versuchsbedingungen, wobei der Wert für e2 der Wert emax sein kann,
- 6) Vor Durchführen
des Abschnitts 5) ist es möglich,
die erhaltenen Ergebnisse für
die Karte C1 zu verwenden um die Dicke zu ändern, beispielsweise in dem
der Dickenschritt zwischen den Bereichen der spezifizierten Überbeanspruchungen, wobei
man in diesem Fall wieder von vorne beginnt mit dem Abschnitt 1),
- 7) Am Ende dieser ersten Phase der Nachbildung hat man zwei
Karthographien C1 und C2, die die Anordnung der Zonen Zj der Beanspruchungen oder
der Überbeanspruchungen
als Funktion der Dicke e1 und e2 angeben. Gemäß einer Ausgestaltungsart bestimmt
man einen Tank, der eine variable Dicke aufweist. Die Verteilung
der Werte der Dicke wird beispielsweise ausgehend von den zuvor
erhaltenen Karthographien bestimmt. Man wählt beispielsweise die minimale
akzeptierte Dicke, damit die Beanspruchungen so gering sind wie
möglich,
- 8) In einer zweiten Phase versieht man den Tank, der die geringstmögliche Dicke
e1 aufweist oder den Tank mit einer variierenden Dicke, mit einem oder
mehreren Versteifungsmitteln eines ersten gegebenen Typs. Man wählt beispielsweise
den Typ der Versteifungsmittel, Streben oder Rippen oder auch Wülste oder
auch Einsätze
unter Verwendung der zuvor erstellten Datenbank,
- 9) Man setzt den dergestalt ausgestalteten Tank einem inneren
Druck aus, der identisch ist mit demjenigen des Abschnitts 2), und
man erstellt eine Karthographie Ci, die die Zonen Zj der Überbeanspruchungen
wiedergibt,
- 10) Man verifiziert, beispielsweise für jeden der Knoten Ni, die
in den Zonen der Beanspruchung oder der Überbeanspruchung liegen, das
der Wert oder die Werte der Beanspruchungen (σi, Ti, γi, εi) akzeptabel sind im Vergleich
zu den maximalen vorhergesagten Werten,
- 11) Sobald ein Beanspruchungswert einen der maximalen Werte übersteigt ändert man
wenigstens eine der folgenden Parameter: den Typ des Versteifungsmittels,
seine Größe, seine örtliche Anordnung,
... und man wiederholt die Abschnitte 9) und 10),
- 12) Nach jedem der Abschnitte verifiziert man beispielsweise,
dass die Form des Tanks kompatibel ist mit dem Herstellungsverfahren.
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Am
Ende dieser Abschnitte verfügt
man über einen
Tank, der mit verschiedenen Versteifungsmitteln versehen ist, die
ausgewählt
und verteilt sind entsprechend der Form des Tanks um dem Druck zu
widerstehen.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
werden die Abschnitte 1) bis 6) ersetzt durch einen Abschnitt, in
dem man die Zonen der Wülste
bestimmt unter Verwendung eines Optimierungsmoduls oder -schaltkreises,
der es erlaubt, ausgehend von den erhaltenen Ergebnissen für einen
Tank der Dicke eI, dem Bereich der Werte [emin, emax] und der Eigenschaften
des Materials einen Tank zu erhalten, der eine Wand mit variabler
Dicke hat. Ein solcher Tank entspricht beispielsweise der Struktur,
die im Abschnitt 7) der Optimierung beschrieben ist.
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Anschließend durchläuft man
die Abschnitte 8) bis 12) des Verfahrens.
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Gemäß einer
anderen Variante des Verfahrens verwendet man im Abschnitt 1) das
Schalenverfahren und/oder das Volumenverfahren, um das Netz zu erstellen.
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Das
Verfahren eignet sich insbesondere für Tanks, die aus einem Material
bestehen, das veränderliche
mechanische Eigenschaften aufweist, die von der Richtung abhängig sind
oder nicht, wie beispielsweise Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit.
