EP1592915B1 - Druckbehälter - Google Patents

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EP1592915B1
EP1592915B1 EP04709141A EP04709141A EP1592915B1 EP 1592915 B1 EP1592915 B1 EP 1592915B1 EP 04709141 A EP04709141 A EP 04709141A EP 04709141 A EP04709141 A EP 04709141A EP 1592915 B1 EP1592915 B1 EP 1592915B1
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EP
European Patent Office
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pressure tank
lids
cylindrical pressure
layer
reinforcement
Prior art date
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EP04709141A
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English (en)
French (fr)
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EP1592915A1 (de
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Dirk Büchler
Gerhard Buttkewitz
Georg Harzfeld
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1592915B1 publication Critical patent/EP1592915B1/de
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    • F17C2260/013—Reducing manufacturing time or effort

Definitions

  • the invention relates to a cylindrical pressure vessel made of fiber-reinforced plastic for storing gases.
  • the prior art is characterized by pressure vessels containing an inliner of metal or plastic. On the inliner, the fiber-reinforced plastic is applied by means of a winding process.
  • the axial strength is realized by longitudinal windings and the circumferential strength separated by circumferential windings.
  • the inliner serves as a scaffold for the application of the fiber-reinforced plastic and as a barrier to the permeation of gases.
  • the strength of the pressure vessel is achieved by the application of fiber-reinforced plastic.
  • the inliner increases the weight of the component.
  • a problem that precludes the use of the largest possible volume of the known container relates to the fact that the end faces of the pressure vessel are always formed as a convex dome. Due to the shape of the dome an unfavorable volume utilization is given.
  • the modification of the dome by a so-called isotensoidal shape and the modification of the fiber distribution and angle can mitigate this problem only conditionally.
  • DE 197 49 950 A shows a container with arranged in the cavity of the container with the cladding layer connected support elements, which may be formed as threads and are passed through corresponding guide channels.
  • the cladding layer is held in a specific shape and the support elements assume the function of a seam.
  • the disadvantage of these arrangements is that the reinforcing structures must absorb the pressure in all directions.
  • the resulting shape of the pressure vessel is inevitable, since the windings must be offset at an angle.
  • the general requirements for minimizing weight and volume are best met by a spherical pressure vessel in the first approach.
  • the disadvantages of a spherical pressure vessel consist in the very complex production and the unfavorable use of space in an assembly z. B. in a vehicle.
  • WO 92/06324 describes a cylindrical container.
  • the invention has for its object to develop a pressure vessel, which allows a significant improvement in the design of the pressure vessel with little effort.
  • this object is achieved in that reinforcing structures which consist of fiber strands (primarily carbon fibers) arranged uniformly distributed over the cross-sectional area of the cylindrical pressure vessel, which are exactly aligned axially and parallel between flat lids, whereby the forces caused by the internal pressure axially acting forces are received, and are enclosed by a separate circumferentially directed radially acting reinforcing layer, which receives the radially acting forces.
  • reinforcing structures consist of fiber strands (primarily carbon fibers) arranged uniformly distributed over the cross-sectional area of the cylindrical pressure vessel, which are exactly aligned axially and parallel between flat lids, whereby the forces caused by the internal pressure axially acting forces are received, and are enclosed by a separate circumferentially directed radially acting reinforcing layer, which receives the radially acting forces.
  • a container is formed by the helical winding of a largely unidirectional fiber layer, which is thickened at the ends.
  • the spirally wound Unidiretationallagen with the thickenings at the two ends of the lid or part of the lid are formed.
  • the fiber orientation of the layer is in the area transverse to the winding direction.
  • the thickenings can also be oriented in another direction or be made of a different material.
  • circumferential radially acting reinforcing layers are applied which form the end of the pressure vessels.
  • One embodiment provides, to increase the gas tightness of the pressure vessel, to wrap barrier layers between the outer layer of the axial reinforcing structures passing therethrough and the circumferential radially acting reinforcing layer, which largely overlap.
  • the lids which form the end faces of the pressure vessel, are made of suitable, lightweight metallic materials or of fiber-reinforced plastic.
  • For receiving the reinforcing structures slots can be regularly introduced at an angle, but different in depth.
  • the reinforcing materials are oriented almost completely in the direction of the forces that occur. From both properties results in a significant improvement in the weight-specific storage capacity. The production is simplified.
  • the pressure vessel after Fig. 1 arises by the arrangement of axially penetrating reinforcing structures 1, preferably impregnated monofilaments of carbon fibers or other high-strength thread-like strands, inside a cylinder. They are evenly distributed over the cross-sectional area. and are anchored in flat lids 7.
  • the cover 7 are also formed by a winding technology from the strand material or miteingewickelt from another material.
  • a metallic connection 5 for the fittings is embedded in the composite material.
  • these reinforcing strands are arranged very densely so that they can be covered with a barrier layer 3. Then the radial reinforcing layers 2 are wound on these, which form the outer end of the pressure vessel.
  • the pressure vessel after Fig. 2 and 3 is formed by winding a semifinished product, consisting of a base layer of substantially unidirectional scrim with applied at the ends of thickenings 8 as axial through reinforcing structures 1.
  • the thickenings are preferably also formed by composite material and may additionally contain barrier layers 6.
  • the semifinished product is usually preimpregnated with a matrix system.
  • the winding can be done on a metallic reinforcing tube 4, which simultaneously carries the fittings. In this case, the tube 4 must have openings for flowing through the storage medium.
  • the semifinished product is aligned so that the direction of the fibers in the base layer coincides with the axial direction of the pressure body.
  • the thickenings 8 in the edge region form the same as the axial end of the pressure hull.
  • a radially acting barrier layer 3 can be applied. On this is then oriented in the circumferential direction radially acting reinforcing layer. 2

