ES2659585T3 - Depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión y método de fabricación del mismo - Google Patents

Depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión y método de fabricación del mismo Download PDF

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ES2659585T3 ES15169192.0T ES15169192T ES2659585T3 ES 2659585 T3 ES2659585 T3 ES 2659585T3 ES 15169192 T ES15169192 T ES 15169192T ES 2659585 T3 ES2659585 T3 ES 2659585T3
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Guillaume Fourage
Laurent Lagunegrand
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Stelia Aerospace Composites SAS
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Abstract

Depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión, que comprende una carcasa interna (17) que define una cámara de almacenamiento y una envoltura de refuerzo mecánico que rodea al menos dicha carcasa interna (17), comprendiendo dicha carcasa interna (17) una abertura en al menos uno de sus extremos, una parte central (11) cilíndrica y dos partes (12, 13) de extremo, de las cuales al menos una está abombada hacia fuera, definiendo dicha carcasa interna (17) un eje longitudinal (14), caracterizado por que dicha envoltura de refuerzo mecánico comprende sucesivamente, comenzando desde la carcasa interna (17) hacia el exterior: - un primer devanado de filamento que comprende una capa o un apilamiento de capas, que tienen cada una fibras dispuestas de manera que el ángulo αi formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y dicho eje longitudinal (14) está comprendido entre +/- 45° y +/- 85°, siendo el valor absoluto del ángulo αi formado por las fibras de cada capa sobrepuesta sobre otra capa de este apilamiento mayor que el valor absoluto del ángulo αi formado por las fibras de la capa inmediatamente inferior en este apilamiento, - un segundo devanado de filamento que comprende una o varias capas denominadas intermedias, situadas bajo una única capa denominada capa más externa de dicho segundo devanado, estando dichas capas intermedias sobrepuestas definiendo un apilamiento, teniendo dicha capa o cada capa intermedia de este apilamiento fibras dispuestas de manera que el valor absoluto del ángulo αj formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de la capa intermedia correspondiente y dicho eje longitudinal (14) es: * o bien igual o mayor que el valor absoluto máximo del ángulo αi para el primer devanado, e igual o mayor que el valor absoluto del ángulo αj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia, * o bien igual o menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo αi para dicho primer devanado, e igual o menor que el valor absoluto del ángulo αj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia, siendo dicha capa más externa de dicho segundo devanado una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna (17), el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal (21) de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna (17) en cuestión, - al menos una capa circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo αk comprendido entre +/- 80° y +/- 90°, y/o al menos una capa helicoidal que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo αk comprendido entre +/- 5° y +/- 45° y/o al menos una capa helicoidal de cierre a fin de completar el número de capas del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, para formar el grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilíndrica.

Description

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DESCRIPCION
Depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión y método de fabricación del mismo Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención se refiere a un depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión y a un método para fabricar tal depósito.
Antecedentes tecnológicos
Son conocidos depósitos de material compuesto destinados a almacenar gas a alta presión (entre 200 y 1.000 bares, por ejemplo).
Estos depósitos se utilizan en diversos campos técnicos, sobre todo para almacenar aire comprimido en aparatos de asistencia respiratoria, gas natural para vehículos o hidrógeno para pilas de combustible.
Estos depósitos son generalmente cilíndricos y están cerrados por cabezales, provistos o no cada uno de una conexión.
Para resistir las altas presiones de los gases así almacenados, estos depósitos tienen una camisa que define una cámara de almacenamiento estanca, dispuesta en una estructura de refuerzo mecánico construida de material compuesto.
Así, los depósitos pueden ser de varios tipos, ya sea con camisa metálica revestida de una capa de material compuesto en su parte central (Tipo II) o con camisa metálica completamente revestida de material compuesto (Tipo III) o con camisa de material plástico revestida de material compuesto (Tipo IV).
Las principales ventajas de las camisas termoplásticas con respecto a las camisas metálicas residen en su menor peso y mayor resistencia mecánica a los esfuerzos cíclicos.
La estructura de refuerzo mecánico se realiza típicamente arrollando capas de fibras en torno a la camisa, estando estas fibras, preferiblemente, preimpregnadas con una resina termoendurecible.