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Gemäß einer
Ausgestaltungsvariante des genannten Verfahrens berücksichtigt
man das Material der Auskleidung und insbesondere seiner Fähigkeit,
die Beanspruchungen oder die Einwirkungen, die auf seine Struktur
ausgeübt
werden, zu verteilen. In diesem Fall berücksichtigt der Abschnitt des
Bildens des Netzes zwei Materialarten, die der Auskleidung und die
des äußeren Mantels.
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Das
oben beschriebene Verfahren kann auch einen Abschnitt aufweisen,
der daraus besteht, die Form des endgültigen Tanks zu optimieren
unter Berücksichtigung
des Orts, an dem er integriert werden muss, oder, allgemeiner ausgedrückt, des
verfügbaren
Platzes des Fahrzeuges.
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In
diesem Fall wird vor dem vorgenannten Abschnitt 1) ein Abschnitt
durchgeführt,
in dem man den verfügbaren
Platz berücksichtigt
oder die Geometrie des Orts, an dem der Tank angebracht wird, um
die Tankform zu optimieren. Man stellt sicher, dass diese Form keine Überbeanspruchungen
erzeugt, und unter Umständen ändert man
die Form der kritischen Zonen.
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Der äußere Mantel
der Struktur ist beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff gebildet.
Der Verbundwerkstoff wird gebildet aus einer Matrix, beispielsweise
aus Epoxidharz oder Polyester etc. und aus einem vorgenannten Verstärkungselement.
Die Fasern können
auf verschiedene Arten angeordnet sein, beispielsweise entsprechend
der Form eines gerichteten Gewebes (der Großteil der Fasern ist überwie gend
ausgerichtet) oder eines nicht ausgerichteten Gewebes. Die Fasern
können
Glasfasern oder Kohlefasern sein. Der Verbund kann mehrere Schichten
von Fasern aufweisen, wobei die Ausrichtung der Schichten untereinander
gewählt
ist unter Berücksichtigung
der Widerstandskraft für
den gewünschten
Druck.
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Die
Auskleidung des Tanks erfüllt
wenigstens drei Funktionen, insbesondere die folgenden:
- 1) Sie spielt eine Rolle bei der Dichtheit dadurch, dass sie
gegenüber
der enthaltenen Flüssigkeit eine
Barriere bildet,
- 2) sie kann als Träger
für den
Kompositwerkstoff dienen bei der Herstellung des Tanks,
- 3) sie kann es auch erlauben, die Kräfte aufgrund des inneren Drucks
zu verteilen,
- 4) durch eine leichtere Verformbarkeit als der Kompositwerkstoff
kann die Struktur oder der endgültige
Tank ein Dichtheitsniveau bewahren, das ausreichend ist trotz einer
möglichen
Beschädigung
des äußeren Mantels.
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Die
Auskleidung wird gebildet aus einem Material, das wenigstens die
Dichtheitsfunktion erfüllt. Das
Dichtheitsniveau wird festgelegt durch bestehende Regelungen und/oder
das Lastenheft der Hersteller. Das Material und seine Stärke werden
durch dieses Dichtheitsniveau bedingt.
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Sie
besteht typischerweise aus einem thermoplastischen Polymer, das
beispielsweise aus der folgenden Liste ausgewählt ist:
Polyolefine (Polyethylene,
Polypropylene), PE oder PP, Polyamide (PA11, PA12, PA6, 6-6, ...),
aliphatische Polycetone wie Carilon (eine geschützte Marke von SHELL), Polyethylenterephtalat oder
PET, Polybutylenterephtalat oder PBT, Polyacetal wie beispielsweise
POM (Polyoxymethylen), EVOH, fluorisierte Polymere, PVDF, PTFE (Polytetrafluorethylen oder
Teflon), etc. ...
