EP3353461A1 - Druckbehälter zur speicherung von gasen oder flüssigkeiten unter drücken oberhalb von 200 bar - Google Patents

Druckbehälter zur speicherung von gasen oder flüssigkeiten unter drücken oberhalb von 200 bar

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Publication number
EP3353461A1
EP3353461A1 EP16763197.7A EP16763197A EP3353461A1 EP 3353461 A1 EP3353461 A1 EP 3353461A1 EP 16763197 A EP16763197 A EP 16763197A EP 3353461 A1 EP3353461 A1 EP 3353461A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
individual layers
angle
pressure vessel
reinforcing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16763197.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Lanzl
Kevin Wild
Andreas Gruhl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rehau Automotive SE and Co KG
Original Assignee
Rehau AG and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rehau AG and Co filed Critical Rehau AG and Co
Publication of EP3353461A1 publication Critical patent/EP3353461A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F17C2223/036—Very high pressure (>80 bar)
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    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/018—Adapting dimensions
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0184—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • Pressure vessel for storing gases or liquids under pressures above 200 bar
  • the invention relates to a pressure vessel for storing gases or liquids under pressures above 200 bar with an elongated storage element having at least one rotationally symmetrical, preferably conical and / or cylindrical, central portion, a plurality N or number N of individual layers each having at least one braided or wound Reinforcing fiber, preferably at least two braided or wound reinforcing fibers, wherein the individual layers in a local sequence along a perpendicular to the axis of rotation of the central portion over one another, and wherein an inner initial layer surrounds a disposed within the storage element hollow body or forms this hollow body, and wherein one above the initial layer disposed end layer is provided, and wherein the reinforcing fiber or the reinforcing fibers in each of the individual layers, a position-dependent fiber angle ⁇ ⁇ relative to that in the ever has a common single layer projected axis of rotation.
  • the present invention therefore has the object to provide an alternative solution for an optimized utilization of the reinforcing fibers of a pressure vessel.
  • a pressure vessel for storing gases or liquids under pressures above 200 bar, with an elongated storage element having at least one rotationally symmetrical, preferably conical and / or cylindrical, central portion, a plurality N or number N of individual layers each having at least one braided or wound reinforcing fiber, preferably at least two braided or wound reinforcing fibers, wherein the individual layers are superimposed in a local sequence along a perpendicular to the axis of rotation of the central portion, and wherein an inner initial layer surrounds or forms a hollow body disposed within the storage element, and wherein a top layer disposed above the initial layer is provided, and wherein the reinforcing fiber or reinforcing fibers in each of the individual layers, a position-dependent fiber angle ⁇ ⁇ relative to that in the respective individual layer projected axis of rotation has or have, wherein starting from the initial position to the final position, the angle differences ⁇ ⁇ the fiber angle ⁇ p n of two successive individual layers is defined by
  • the at least one reinforcing fiber preferably the at least two reinforcing fibers, an approximately equal load, in particular voltage in the reinforcing fiber direction learns or experienced .
  • gases or liquids may in particular be gaseous or liquefied natural gas, liquid gas, propane gas and / or butane gas and / or gaseous or liquefied hydrogen.
  • the memory element may in particular have at least one rotationally symmetrical, cylindrical middle section and at least one of the individual layers have a fiber angle ⁇ ⁇ of 54.7 ° or in the local sequence of the individual layers a fiber angle ⁇ ⁇ of 54.7 ° are swept over.
  • the at least for thin-walled pressure vessels considered optimal fiber angle of 54.7 ° in at least one of the individual layers is present or at least between two Single layers is covered, so two successive individual layers have a braid angle of less than 54.7 ° and greater 54.7 °.
  • the position-dependent fiber angle ⁇ ⁇ of the individual layers may preferably monotonically and / or linearly increase from the initial position to the final position.
  • the initial fiber angle of the initial layer can be between 39 ° to 54 °, preferably between 47 ° to 53 °, preferably between 49 ° to 52 °. These mentioned initial fiber angles have proven to be particularly suitable in experiments.
  • the final fiber angle of the final layer may be between 55 ° to 70 °, preferably between 56 ° to 65 °, preferably between 57 ° to 60 °. These mentioned final fiber angles have proven to be particularly suitable in experiments.
  • the plurality N or number N of individual layers may comprise at least 15 individual layers, preferably at least 20 individual layers, more preferably at least 25 individual layers, preferably at least 30 individual layers.