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff zur Speicherung von Gasen.
    • [Stand der Technik]
  • Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch Druckbehälter, die einen Inliner aus Metall oder Kunststoff enthalten. Auf dem Inliner wird der faserverstärkte Kunststoff mittels eines Wickelverfahrens aufgebracht. Dabei wird die axiale Festigkeit durch Längswicklungen und die Umfangsfestigkeit durch Umfangswicklungen getrennt realisiert.
  • Als wesentliches Element der Behälter dient der Inliner als Stützgerüst für die Aufbringung des faserverstärkten Kunststoffs sowie als Barriere gegenüber der Permeation von Gasen. Die Festigkeit des Druckbehälters wird durch das Aufbringen von faserverstärktem Kunststoff erreicht.
  • Nachteil der oben beschriebenen Ausführung ist, dass der Inliner das Gewicht des Bauteils erhöht. Zudem ergibt sich in den Bereichen der Dome eine ungünstige Materialverteilung, da es im Bereich der Pole der Dome durch den Wickelvorgang zu einer nicht festigkeitsbegründeten Materialanhäufung kommt.
  • Ein Problem, das der Nutzung des größtmöglichen Volumens der bekannten Behälter entgegensteht, betrifft die Tatsache, dass die Stirnseiten der Druckbehälter stets als konvexe Dome ausgebildet sind. Durch die Form der Dome ist eine ungünstige Volumenausnutzung gegeben.
  • Die Modifizierung der Dome durch eine sogenannte isotensoide Form und die Modifizierung der Faserverteilung und Winkel kann dieses Problem nur bedingt entschärfen.
  • DE 197 49 950 A zeigt einen Behälter mit im Hohlraum des Behälters angeordneten mit der Hüllschicht verbundenen Stützelementen, welche als Fäden ausgebildet sein können und durch entsprechende Führungskanäle hindurchgeführt sind. Dadurch wird die Hüllschicht in einer bestimmten Form gehalten und die Stützelemente übernehmen die Funktion einer Naht.
  • Auch bei der Anordnung aus US-A-5 704 514 werden Fasern zwischen den Wänden eines Gehäuses gespannt und verknotet. Es werden keine Verstärkungsstrukturen offenbart, die in lediglich eine Kraftrichtung wirken.
  • Der Nachteil dieser Anordnungen ist es, dass die Verstärkungsstrukturen den Druck in alle Richtungen aufnehmen müssen. Die dadurch entstehende Form des Druckbehälters ist unvermeidlich, da die Wicklungen im Winkel versetzt erfolgen müssen. Die allgemein gestellte Anforderungen, dass Gewicht und Volumen zu minimieren, wird durch einen kugelförmiger Druckbehälter im ersten Ansatz am besten erfüllt. Die Nachteile eines kugelförmigen Druckbehälter bestehen in der sehr aufwendigen Herstellung und der ungünstigen Raumausnutzung bei einer Montage z. B. in ein Fahrzeug.
  • WO 92/06324 beschreibt einen zylindrischen Behälter.
    • [Aufgabe der Erfindung]
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter zu entwickeln, der eine wesentliche Verbesserung bei der Auslegung des Druckbehälters mit geringem Aufwand ermöglicht. Dazu ist ein Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit ebenen oder nahezu ebenen Deckeln zu realisieren, wodurch die oben genannten Nachteile reduziert werden, die darin bestehen, dass die als konvexe Dome ausgebildeten Stirnseiten der zylindrischen Druckbehälter der Nutzung des größtmöglichen Volumens der bekannten Behälter entgegensteht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Verstärkungsstrukturen, welche aus Fasersträngen (vorrangig Kohlefasern) bestehen, gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet, die genau axial ausgerichtet sind und zwischen ebenen Deckeln parallel verlaufen, wodurch die durch den Innendruck hervorgerufenen axial wirkenden Kräfte aufgenommen werden, und von einer separaten umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht umschlossen werden, welche die radial wirkenden Kräfte aufnimmt.
  • Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass durch das spiralförmige Aufwickeln einer weitgehend unidirektionalen Faserschicht, die an den Enden aufgedickt ist, ein Behälter gebildet wird. Durch das spiralförmige Aufwickeln der Unidirektionallagen mit den Aufdickungen an den beiden Enden werden die Deckel oder ein Teil der Deckel gebildet.
  • Die Faserorientierung der Schicht ist in der Fläche quer zur Wickelrichtung. Die Aufdickungen können auch in anderer Richtung orientiert oder aus einem anderen Material gefertigt sein.