Se pueden añadir una o varias capas adicionales de protección después de realizada la estructura de refuerzo.
La elección del ángulo y de la disposición de las diferentes capas de devanado depende de las limitaciones técnicas del medio de devanado, de la geometría del depósito, de las prestaciones deseadas y del posible deslizamiento de las fibras al comienzo del devanado.
No obstante, se constata que los ángulos formados, con respecto al eje longitudinal del depósito, por las fibras aplicadas y la disposición de las capas repercuten directamente sobre la presión y el modo de ruptura de los depósitos así fabricados.
Se sabe que el ángulo teórico de devanado sobre una estructura tubular elástica con efecto de fondo, que permite lograr la máxima presión de estallido bajo la acción exclusiva de la presión interna, es 54,7°.
Con todo, son ampliamente conocidas por su resistencia mecánica estructuras de refuerzo que emplean asimismo ángulos comprendidos entre 50° y 58°.
Se conocen también depósitos que emplean combinaciones de devanado de tipo polar (ángulo comprendido entre 10 y 30°) y circunferencial (ángulo del orden de 90°), que permiten conservar un modo de ruptura sano, es decir, una ruptura del depósito en una sola pieza sin generación de proyectiles.
Algunos depósitos utilizan incluso combinaciones de devanado de tipo helicoidal y circunferencial, estando determinado el ángulo de devanado helicoidal por el o los diámetros de abertura polar mínima de la camisa.
Sin embargo, la presión de ruptura asociada y las prestaciones de estos depósitos, en particular la proporción entre la masa de gas almacenada y la masa del depósito, son muy insuficientes.
Además, la fabricación de estos depósitos que emplean un número relativamente grande de capas aplicadas es larga y costosa.
Se conoce en el estado de la técnica la solicitud de patente alemana n.° DE 10 2010 017413 A1, que describe un recipiente a presión para almacenar un fluido que presenta un recipiente interno de plástico y una carcasa externa instalada sobre el recipiente interno de plástico.
Se conoce asimismo en el estado de la técnica la solicitud de patente europea n.° EP 0 580 535 A1, que se refiere a
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un recipiente para almacenar fluido a presión, con ruptura sin fragmentación.
Se conoce asimismo en el estado de la técnica la patente de EE. UU. n.° US 5 499 739, que se refiere a un revestimiento interno de recipiente a presión para depósitos de combustible utilizados para gases a alta presión.
Se conoce asimismo en el estado de la técnica la solicitud de patente de EE. UU. n.° US 2013/299505, que describe un método de fabricación de un depósito para alta presión.
La presente invención tiene como objeto paliar estos diversos inconvenientes de la técnica anterior, proponiendo un depósito para almacenar gas a presión y el método de fabricación del mismo, simples en su concepción y en su modo de trabajo, que aseguren un modo de ruptura sano de este depósito, minimizando a la vez la masa del devanado de filamento y optimizando la proporción entre la masa de gas almacenada y la masa del depósito, para una presión de servicio dada.
Breve descripción de la invención
Para ello, la invención se refiere a un depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión, que comprende una carcasa interna que define una cámara de almacenamiento y una envoltura de refuerzo mecánico que rodea al menos dicha carcasa interna, comprendiendo dicha carcasa interna una abertura en al menos uno de sus extremos, una parte central cilindrica y dos partes de extremo de las cuales al menos una está abombada hacia fuera, definiendo dicha carcasa interna un eje longitudinal.