  • the at least one braided or wound reinforcing fiber, preferably the at least two braided or wound reinforcing fibers, of the individual layers may be embedded in a thermoplastic or thermoset matrix.
  • the at least one reinforcing fiber, preferably the at least two reinforcing fibers, of the individual layers can be constituted by one or more glass fiber (s) and / or carbon fiber (s) and / or basalt fiber (s) and / or aramid fiber (s) and / or Flax fiber (s) and / or jute fiber (s) and / or boron fiber (s) and / or sisal fiber (s) and / or
  • Ceramic fiber (s) and / or metal fiber (s) may be formed.
  • the nature of the at least one reinforcing fiber, preferably of the at least two reinforcing fibers, is the same in the individual layers.
  • the nature of the at least one reinforcing fiber, preferably the at least two reinforcing fibers, may vary within and / or between the individual layers. As a result, an even better adaptation to the varying hoop stresses or circumferential strains is possible.
  • the at least one reinforcing fiber may be a braided reinforcing fiber / braided reinforcing fiber and the fiber angle a fiber braid angle and the initial fiber angle an initial fiber braid angle and the final fiber angle an end fiber braid angle.
  • the construction of the pressure vessel according to the invention is particularly suitable for pressure vessels with braided reinforcing fibers.
  • the at least one reinforcing fiber is formed by a plurality of individual fibers or filaments.
  • the at least one reinforcing fiber, preferably the at least two reinforcing fibers may in particular be a bundle, strand or multifilament yarn, preferably filaments arranged in parallel.
  • Fig. 2 - 4 are plan views of different individual layers of an inventive
  • Fig. 5 is a diagram of the different fiber angles in the individual layers.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a pressure vessel for storing gases or liquids under pressures above 200 bar, with an elongated memory element 1 having at least one rotationally symmetrical, preferably conical and / or cylindrical, central portion 2.
  • the memory element 1 has a rotationally symmetrical cylindrical center section 2.
  • the middle section 2 is located between two pole caps P in each of which a valve region V is arranged.
  • the plurality N or number N of individual layers 42 comprises individual layers.
  • the thermosetting matrix may in particular comprise an epoxide, polyurethane, aminoplast, phenoplast, crosslinked polyacrylate, melamine resin or mixtures of the abovementioned materials.
  • the thermoplastic matrix may include polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyetherimides (PEI), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfone (PPSU), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketones (PEK), polyamideimide (PAI), poly-m-phenyleneisophthalamide (PMI), polyphthalamide (PPA), polybenzimidazole (PBI), polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxylalkane (PFA), polyoxymethylene (POM), polyamide (PA), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS), syndiotactic polystyrene (sPS), polycarbonate (PC), styrene-acrylonitrile copolymer (SAN), polyphenylene ether (PPE),
  • fiber (s) and / or carbon fiber (s) and / or basalt fiber (s) and / or aramid fiber (s) and / or flax fiber (s) and / or jute fiber (s) and / or boron fiber (s) and / or sisal fiber (n) and / or ceramic fiber (s) and / or metal fiber (s) may be formed.
  • the at least one reinforcing fiber 7, 7 'mentioned in FIGS. 1 to 5, preferably the at least two reinforcing fibers 7, 7', can in particular be a braided reinforcing fiber 7, 7 ', preferably at least two braided reinforcing fibers 7, 7', and the fiber angle ⁇ ⁇ is a fiber braid angle and the initial fiber angle cp-, an initial fiber braid angle and the final fiber angle ⁇ ⁇ are an end fiber braid angle.