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Die
vorgenannten Materialien können
beispielsweise behandelt werden um die Barrierenwirkung zu verstärken, aber
nicht ausschließlich,
gemäß dem Verfahren
des Fluorisierens von Polyethylen mit hoher Dichte, was bekannt
ist auf dem Gebiet von klassischen Tanks für flüssige Kohlenwasserstoffe.
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Gemäß einer
Ausführung
kann die Auskleidung selber aus vielen Schichten bestehen, wobei die
Schicht, die in Kontakt mit der Druckflüssigkeit ist, die am wenigsten
durchlässige
ist. Es ist möglich,
einen Metallfilm zu verwenden, beispielsweise auf der Basis von
Aluminium, oder eine Ansammlung von Metall abzuscheiden auf der
inneren Oberfläche
der Auskleidung, also auf der Oberfläche, die in Kontakt mit der
Flüssigkeit
ist. Man sollte einen dünnen
Film verwenden, um das Gewicht des Tanks möglichst wenig zu erhöhen.
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Die
Auskleidung kann gebildet werden durch eine Legierung oder eine
Mischung aus verschiedenen Polymeren, darunter Elastomere, und einen
oder mehrere Zusätze
aufweisen wie antioxidierende Zusätze, Plastifizierer, Feuerschutzmittel
oder beispielsweise noch beispielsweise mineralische Anteile.
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Das
Herstellungsverfahren der Auskleidung wird gewählt in Abhängigkeit von dem verwendeten Material
und der Anzahl der herzustellenden oder zu erstellenden Teile. Vorteilhaft
werden auf diesem Gebiet die Verfahren des Rotationsformens oder
des Extrusion/-Blasens verwendet.
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Das
Material der Auskleidung, vor allem im Hinblick auf seine Fähigkeit,
eine Rolle bei der Dichtheitsbarriere zu spielen, kann dazu bestimmt
sein, um das Anordnen der Verstärkungen
zu unterstützen,
die von dem Kompositwerkstoff gebildet sind, und anschließend das
Spritzen und Härten
des Verbundes.
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Es
muss auch ein gutes mechanisches Verhalten aufweisen, da der Tank
bei der Benutzung möglicherweise
Druckbelastungen ausgesetzt wird und auch Druckbelastungen bei geringen
Temperaturen oder im Fall von Ausdehnung.
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Die 2A und 2B zeigen
schematisch ein erstes Beispiel von Versteifungsmitteln in Form einer
Strebe.
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In
diesem Beispiel trägt
den Mantel, der die Auskleidung 1 bildet, eine oder mehrere
Röhren 6. Die
Röhre 6 dient
dazu, die Strebe 7 aufzunehmen, bei der der kraftaufnehmende
Teil oder das Verstärkungsmittel 11 eine
Umflechtung oder eine unidirektionale Versteifung oder noch jedes
andere Mittel sein kann, das in der Lage ist, zusätzlichen
Druck auszuhalten. Die Verstärkung 12 aus
Kompositwerkstoff bildet die Wand des Tanks, verläuft zur
Innenseite der Röhre 6 und
ist vorteilhaft durch die Verstärkung
der Strebe bedeckt.
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Die
Verstärkung
der Strebe wird beispielsweise in dieser Röhre verwirklicht und mit Hilfe
des Zylinders 13 (gefüllt
oder hohl, verstärkt
oder nicht) gehalten, der zur Stabilität der Strebe beitragen kann.
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Stücke 14,
die im Wesentlichen konische Form aufweisen, können unter Umständen an
die Enden der Zylinder 13 platziert werden, um die verstärkenden
Schichten an gewünschter
Stelle zu halten, die von der Wand und von der Strebe kommen.
