DE60028625T2

DE60028625T2 - Behälter für druckflüssigkeiten und dessen herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60028625T2
Application number: DE60028625T
Authority: DE
Inventors: Laurent Thibout; Lorenzo Barlesi; Bernard Dewimille; Bruno Flaconneche; Jacques Renard; Philippe Piris
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; ROXER
Current assignee: Roxer Courbevoie Fr; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1999-10-11
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-11
Also published as: FR2799526A1; FR2799526B1; EP1409917B1; EP1409917A1; WO2001027520A1; DE60028625D1; ATE329200T1; AU7797200A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für Druckflüssigkeiten.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gleichzeitig ist es notwendig, um den erhöhten Drücken zu widerstehen, sie mit sehr dicken Wandungen zu versehen.
Insgesamt müssen Tanks im Falle von GPLc-Tanks einem Maximaldruck in der Größenordnung von 7 MPa widerstehen, um den Sicherheitsanforderungen zu entsprechen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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:
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,
die 2A–2C zeigen schematisch eine Abwandlung, bei der die Versteifungsmittel Streben sind und die 3 eine Abwandlung davon,
die 4A–4D stellen Abwandlungen der Versteifungsmittel dar, die von Rippen gebildet werden,
die 5A und 5B zeigen eine Abwandlung, bei der die Versteifungsmittel durch Wülste gebildet werden,
die 6A und 6B zeigen schematisch eine Abwandlung einer tiefen Rippe,
die 7 zeigt eine Abwandlung, bei der ein Versteifungsmittel durch eine Verstärkung der Klappe gebildet wird und
die 8 zeigt einen Tank für GPLc-Treibstoff für ein Automobil.
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.
Die Struktur berücksichtigt sowohl die geltenden Normen als auch die Vorschriften insbesondere von Automobilkonstrukteuren oder von staatlicher Seite.
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.
Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer solchen Struktur.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
Die Verteilung und der Typ der Versteifungsmittel, mit denen der Tank versehen ist, sind gemäß einem Verfahren bestimmt, das im folgenden beschrieben wird.
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.
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.
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.
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).
Es wird ein Bereich [e_min, e_max] 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).
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 e_min. 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.

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.
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.
Anschließend durchläuft man die Abschnitte 8) bis 12) des Verfahrens.
Gemäß einer anderen Variante des Verfahrens verwendet man im Abschnitt 1) das Schalenverfahren und/oder das Volumenverfahren, um das Netz zu erstellen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
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. ...
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 2A und 2B zeigen schematisch ein erstes Beispiel von Versteifungsmitteln in Form einer Strebe.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 4A, 4B, 4C und 4D zeigen schematisch Rippen, die die Rolle der Versteifungsmittel einnehmen.
Allgemein wird die Form der Rippen beispielsweise als Funktion der Herstellung des Tanks und insbesondere der Auskleidung ausgewählt.
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.
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.
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.
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.
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, ...)
In bestimmten Fällen kann, wie in den 4C und 4D dargestellt ist, allein die Form der Rippe die notwendige Vergrößerung der Steifigkeit bewirken.
Die 4C zeigt schematisch eine innere Rippe und die 4D eine Rippe, die nach außen gewölbt ist.
Die 5A und 5B zeigen schematisch zwei Beispiele von Versteifungsmitteln, die durch eine Wulst gebildet sind.
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.
Die Wulst ist beispielsweise gebildet von Verstärkungselementen 20, die bei diesen beiden Beispielen über einem Verstärkungselement 12 des Verbundes angeordnet sind.
Die Verstärkungselemente, die für die Rippen und die Wülste verwendet werden, sind beispielsweise identisch zu denjenigen, die für die Streben verwendet werden.
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.
Die 7 zeigt eine Variante, bei der das Versteifungsmittel gebildet wird von der dem Einsatz 5 der 1 entsprechenden Halterung 22 der Klappe.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann das Versteifungsmittel von der Klappe gebildet werden oder von einem zuvor erwähnten Element des Systems zum Befüllen und Leeren.
Verschiedenen Herstellungsverfahren können angewandt werden sowohl für die Auskleidung als auch für den Kompositmantel.
Eine Herstellungsart besteht darin, den inneren Mantel oder die Auskleidung von der Anwendung eines Verfahrens des Rotationsformens herzustellen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Polymorphe Tankstruktur für eine Druckflüssigkeit, die sich in eine Aufnahme (L) vorgegebener Form einfügen können muss, einen Mantel umfassend, der mindestens einen Raum begrenzt, der dazu bestimmt ist, die Druckflüssigkeit aufzunehmen, wobei der Mantel einen inneren Mantel (1), einen äußeren Mantel (2) aus mindestens einem Kompositwerkstoff und mehrere Versteifungsmittel (7, 8, 9, 16, 19, 21) umfasst, wobei der Kompositwerkstoff aus Verstärkungsmitteln (11, 12, 15, 17, 20) besteht, die in einem Grundmaterial gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (1) eine Schicht geformten thermoplastischen Polymer-Werkstoffs ist, dessen Form der vorgegebenen Form der Aufnahme (L) entspricht und eine eigene mechanische Haltbarkeit hat, um als formender Träger für die Schicht aus Kompositwerkstoff zu dienen, und als Träger für die Positionierung der Verstärkungselemente (11, 12, 15, 17, 20) des Kompositwerkstoffs und/oder der Versteifungsmittel.
Tankstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Versteifungsmittel (7, 8, 9, 16, 19, 21) in den Bereichen maximaler Spannungen angeordnet sind.
Tankstruktur nach Anspruch 2, wobei die Tankstruktur mindestens zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel eine Strebe (7) aufweisen, die zwei gegenüberliegende Seiten der Tankstruktur verbindet.
Tankstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese gegenüberliegenden, durch eine Strebe (7) verbundenen Seiten etwa parallel sind oder untereinander einen vorgegebenen Winkel bilden.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel in einem vorgegebenen Bereich des Mantels eine Wulst (9, 19) umfassen, wobei diese Wulst Verstärkungsmittel (20) umfasst.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel eine Rippe (8, 16) umfassen, die auf dem inneren (1) oder äußeren (2) Mantel angeordnet ist, wobei die besagte Rippe (16) Verstärkungsmittel (17) umfasst.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel aus demselben Kompositwerkstoff bestehen wie der äußere Mantel (2).
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsmittel aus einem Kompositwerkstoff bestehen, der sich von dem den äußeren Mantel (2) bildenden Werkstoff unterscheidet, wobei die Anordnung oder Ausrichtung der Verstärkungselemente unterschiedlich ist.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein System zum Befüllen und Entleeren (4, 5) umfasst.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel (10) zur Überleitung einer Druckflüssigkeit zwischen den verschiedenen tiefen Ebenen der besagten Tankstruktur umfasst.
Tankstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu vorgesehen ist, flüssiges Erdölgas (GPL) oder Dimethylether zu enthalten.
Verfahren zur Herstellung einer Tankstruktur, wobei die Tankstruktur einem der Ansprüche 1 bis 11 entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Herstellungsphase umfasst, die die folgendenden Schritte aufweist: g) Herstellung eines inneren Mantels (1) aus einem thermoplastischen Polymermaterial durch Formen in einer Form, die der inneren Form der Aufnahme (L) entspricht, der mit Flächen zur Aufnahme der Versteifungsmittel (7, 8, 9, 16, 19, 21) versehen ist, h) Anordnung der Versteifungsmittel (7, 8, 9, 16, 19, 21) und/oder der Verstärkungsmittel (11, 12, 15, 17, 21) auf dem geformten inneren Mantel (1), und i) Bildung und Formung der Kompositwerkstoffschicht.
Verfahren zur Herstellung einer Tankstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Entwurfsphase umfasst, die der Herstellungsphase vorausgeht, wobei diese Entwurfsphase die Schritte umfasst a) Bestimmung der Form der herzustellenden Tankstruktur ausgehend von der Aufnahmestruktur, Aufbau eines Netzes der besagten Struktur für mindestens einen Wert der Dicke e des Mantels, b) Aussetzen der Struktur einem Druckwert P, der im Verhältnis zu einer abschließenden Nutzungsbeanspruchung ausgewählt wurde, c) Bestimmung der Verteilung der Überbeanspruchungsbereiche auf der gesamten oder mindestens dem Großteil der Struktur, d) Anordnung eines ersten Typs von Versteifungsmitteln (7, 8, 9, 16, 19, 21) im Verhältnis zu den vorher bestimmten Überbeanspruchungsbereichen, e) Überprüfung durch Anlegen eines bestimmten Drucks, dass die der ermittelten Beanspruchungswerte mindestens im Verhältnis zu den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs zulässig sind, f) Optimierung der Form und/oder des Typs und/oder der Verteilung der Versteifungsmittel (7, 8, 9, 16, 19, 21) und Wiederholung des Schritts e), wenn mindestens einer der besagten Beanspruchungswerte über den zulässigen Werten liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Tankstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) für zwei Dickewerte e1 und e2 durchgeführt wird, die in einem Intervall (emin, emax) ausgewählt werden, das vom Werkstoff und der abschließenden Nutzungsbeanspruchung abhängt.
Verfahren zur Herstellung einer Tankstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) für einen Mantel durchgeführt wird, der auf mindestens einem Teil seiner Oberfläche eine variable Dicke hat, wobei diese Variationen unter Berücksichtigung der in Schritt c) für einen Dickewert e ermittelten Überbeanspruchungsbereiche verteilt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Tankstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt g) durch Rotationsformen oder Extrusion/Blasen durchgeführt wird.