  • the at least one reinforcing fiber 7, 7 'mentioned in FIGS. 1 to 5, preferably the at least two reinforcing fibers 7, 7' can be formed by a plurality of individual fibers or filaments.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar, mit einem länglichen Speicherelement (1) aufweisend wenigstens einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise konischen und/oder zylindrischen, Mittelabschnitt (2), eine Mehrzahl (N) oder Anzahl (N) von Einzellagen (n= 1 bis N) die jeweils wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfasern (7, 7'), aufweisen, wobei die Einzellagen (n= 1 bis N) in einer örtlichen Abfolge entlang einer Senkrechten (S) zur Rotationsachse (11) des Mitteiabschnittes (2) übereinan- der liegen, und wobei eine innere Anfangslage (n= 1) einen innerhalb des Speicherelementes angeordneten Hohlkörper (4) umgibt oder diesen Hohlkörper bildet, und wobei eine oberhalb der Anfangslage (n= 1) angeordnete Abschlusslage (n= N) vorgesehen ist, und wobei die Verstärkungsfaser (7, 7') oder die Verstärkungsfasern (7, 7') in jeder der Einzellagen (n= 1 bis N) einen lagenabhängigen Faserwinkel φη relativ zu der in die jeweilige Einzellage (n= 1 bis N) projizierten Rotationsachse (11') aufweist oder aufweisen, wobei ausgehend von der Anfangslage (n= 1) bis zur Abschlusslage (n= N) die Winkeldifferenzen Δφη der Faserwinkel φη zweier aufeinanderfolgender Einzellagen (n= 1 bis N-1) definiert ist über die Gleichung Δφη = φη+1 - φη mit n= 1 bis N-1, und für mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, aller Winkeldifferenzen Δφ1 bis ΔφΝ-1 die Bedingung Δφη <u>></u> 0 erfüllt ist.

Description

Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar mit einem länglichen Speicherelement aufweisend wenigstens einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise konischen und/oder zylindrischen, Mittelabschnitt, eine Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen die jeweils wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser, vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfasern, aufweisen, wobei die Einzellagen in einer örtlichen Abfolge entlang einer Senkrechten zur Rotationsachse des Mittelabschnittes übereinander liegen, und wobei eine innere Anfangslage einen innerhalb des Speicherelementes angeordneten Hohlkörper umgibt oder diesen Hohlkörper bildet, und wobei eine oberhalb der Anfangslage angeordnete Abschlusslage vorgesehen ist, und wobei die Verstärkungsfaser oder die Verstärkungsfasern in jeder der Einzellagen einen lagenabhängigen Faserwinkel φπ relativ zu der in die jeweilige Einzellage projizierten Rotationsachse aufweist. Bei derartigen Druckbehältern gilt ein Faserwinkel von 54,7° als optimaler Wert um die auftretenden Umfangskräfte in den Einzellagen durch die Verstärkungsfasern aufzunehmen. Gleichzeitig wurde erkannt, dass bei dickwandigen Druckbehältern die Tangentialdehnung oder Umfangsdehnung innerhalb der Einzellagen nicht konstant ist, sondern sich von der Anfangslage bis zur Abschlusslage ändert. Dies hat zur Folge, dass die Verstärkungsfasern der inneren Einzellagen höher belastet werden als die äußeren Einzellagen und daher die Verstärkungsfasern nicht optimal ausgelastet sind.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist in der US 2015/0192251 A1 beschrieben, die hierzu vorsieht in den Einzellagen Verstärkungsfasern mit unterschiedlichen Festigkeiten einzusetzen. Dieser Lösungsansatz ist jedoch aufgrund der gleichzeitigen oder nachge- schalteten Verarbeitung der unterschiedlichen Verstärkungsfasern kostenintensiv, fehleranfällig und mit einem hohen maschinellen Aufwand verbunden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe eine alternative Lösung für eine optimierte Auslastung der Verstärkungsfasern eines Druckbehälters anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar, mit einem länglichen Speicherelement aufweisend wenigstens einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise konischen und/oder zylindrischen, Mittelabschnitt, eine Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen die jeweils wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser, vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfasern, aufweisen, wobei die Einzellagen in einer örtlichen Abfolge entlang einer Senkrechten zur Rotationsachse des Mittelabschnittes übereinander liegen, und wobei eine innere Anfangslage einen innerhalb des Speicherelementes angeordneten Hohlkörper umgibt oder diesen Hohlkörper bildet, und wobei eine oberhalb der Anfangslage angeordnete Abschlusslage vorgesehen ist, und wobei die Verstärkungsfaser oder Verstärkungsfasern in jeder der Einzellagen einen lagenabhängigen Faserwinkel φη relativ zu der in die jeweilige Einzellage projizierten Rotationsachse aufweist oder aufweisen, wobei ausgehend von der Anfangslage bis zur Abschlusslage die Winkeldifferenzen Δφη der Faserwinkel <pn zweier aufeinanderfolgender Einzellagen definiert ist über die Gleichung
Δφη = φη+ι - φη mit n= 1 bis N-1 , und für mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, aller Winkeldifferenzen Δφ! bis ΔψΝ-! die Bedingung Δφη -> 0 erfüllt ist.