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Die
Streben können
verschiedene Formen annehmen, wie sie in der 2C schematisch
gezeigt sind. Sie können
kreisförmig
sein, elliptisch oder aus einer Mischung von Bögen und geraden Stücken geformt
sein.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante,
wie sie schematisch in 3 gezeigt ist, kann sich ein
Teil oder die Gesamtheit der Versteifungen der Strebe verlängern über die
Wände hinaus
und sogar selber einen Mantel 15 bilden, wie diese Figur
zeigt. Der Mantel eine Strebe und eine Seitenwand des Tanks. Dieses
Mittel kann vorgesehen sein unabhängig von der Form der Strebe.
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Diese
Ausführungsvariante
ermöglicht
es insbesondere, die örtliche
Beständigkeit
durch die Wirkung einer solchermaßen gebildeten Wulst zu erhöhen, und
auch durch die Wirkung des Mantels. Eine solche Versteifung kann
unidirektional sein oder nicht, beispielsweise kann sie durch ein
Gewebe gebildet sein. Die besagte Strebe verbindet zwei Seiten, die
im Wesentlichen parallel sind zueinander oder einen bestimmten Winkel α zwischen
sich bilden.
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Die 4A, 4B, 4C und 4D zeigen
schematisch Rippen, die die Rolle der Versteifungsmittel einnehmen.
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Allgemein
wird die Form der Rippen beispielsweise als Funktion der Herstellung
des Tanks und insbesondere der Auskleidung ausgewählt.
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Beispielsweise
kann die Wölbung
einer Rippe so gewählt
sein, dass das Pulver, das im Rotationsformverfahren verwendet wird,
während
der Abschnitte der Herstellung an Ort und Stelle verbleibt.
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Die
anderen Parameter wie die Dicke und/oder die Tiefe der Rippe und/oder
die Größe, sind
beispielsweise gewählt
als Funktion der Überbeanspruchung,
die an dieser Stelle der Struktur ausgeübt wird, oder auch als Funktion
des Herstellungsverfahrens.
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Die
Richtung der Rippe ist beispielsweise vorgegeben durch die Richtung
der hauptsächlichen Beanspruchung,
die man dadurch verringern möchte,
oder durch eine Analyse der Verformung des Mantels.
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Die 4A und 4B zeigen
zwei verstärkte
Rippen. Das Versteifungsmittel umfasst die in der Auskleidung 1 gebildete
Rippe 16, die Verstärkungselemente 12 aus
Kompositwerkstoff und die Verstärkungselemente 17 der
Rippe. Die Verstärkungselemente 17 der
Rippe können über oder
unter dem Verstärkungselement
aus Kompositwerkstoff angeordnet sein.
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Die
Verstärkung
der Rippe ist beispielsweise unidirektional oder nicht, abhängig von
der Richtung der hauptsächlichen
Beanspruchungen, die auf die Wandungen der Struktur einwirken (Höhe der Beanspruchung,
hauptsächliche
Zugbeanspruchung, ...)
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In
bestimmten Fällen
kann, wie in den 4C und 4D dargestellt
ist, allein die Form der Rippe die notwendige Vergrößerung der
Steifigkeit bewirken.
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Die 4C zeigt
schematisch eine innere Rippe und die 4D eine
Rippe, die nach außen gewölbt ist.
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Die 5A und 5B zeigen
schematisch zwei Beispiele von Versteifungsmitteln, die durch eine
Wulst gebildet sind.
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Die
Wulst 19 hat als Funktion insbesondere eine Versteifung
einer Zone, die gefährdet
ist, sich zu stark zu verformen. Diese Wulst kann in der Nähe eines
Einsatzes angeordnet sein, beispielsweise des Einsatzes 5,
der dazu dient, die Klappe 4 in der Wandung des Tanks zu
halten.
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Die
Wulst ist beispielsweise gebildet von Verstärkungselementen 20,
die bei diesen beiden Beispielen über einem Verstärkungselement 12 des
Verbundes angeordnet sind.
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Die
Verstärkungselemente,
die für
die Rippen und die Wülste
verwendet werden, sind beispielsweise identisch zu denjenigen, die
für die
Streben verwendet werden.