Según la invención, esta envoltura de refuerzo mecánico comprende sucesivamente, comenzando desde la carcasa interna hacia el exterior:
- un primer devanado de filamento que comprende una capa o un apilamiento de capas, que tienen cada una fibras dispuestas de manera que el ángulo ai formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y dicho eje longitudinal está comprendido entre +/- 45° y +/- 85°, siendo el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de cada capa sobrepuesta sobre otra capa de este apilamiento mayor que el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de la capa inmediatamente inferior en este apilamiento,
- un segundo devanado de filamento que comprende una o varias capas denominadas intermedias, situadas bajo una única capa denominada capa más externa de dicho segundo devanado, estando dichas capas intermedias sobrepuestas definiendo un apilamiento, teniendo dicha capa o cada capa intermedia de este apilamiento fibras dispuestas de manera que el valor absoluto del ángulo aj formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de la capa intermedia correspondiente y dicho eje longitudinal es:
* o bien igual o mayor que el valor absoluto máximo del ángulo ai para el primer devanado, e igual o mayor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
* o bien igual o menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo ai para dicho primer devanado, e igual o menor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
siendo dicha capa más externa de dicho segundo devanado una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna, el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna en cuestión,
- al menos una capa circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo ak comprendido entre +/- 80° y +/- 90°, y/o al menos una capa helicoidal que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo ak comprendido entre +/- 5° y +/- 45° y/o al menos una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna, el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna en cuestión, a fin de completar el número de capas del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, para formar el grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilindrica.
Ventajosamente, tal depósito asegura un modo de ruptura del depósito en una sola pieza y una proporción optimizada entre la masa de gas almacenada y la masa del depósito, para una presión de servicio establecida.
La relación entre la presión de estallido y la masa del depósito queda así maximizada, demostrando la optimización del número de capas aplicadas sobre la carcasa interna de almacenamiento para construir la envoltura de refuerzo mecánico.
Cabe señalar que, puesto que el diámetro de la abertura o de al menos una de las aberturas de la carcasa interna puede no ser constante, se considerará para la capa helicoidal de cierre el diámetro de abertura al nivel de la zona donde termina esta capa. A título puramente ilustrativo, la abertura o una de las aberturas de la carcasa interna puede presentar una sección con forma troncocónica.
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El objetivo de la disposición de las distintas capas del primer devanado de filamento, es decir, la manera en que aumenta el ángulo de inclinación ai, formado entre el eje longitudinal definido por la carcasa interna y la dirección longitudinal de cada fibra de las distintas capas de este devanado, al crecer la distancia que separa la capa en cuestión de la carcasa interna, es aprovechar al máximo el potencial de recuperación de los esfuerzos de cada fibra, con el fin minimizar la cantidad de fibras aplicadas a igualdad de prestaciones, es decir, para un valor de presión de rotura dado.
En otras palabras, se aumenta el valor del ángulo de inclinación ai de las fibras de las capas sucesivas del primer devanado de filamento a medida que crece la distancia que separa estas capas de la carcasa interna, con el fin de incrementar la tensión en las fibras de cada una de las capas hasta que sea igual o sustancialmente igual a la ejercida sobre las fibras de la primera capa en contacto directo con la carcasa interna. Así, al poner bajo presión el depósito se obtiene una tensión igual o sustancialmente igual, ejercida sobre las fibras de todas las capas del primer devanado de filamento.
La contribución del segundo devanado de filamento es doble:
- por una parte, las capas cuyo valor del ángulo de inclinación aj de las fibras con respecto al eje longitudinal es mayor que el valor máximo del ángulo de inclinación ai alcanzado en el primer apilamiento, aseguran la continuidad de lo que se ha realizado en el primer devanado de filamento. Nuevamente se busca tener una tensión igual o sustancialmente igual en cada capa. Esto es cierto hasta el momento en que el ángulo alcanza 90°, ya que entonces se ha alcanzado el valor máximo del ángulo con respecto a la recuperación de esfuerzos por las fibras de la capa en cuestión.
- por otra parte, las capas para las cuales el valor del ángulo de inclinación aj de las fibras es menor que el valor mínimo del ángulo ai del primer devanado de filamento, están ahí para cubrir progresivamente el fondo del depósito y evitar saltos importantes de rigidez.
Por lo tanto, el ángulo de inclinación aj disminuye por la misma razón que se ha indicado más arriba, es decir, por que siempre se busca aprovechar el potencial máximo de cada capa, para minimizar el número de capas.
El depósito puede emplearse, en particular, para almacenar un gas o una mezcla de gases. A título puramente ilustrativo, este gas puede ser aire, nitrógeno, helio, hidrógeno u otro.
El presente depósito tiene aplicación en campos que utilizan depósitos de almacenamiento a presión, tales como el automóvil, la aeronáutica, etc.