Durch die erfindungsgemäße Bedingung steigt ein Großteil der Faserwinkel, von der Anfangslage ausgehend bis zur der Abschlusslage, in den aufeinanderfolgenden Einzellagen monoton an. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Faserwinkelstaffelung können die, vor- zugsweise bei konstantem Faserwinkel, mit dem Abstand zur Rotationsachse variierenden, insbesondere sinkenden Umfangsspannungen bzw. Umfangungsdehnungen so ausgeglichen werden, dass in jeder Einzellage die wenigstens eine Verstärkungsfaser, vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern, eine annähernd gleiche Belastung, insbesondere Spannung in Verstärkungsfaserrichtung, erfährt oder erfahren. Dies ermöglicht es gegenüber dem Stand der Technik die gleiche Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser, vorzugsweise der wenigstens zwei Verstärkungsfasern, für alle Einzellagen einzusetzen und erlaubt somit eine deutlich günstigere und einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Druckbehälters.
Aufgrund der optimierten Ausnutzung der Verstärkungsfaser bzw. der Verstärkungsfasern kann der Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 300 bar, 350 bar, 400 bar, 500 bar, 600 bar, 700 bar, 800 bar, 900 bar oder 1000 bar verwendet werden.
Bei den Gasen oder Flüssigkeiten kann es sich insbesondere um gasförmiges oder verflüssigtes Erdgas, Flüssiggas, Propangas und/oder Butangas und/oder um gasförmigen oder verflüssigten Wasserstoff handeln.
Das Speicherelement kann insbesondere wenigstens einen rotationssymmetrischen, zylindrischen Mittelabschnitt aufweisen und wenigstens eine der Einzellagen einen Faserwinkel φη von 54,7° aufweisen oder in der örtlichen Abfolge der Einzellagen ein Faserwinkel φη von 54,7° überstrichen werden. Je nach der Wandungsdicke des Druckbehälters, also je nach Mehrzahl N oder Anzahl N und Dicke der Einzellagen ist es weiterhin von Vorteil, dass der zumindest bei dünnwandigen Druckbehältern als optimal angesehene Faserwinkel von 54,7° in wenigstens einer der Einzellagen vorliegt oder zumindest zwischen zwei Einzellagen überstrichen wird, also zwei aufeinander folgende Einzellagen einen Flechtwinkel von kleiner 54,7° und größer 54,7° aufweisen. Bevorzugt befindet sich die wenigstens eine der Einzellagen oder der Bereich der örtlichen Abfolge der Einzellagen in einem Mittelbereich zwischen der Anfangslage und der Abschlusslage.
Der lagenabhängige Faserwinkel φη der Einzellagen kann bevorzugt von der Anfangslage bis zur Abschlusslage monoton und/oder linear ansteigen.
Der Anfangsfaserwinkel der Anfangslage kann zwischen 39° bis 54°, vorzugsweise zwi- sehen 47° bis 53°, bevorzugt zwischen 49° bis 52° liegen. Diese genannten Anfangsfaserwinkel haben sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen.
Der Endfaserwinkel der Abschlusslage kann zwischen 55° bis 70°, vorzugsweise zwischen 56° bis 65°, bevorzugt zwischen 57° bis 60° liegen. Diese genannten Endfaserwinkel haben sich in Versuchen als besonders geeignet erwiesen. Die Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen kann wenigstens 15 Einzellagen, vorzugsweise wenigstens 20 Einzellagen, weiter vorzugsweise wenigstens 25 Einzellagen, bevorzugt wenigstens 30 Einzellagen umfassen.
Die wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser, vorzugsweise die wenigstens zwei geflochtenen oder gewickelten Verstärkungsfasern, der Einzellagen kann / können in einer thermoplastischen oder in einer duroplastischen Matrix eingebettet sein.
Die wenigstens eine Verstärkungsfaser, vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern, der Einzellagen kann / können durch eine oder mehrere Glasfaser(n) und/oder Kar- bonfaser(n) und/oder Basaltfaser(n) und/oder Aramidfaser(n) und/oder Flachsfaser(n) und/oder Jutefaser(n) und/oder Borfaser(n) und/oder Sisalfaser(n) und/oder
Keramikfaser(n) und/oder Metallfaser(n) gebildet sein.