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Die 6A und 6B zeigen
schematisch Versteifungsmittel, die aus einer oder mehreren „tiefen" Rippen 21 in
der Auskleidung 1 gebildet sind. Diese tiefe Rippe nähert sich
einer Strebe, deren Querschnittsform ausreichend flach ist, aber
direkt mit den äußeren Wandungen
des Tanks verbunden sein könnte.
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Die 7 zeigt
eine Variante, bei der das Versteifungsmittel gebildet wird von
der dem Einsatz 5 der 1 entsprechenden
Halterung 22 der Klappe.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsvariante kann
das Versteifungsmittel von der Klappe gebildet werden oder von einem
zuvor erwähnten
Element des Systems zum Befüllen
und Leeren.
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Verschiedenen
Herstellungsverfahren können
angewandt werden sowohl für
die Auskleidung als auch für
den Kompositmantel.
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Eine
Herstellungsart besteht darin, den inneren Mantel oder die Auskleidung
von der Anwendung eines Verfahrens des Rotationsformens herzustellen.
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Man
geht beispielsweise folgendermaßen vor:
Das
Berechnungsverfahren hat es ermöglicht,
eine Geometrie oder Form des endgültigen Mantels des Tanks zu
bestimmen und die Anordnung verschiedener Versteifungsmittel. Die
Form der inneren Wand dieses Mantels bestimmt die äußere Form
der Auskleidung.
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Man
verwendet eine Spritzform mit einer inneren Form, die im Wesentlichen
identisch ist zu der gewünschten äußeren Form
für die
Auskleidung und die auch die Anordnung von Streben und/oder Rippen
und/oder Wülsten
und/oder Einsätzen
berücksichtigt.
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Beim
Verfahren mit den üblich
verwendeten Abschnitten bei der Durchführung des Rotationsformens
erhält
man durch die Wahl des Materials der Auskleidung und der Verfahrensbedingungen
eine Auskleidung, bei der der Mantel mit Röhren versehen ist, die dazu
ausgebildet sind, Versteifungen zum Ausbilden der Streben oder auch
Einsätze
aufzunehmen, die den gewünschten
Rippen und auch Wülsten entsprechen.
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Man
ordnet auf dem Niveau dieser Auskleidung die Verstärkungselemente
aus Kompositwerkstoff und die Versteifungsmittel an. Anschließend spritzt
man den Kunststoff ein und unterzieht das Ganze einer Behandlung,
die es ermöglicht,
die endgültige
Struktur zu erhalten.
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Ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen, kann das Herstellungsverfahren
mit Hilfe eines Verfahrens des Extrusionsspritzens gemacht werden,
bei dem die Abschnitte zur Umsetzung dem Fachmann bekannt sind und
deswegen nicht im Detail wiedergegeben werden.
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Die
Struktur oder der Tank gemäß der Erfindung
kann auch in den verfügbaren
Platz eines Fahrzeuges integriert werden. So kann es, insbesondere im
Fall eines Fahrzeugtanks, derzeit notwendig sein, einen Ersatztank
vorzusehen, der dazu bestimmt ist, eine Flüssigkeit anderer Natur aufzunehmen
um die Möglichkeit
einer Unabhängigkeit
von Hilfe zu bieten. Für
diese Wirkung, und wie in der 8 gezeigt
ist, sieht man es vor, in dem Körper
des GPLc-Tanks eine Aufnahme auszubilden, in der der Ersatztank 24 eingesetzt
ist, der mit allen üblichen
Mitteln 25 der Anschlüsse
und der funktionalen Teile wie einer Pumpe versehen ist, was die
Montage des gesamten Tanks erheblich vereinfacht.
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Es
ist selbstverständlich,
dass zahlreiche Varianten vorgesehen sein können, wie sie durch die Ansprüche definiert
werden, insbesondere durch Ersetzen durch technisch äquivalente
Mittel, ohne dadurch den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.