En distintos modos de realización particulares de este depósito, cada uno con sus ventajas particulares y susceptible de muchas combinaciones técnicas posibles:
- el grosor de dicho primer devanado de filamento representa entre 15 y 35% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilíndrica,
- el grosor del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, exceptuando la mencionada capa helicoidal de cierre, representa como máximo 45% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilíndrica. Preferiblemente, el grosor del conjunto formado por el primer y segundo devanados de filamento, exceptuando la mencionada capa helicoidal de cierre, representa entre 23 y 45% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilíndrica.
- la capa más externa de la carcasa de refuerzo mecánico es una capa de tipo circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo al comprendido entre +/- 80° y +/- 90°.
- la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 65% y 85%. Preferiblemente, la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 75% y 81%.
- las fibras se eligen del grupo que comprende las fibras de carbono, de vidrio, de aramida, las fibras orgánicas vegetales, las fibras orgánicas animales, las fibras minerales y combinaciones de estos elementos. A título puramente ilustrativo, el depósito se puede fabricar utilizando las denominadas fibras naturales tales como las fibras vegetales orgánicas (celulósicas tales como el cáñamo, lino o bambú, por ejemplo) o fibras animales orgánicas (proteínicas tales como la seda, por ejemplo), las fibras minerales o una combinación de varios tipos de fibras.
- la carcasa interna tiene una abertura en sus dos extremos, y cada uno de sus extremos posee una toma. A título de ejemplo puramente ilustrativo, una primera de estas tomas comprende un conector tal como un grifo, y el otro extremo tiene un elemento seleccionado del grupo que comprende una llave, un sensor de presión y/o de temperatura y/o de humedad, un acelerómetro, un dispositivo de seguridad, un dispositivo de seguridad de tipo PRD (dispositivo de alivio de presión, por sus siglas en inglés), un dispositivo de seguridad de tipo TPRD (dispositivo térmico de alivio de presión) y combinaciones de estos elementos. Como alternativa, la carcasa interna tiene una abertura solamente en uno de sus extremos, estando el otro extremo cerrado y poseyendo una toma el extremo
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abierto. La envoltura de refuerzo mecánico está dispuesta sobre al menos una parte de la carcasa interna, rodeando ventajosamente a esta o estas tomas. A título de ejemplo, cada toma tiene una parte de cuello cilíndrica hueca que define un canal interno y una parte anular. Esta toma puede ser completamente metálica o de aleación, o contener un inserto metálico o de aleación cubierto al menos en parte con una interfaz plástica para facilitar el ensamblaje de la carcasa interna y la toma. Como alternativa, esta toma puede estar construida de material plástico o de material plástico reforzado. A título de ejemplo puramente ilustrativo, el material plástico está reforzado con fibras cortas o largas o incluso trituradas, o con esferas. Estas fibras y estas esferas pueden ser de vidrio o carbono.
- las fibras están embebidas en una matriz endurecida creada a partir de una resina termoendurecible o termoplástica. La resina utilizada puede ser del tipo termoendurecible, tal como una resina de éster vinílico, poliéster o epoxi, o de tipo termoplástico tal como una resina de poliamida o polipropileno.
- la mencionada carcasa interna es metálica o de material plástico.
La presente invención se refiere igualmente a un medio de transporte equipado con al menos un depósito como el descrito en lo que antecede.
Este medio de transporte puede ser una aeronave o un vehículo tal como un camión o un automóvil.
La presente invención también se refiere al uso de un depósito como el descrito en lo que antecede como fuente de suministro de gas o de combustible.
Un depósito semejante puede utilizarse como fuente de suministro estacionaria o a bordo de un medio de transporte.
A título puramente ilustrativo, un depósito semejante puede utilizarse como fuente de suministro para una pila de combustible o también en una instalación de llenado o distribución tal como una estación de servicio.
La presente invención se refiere además al uso de un depósito como el descrito en lo que antecede como acumulador de energía.
La presente invención se refiere además a un método para fabricar un depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión, comprendiendo dicho depósito una carcasa interna que define una cámara de almacenamiento y una envoltura de refuerzo mecánico que rodea al menos dicha carcasa interna, comprendiendo dicha carcasa interna una abertura en al menos uno de sus extremos, una parte central cilíndrica y dos partes de extremo, de las cuales al menos una está abombada hacia fuera, definiendo dicha carcasa interna un eje longitudinal.