Bevorzugt ist die Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser, vorzugsweise der wenigstens zwei Verstärkungsfasern, in den Einzellagen gleich.
Alternativ kann sich die Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser, vorzugsweise der wenigstens zwei Verstärkungsfasern, innerhalb und/oder zwischen den Einzellagen ändern. Hierdurch ist eine noch bessere Anpassung an die variierenden Umfangsspannungen bzw. Umfangsdehnungen möglich.
Die wenigstens eine Verstärkungsfaser, vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern, kann / können eine geflochtene Verstärkungsfaser / geflochtene Verstärkungsfasern und der Faserwinkel ein Faserflechtwinkel und der Anfangsfaserwinkel ein Anfangsfa- serflechtwinkel und der Endfaserwinkel ein Endfaserflechtwinkel sein. Der erfindungsgemäße Aufbau des Druckbehälters eignet sich insbesondere für Druckbehälter mit geflochtenen Verstärkungsfasern.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Verstärkungsfaser, vorzugsweise sind die wenigstens zwei Verstärkungsfasern, durch eine Vielzahl von Einzelfasern oder Filamenten gebildet. Die wenigstens eine Verstärkungsfaser, vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern, kann / können insbesondere ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus, vorzugsweise parallel angeordneten, Filamenten sein.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 Eine Querschnittsdarstellung eines Druckbehälters,
Fig. 2 - 4 Draufsichten auf verschiedene Einzellagen eines erfindungsgemäßen
Druckbehälters,
Fig. 5 ein Diagramm das verschiedene Faserwinkel in den Einzellagen.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar, mit einem länglichen Speicherelement 1 aufweisend wenigstens einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise konischen und/oder zylindrischen, Mittelabschnitt 2. Das Speichelement 1 weist zudem eine Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen n= 1 bis N auf (in den Fig. durch 1 ... N darge- stellt), die jeweils wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfasern 7, 7', aufweisen, wobei die Einzellagen n= 1 bis N in einer örtlichen Abfolge entlang einer Senkrechten S zur Rotationsachse 11 des Mittelabschnittes 2 übereinander liegen. Anders gesagt liegen die Einzellagen n=1 bis N in radialer Richtung übereinander. Eine innere Anfangsla- ge n= 1 umgibt einen innerhalb des Speicherelementes angeordneten Hohlkörper 4. Der Hohlkörper 4 kann insbesondere aus einem thermoplastischen Material bestehen. Das thermoplastische Material des Hohlkörpers 4 kann Polyamid oder vernetztes Polyethylen umfassen. Alternativ kann die innere Anfangslage n= 1 selbst diesen Hohlkörper bilden. Oberhalb der Anfangslage n= 1 angeordnet ist eine Abschlusslage n= N vorgesehen. Das Speicherelement 1 weist einen rotationssymmetrischen, zylindrischen Mittelabschnitt 2 auf. Der Mittelabschnitt 2 liegt zwischen zwei Polkappen P in denen jeweils ein Ventilbereich V angeordnet ist.
Die Fig. 2 bis Fig. 4 zeigen Draufsichten auf verschiedenen Einzellagen n= 1 bis N des Druckbehälters bzw. des Speicherelements 1 aus Fig. 1. Die Verstärkungsfaser 7, T bzw. die Verstärkungsfasern 7, 7', in jeder der gezeigten Einzellagen n= 1 bis N weist einen lagenabhängigen Faserwinkel φη relativ zu der in die jeweilige Einzellage n= 1 bis N projizierten Rotationsachse 1 ' auf.
Die Fig. 2 zeigt die Anfangslage n= 1 , in der die wenigstens eine Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern 7, 7', den Anfangsfaserwinkel φ^ mit einem Wert zwischen 39° bis 53° aufweist / aufweisen.