  • Über die Verstärkungsstränge bzw. die spiralförmig aufgewickelten unidirektionalen Faserschicht werden umfangsgerichtete radial wirkenden Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.
  • Eine Ausführung sieht vor, zur Erhöhung der Gasdichtheit des Druckbehälters Barriereschichten zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehenden axialen Verstärkungsstrukturen und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht zu wickeln, die sich weitgehend überlappen.
  • Die Verwendung der ebenen Deckel der Behälter wurde überraschend gefunden und stellt eine technische Lösung zur Verfügung, die es ermöglicht, eine Reihe von Vorteilen bei der Gestaltung der gewickelten Druckbehälter zu verwirklichen.
  • Die Deckel, die die Stirnseiten des Druckbehälters bilden, bestehen aus geeigneten, leichten metallischen Materialien oder aus faserverstärktem Kunststoff. Für die Aufnahme der Verstärkungsstrukturen können Schlitze regelmäßig im Winkel, jedoch unterschiedlich in der Tiefe eingebracht werden.
  • Gleichzeitig wird dadurch die Lösung ermöglicht, die Armaturen des Druckbehälters gasdicht mit den Gasanschlüssen zu verbinden.
  • Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
  • Es ist kein Inliner notwendig.
  • Die Verstärkungsmaterialien sind nahezu vollständig in Richtung der auftretenden Kräfte orientiert. Aus beiden Eigenschaften ergibt sich eine deutliche Verbesserung des gewichtsspezifischen Speichervermögens. Die Fertigung ist vereinfacht.
  • Die Integration in Anlagen ist durch die günstigere Formgebung raumsparender möglich und damit eine Erhöhung der volumetrischen Speicherdichte gegeben.
    • [Beispiele]
  • Die Erfindung ist anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen :
    • Fig. 1
    Druckbehälter mit Fasersträngen
    Fig. 2
    Druckbehälter mit Unidirektionallagen
    Fig. 3
    Unidirektionallagen
  • Der Druckbehälter nach Fig. 1 entsteht durch die Anordnung von axial hindurchgehenden Verstärkungsstrukturen 1, vorzugsweise imprägnierte Einzelfäden aus Kohlefasern oder anderen hochfesten fadenförmigen Strängen, im Innern eines Zylinders. Sie sind gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt. und werden in ebenen Deckeln 7 verankert. Die Deckel 7 werden über eine Wickeltechnologie ebenfalls aus dem Strangmaterial gebildet oder aus einem anderen Material miteingewickelt.
  • Bevorzugt im Zentrum der Deckel wird ein metallischer Anschluss 5 für die Armaturen in das Compositmaterial eingebettet.
  • In der äußeren Begrenzung des Druckraumes werden diese Verstärkungsstränge sehr dicht angeordnet, so dass Sie mit einer Barriereschicht 3 belegt werden können. Auf diese werden dann die radialen Verstärkungsschichten 2 aufgewickelt, die den äußeren Abschluss des Druckbehälters bilden.
  • Der Druckbehälter nach Fig. 2 und 3 entsteht durch das Aufwickeln eines Halbzeugs, bestehend aus einer Grundschicht aus im wesentlichen unidirektionalem Gelege mit an den Enden aufgebrachten Aufdickungen 8 als axiale hindurchgehende Verstärkungsstrukturen 1. Die Verdickungen werden bevorzugt ebenfalls durch Verbundwerkstoff gebildet und können zusätzlich Barriereschichten 6 enthalten. Das Halbzeug wird üblicherweise mit einem Matrixsystem vorimprägniert. Das Aufwickeln kann auf einem metallischen Verstärkungsrohr 4 erfolgen, das gleichzeitig die Armaturen trägt. Dabei muss das Rohr 4 Öffnungen zum Durchströmen des Speichermediums besitzen.
  • Beim Aufwickeln wird das Halbzeug so ausgerichtet, dass die Richtung der Fasern in der Grundschicht mit der axialen Richtung des Druckkörpers übereinstimmt. Die Aufdickungen 8 im Randbereich bilden dabei gleich den axialen Abschluss des Druckkörpers.
  • Auf dem entstandenen spiralförmigen Kern kann eine in radialer Richtung wirkende Barriereschicht 3 aufgebracht werden. Auf dieser liegt dann eine in Umfangsrichtung orientierte radial wirkende Verstärkungsschicht 2.
    • [Bezugszeichenliste]
    • 1.
    hindurchgehende Verstärkungsstrukturen
    2.
    radial wirkende Verstärkungsschicht
    3.
    Barriereschicht
    4.
    metallisches Verstärkungsrohr
    5.
    metallischer Anschluss
    6.
    zusätzliche Barriereschicht
    7.
    Deckel
    8.
    Aufdickung

Claims (6)

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