Según la invención, se llevan a cabo los siguientes pasos para construir dicha envoltura de refuerzo mecánico:
-formar primeramente un primer devanado de filamento que comprende una capa o un apilamiento de capas que tienen fibras dispuestas de manera que el ángulo ai formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y dicho eje longitudinal está comprendido entre +/- 45° y +/- 85°, siendo el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de cada capa sobrepuesta sobre otra capa de este apilamiento mayor que el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de la capa inmediatamente inferior en este apilamiento,
-formar un segundo devanado de filamento que comprende una o varias capas denominadas intermedias, situadas bajo una única capa denominada capa más externa de dicho segundo devanado, estando dichas capas intermedias sobrepuestas definiendo un apilamiento, teniendo dicha capa o cada capa intermedia de este apilamiento fibras dispuestas de manera que el valor absoluto del ángulo aj formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de la capa intermedia correspondiente y dicho eje longitudinal es:
* o bien igual o mayor que el valor absoluto máximo del ángulo ai para el primer devanado, e igual o mayor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
* o bien igual o menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo ai para dicho primer devanado, e igual o menor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
siendo dicha capa más externa de dicho segundo devanado una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que, para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna, el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna en cuestión,
- completar después estos primer y segundo devanados de filamento con la aplicación como mínimo de al menos una capa circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo ak comprendido entre +/- 80° y +/- 90°, y/o al menos una capa helicoidal que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo ak comprendido entre +/- 5° y +/- 45°, y/o al menos una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que, para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna, el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la
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carcasa interna en cuestión, para formar el grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilindrica.
El depósito puede fabricarse utilizando uno de los métodos siguientes: un método de devanado de filamento con impregnación directa por vía húmeda, un método de devanado de filamento con impregnación indirecta por vía seca (devanado de fibras preimpregnadas), un método de aplicación automática de fibras (AFP, por sus siglas en inglés), una aplicación manual de fibras, el devanado de filamento de fibras secas y posteriormente impregnación indirecta por un método de tipo RTM (moldeo por transferencia de resina, por sus siglas en inglés), un método de trenzado de fibras (en inglés, "braiding").
Se subraya aquí que para lograr el objetivo de la presente invención es necesario un estricto respeto de la secuencia de aplicación de las distintas capas.
En distintos modos de realización particulares de este método, cada uno con sus ventajas particulares y susceptible de muchas combinaciones técnicas posibles:
- la última capa aplicada y que forma por ello la capa más externa de la envoltura de refuerzo mecánico es una capa de tipo circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal en un ángulo al comprendido entre +/- 80° y +/- 90°,
- se impregnan las fibras en una resina termoendurecible o termoplástica antes de ser devanadas sobre dicha carcasa,
- el grosor de dicho primer devanado de filamento representa entre 15 y 35% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilindrica,
- el grosor del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, exceptuando dicha capa helicoidal de cierre, representa entre 23 y 45% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central cilindrica,
- antes de aplicar el primer devanado de filamento, se trata la superficie externa de al menos una parte de la carcasa interna para aumentar las propiedades adhesivas y de mojadura del material que constituye dicha carcasa interna,
- la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 65% y 85%, e incluso más preferiblemente entre 75% y 81%.