Die Fig. 3 zeigt eine der Einzellagen n= 20, die einen Faserwinkel φ20 von 54,7° aufweist / aufweisen bzw. deren Verstärkungsfaser 7, 7' / Verstärkungsfasern 7, 7'einen Faserwinkel φ20 von 54,7° aufweist / aufweisen. Diese Einzellage n= 20 befindet sich in einem Mittelbereich M (vgl. Fig. 1) zwischen der Anfangslage n= 1 und der Abschlusslage n= N. Die Fig. 4 zeigt die Abschlusslage n= N = 42, wobei der Endfaserwinkel der Abschlusslage n= N= 42, bzw. der der Verstärkungsfaser 7, 7' / Verstärkungsfasern 7, 7', zwischen 55° bis 70° liegt. Die Fig. 5 zeigt in einem Diagramm zwei mögliche Abläufe bzw. Abfolgen der Flechtwinkel <pn in den verschiedenen Einzellagen n= 1 bis N des in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Druckbehälters. In beiden der zwei Fälle gilt, dass ausgehend von der Anfangslage n= 1 bis zur Abschlusslage n= N die Winkeldifferenzen Δφη der Faserwinkel φη zweier aufeinanderfolgender Einzellagen n= 1 bis N-1 definiert ist über die Gleichung Δφη = φη+ι - φη mit n= 1 bis N-1 , und für mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, aller Winkeldifferenzen Aq>! bis ΔφΝ-ι die Bedingung Δφη 0 erfüllt ist.
Der lagenabhängige Faserwinkel φη der Einzellagen n= 1 bis N kann beispielhaft von der Anfangslage n= 1 bis zur Abschlusslage n= N monoton m oder linear I ansteigen. Die Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen n= 1 bis N des Druckbehälters kann wenigstens 15 Einzellagen, vorzugsweise wenigstens 20 Einzellagen, weiter vorzugsweise wenigstens 25 Einzellagen, bevorzugt wenigstens 30 Einzellagen umfasst. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Mehrzahl N oder Anzahl N von Einzellagen 42 Einzellagen.
Die wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise die wenigstens zwei geflochtenen oder gewickelten Verstärkungsfasern 7, 7', der Einzellagen n= 1 bis N kann / können in einer thermoplastischen oder in einer duroplastischen Matrix eingebettet sein. Die duroplastische Matrix kann insbesondere ein Epoxid, Polyurethan, Aminoplast, Phenoplast, vernetztes Polyacrylat, Melaminharz oder Mischungen der vorgenannten Materialien umfassen. Die thermoplastische Matrix kann insbesondere Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PES), Polyetherimide (PEI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketone (PEK), Polyamidimid (PAI), Poly-m-phenylenisophthalamid (PMI), Polyphthalamide (PPA), Polybenzimidazole (PBI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Syndiotaktisches Polystyrol (sPS), Polycarbonat (PC), Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polyphenylenether (PPE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Mischungen der vorgenannten Materialien umfassen.
Die wenigstens eine Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise die wenigstens zwei Verstär- kungsfasern 7, 7', der Einzellagen n= 1 bis N kann / können durch eine oder mehrere Glas- faser(n) und/oder Karbonfaser(n) und/oder Basaltfaser(n) und/oder Aramidfaser(n) und/oder Flachsfaser(n) und/oder Jutefaser(n) und/oder Borfaser(n) und/oder Sisalfaser(n) und/oder Keramikfaser(n) und/oder Metallfaser(n) gebildet sein.
Die Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser 7, 7' oder der wenigstens zwei Verstärkungsfasern 7, 7' ist in den Einzellagen n= 1 bis N gleich. Die in den Fig. 1 bis 5 erwähnte wenigstens eine Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern 7, 7', kann / können insbesondere eine geflochtene Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene Verstärkungsfasern 7, 7', und der Faserwinkel φη ein Faserflechtwinkel und der Anfangsfaserwinkel cp-, ein An- fangsfaserflechtwinkel und der Endfaserwinkel φΝ ein Endfaserflechtwinkel sein. Die in den Fig. 1 bis 5 erwähnte wenigstens eine Verstärkungsfaser 7, 7', vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern 7, 7', kann / können durch eine Vielzahl von Einzelfasern oder Filamenten gebildet sein.
Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
Druckbehälter zur Speicherung von Gasen oder Flüssigkeiten unter Drücken oberhalb von 200 bar, mit einem länglichen Speicherelement (1) aufweisend: wenigstens einen rotationssymmetrischen, vorzugsweise konischen und/oder zylindrischen, Mittelabschnitt (2), eine Mehrzahl (N) oder Anzahl (N) von Einzellagen (n= 1 bis N) die jeweils wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfasern (7, 7'), aufweisen, wobei die Einzellagen (n= 1 bis N) in einer örtlichen Abfolge entlang einer Senkrechten (S) zur Rotationsachse (11) des Mittelabschnittes (2) übereinander liegen, und wobei eine innere Anfangslage (n= 1) einen innerhalb des Speicherelementes angeordneten Hohlkörper (4) umgibt oder diesen Hohlkörper bildet, und wobei eine oberhalb der Anfangslage (n= 1) angeordnete Abschlusslage (n= N) vorgesehen ist, und wobei die Verstärkungsfaser (7, 7') oder die Verstärkungsfasern (7, 7') in jeder der Einzellagen (n= 1 bis N) einen lagenabhängigen Faserwinkel <pn relativ zu der in die jeweilige Einzellage (n= 1 bis N) projizierten Rotationsachse (11 ') aufweist oder aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Anfangslage (n= 1) bis zur Abschlusslage (n= N) die Winkeldifferenzen Δφη der Faserwinkel φη zweier aufeinanderfolgender Einzellagen (n= 1 bis N-1) definiert ist über die Gleichung
Δφη = φη+ι - φη mit n= 1 bis N-1 , und für mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, aller Winkeldifferenzen Δφι bis ΔψΝ-! die Bedingung Δφη ä 0 erfüllt ist. Druckbehälter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (1) wenigstens einen rotationssymmetrischen, zylindrischen Mittelabschnitt (2) aufweist und wenigstens eine der Einzellagen (n= 1 bis N) einen Faserwinkel φη von 54,7° aufweist oder in der örtlichen Abfolge der Einzellagen (n= 1 bis N) ein Faserwinkel φη von 54,7° überstrichen wird.
Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine der Einzellagen (n= 1 bis N) oder der Bereich der örtlichen Abfolge der Einzellagen (n= 1 bis N) in einem Mittelbereich (M) zwischen der Anfangslage (n= 1 ) und der Abschlusslage (n= N) befindet.
Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lagenabhängigen Faserwinkel φη der Einzellagen (n= 1 bis N) von der Anfangslage (n= 1 ) bis zur Abschlusslage (n= N) monoton (m) und/oder linear (I) ansteigt.
Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsfaserwinkel (φ^ der Anfangslage (n= 1 ) zwischen 39° bis 54°, vorzugsweise zwischen 47° bis 53°, bevorzugt zwischen 49° bis 52° liegt.
Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endfaserwinkel (φΝ) der Abschlusslage (n= N) zwischen 55° bis 70°, vorzugsweise zwischen 56° bis 65°, bevorzugt zwischen 57° bis 60° liegt.
Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl (N) oder Anzahl (N) von Einzellagen (n= 1 bis N) wenigstens 15 Einzellagen, vorzugsweise wenigstens 20 Einzellagen, weiter vorzugsweise wenigstens 25 Einzellagen, bevorzugt wenigstens 30 Einzellagen umfasst.
Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geflochtene oder gewickelte Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise die wenigstens zwei geflochtenen oder gewickelten Verstärkungsfasern (7, 7'), der Einzellagen (n= 1 bis N) in einer thermoplastischen oder in einer duroplastischen Matrix eingebettet ist / sind.
9. Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern (7, 7'), der Einzellagen (n= 1 bis N) durch eine oder mehrere Glasfasern) und/oder Karbonfaser(n) und/oder Basaltfaser(n) und/oder Aramidfaser(n) gebildet ist / sind.
10. Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise der wenigstens zwei Verstärkungsfasern (7, 7'), in den Einzellagen (n= 1 bis N) gleich ist.
11. Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Art der wenigstens einen Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise der wenigstens zwei Verstärkungsfasern (7, 7'), innerhalb und/oder zwischen den Einzellagen (n= 1 bis N) ändert.
12. Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern (7, 7'), eine geflochtene Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise wenigstens zwei geflochtene Verstärkungsfasern (7, 7') sind, und der Faserwinkel (<pn) ein Faserflechtwinkel und der Anfangsfaserwinkel (φ^ ein Anfangsfaserflechtwinkel und der Endfaserwinkel (φΝ) ein Endfaserflechtwinkel ist.
13. Druckbehälter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verstärkungsfaser (7, 7'), vorzugsweise die wenigstens zwei Verstärkungsfasern (7, 7'), durch eine Vielzahl von Einzelfasern oder Filamenten gebildet ist / sind.
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