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas, objetivos y características particulares de la presente invención se desprenderán de la descripción que se hará en lo que sigue, con un propósito explicativo y en modo alguno limitante, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
- la Figura 1 representa esquemáticamente un depósito destinado a almacenar gas a presión según un primer modo de realización de la presente invención, teniendo este depósito dos tomas idénticas;
- la Figura 2 muestra la carcasa interna de almacenamiento del depósito de la Figura 1 sobre la cual colocado una napa de fibras de refuerzo de una capa de tipo helicoidal;
- la Figura 3 muestra la carcasa interna de almacenamiento del depósito de la Figura 1 sobre la cual colocado una napa de fibras de refuerzo de una capa de tipo helicoidal de cierre;
- la Figura 4 muestra la carcasa interna de almacenamiento del depósito de la Figura 1 sobre la cual colocado una napa de fibras de refuerzo de una capa de tipo circunferencial;
- la Figura 5 muestra la carcasa interna de almacenamiento de un depósito de almacenamiento según un segundo modo de realización de la invención sobre la cual se ha colocado una napa de fibras de refuerzo de una capa de tipo helicoidal de cierre, teniendo la carcasa interna solamente una única abertura que posee una toma;
- la Figura 6 muestra la carcasa interna de almacenamiento de un depósito de almacenamiento según un tercer modo de realización de la invención sobre la cual se ha colocado una napa de fibras de refuerzo de una capa de tipo helicoidal de cierre, teniendo la carcasa interna una abertura en cada uno de sus extremos, teniendo cada abertura un diámetro distinto;
- la Figura 7 es una vista parcial en sección y en despiece ordenado de la envoltura de refuerzo del depósito de la Figura 1, mostrando las distintas capas de esta envoltura.
Descripción detallada de modos de realización de la invención
En primer lugar, se señalará que las figuras no están a escala.
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Las Figuras 1 a 4 describen un depósito destinado a almacenar gas bajo presión según un primer modo de realización de la presente invención.
Este depósito 10 tiene una parte central 11 cilíndrica de radio Rv, que está cerrada en ambos extremos por cabezales 12, 13.
El depósito 10 define un eje principal 14, o eje de revolución del depósito, que se extiende en la dirección longitudinal de este depósito 10.
Cada cabezal 12, 13, de forma abombada, está dotado de una toma 15, 16, siendo utilizada una de estas tomas 15 para efectuar la conexión interior/exterior del depósito y, por consiguiente, el llenado y vaciado del gas. Para ello, esta toma 15 está especialmente destinada a recibir un conector tal como una llave, una válvula o un tubo. La otra toma 16 situada en el extremo opuesto del depósito 10 recibe una llave, un sensor de presión y/o de temperatura y/o de humedad.
El depósito 10 tiene una carcasa interna 17 estanca, también denominada camisa, que define una cámara de almacenamiento en la que se prevé almacenar un gas a presión. Esta camisa 17 tiene en cada uno de sus extremos una abertura polar centrada en el eje principal 14 del depósito 10. Cada abertura polar, que es circular y de radio Rf, posee una toma 15, 16 correspondiente. Estas aberturas polares tienen el mismo diámetro.
La camisa 17 está constituida aquí por un polímero tal como poliamida, polietileno de alta densidad (HDPE), poliuretano (PU), etc.
La camisa 17 también está rodeada por una envoltura de refuerzo mecánico destinada a reforzar mecánicamente el depósito para resistir la presión del gas almacenado en la cámara de almacenamiento.
Esta envoltura de refuerzo está fabricada en este caso con un material compuesto obtenido por devanado de filamento de fibras unidireccionales impregnadas de resina.
Se emplean preferiblemente fibras largas que aseguran una mejor resistencia frente a deformaciones sucesivas y repetitivas, por ejemplo fibras de vidrio o de carbono unidas entre sí por una resina tal como una resina epoxi.
Cada capa está orientada con respecto al eje principal 14 del depósito con un ángulo de devanado.
Las fibras de refuerzo aplicadas sobre la camisa 17 para formar la envoltura de refuerzo mecánico forman una napa definida por un ancho W, y se distinguirán tres tipos de capas:
- capa de tipo helicoidal: las fibras 18 siguen una trayectoria en hélice con respecto al eje de rotación del mandril y el ángulo medio a de la capa se determina de manera que el radio R de la abertura polar circular de la capa sea mayor que la abertura polar Rf + 1/2 x W de la camisa (Fig. 2),
-capa de tipo helicoidal de cierre: se trata de una capa de tipo helicoidal que presenta fibras 19 dispuestas con respecto al eje principal 14 del depósito con un ángulo medio a determinado de manera que el radio R de la abertura polar circular de la capa esté comprendido entre el radio Rf de abertura polar circular de la camisa y un radio de abertura polar circular igual a Rf + 1/2 x W (Fig. 3),
- capa de tipo circunferencial: las fibras 20 de esta capa siguen una trayectoria en espiral con respecto al eje de rotación del mandril y esta capa presenta fibras 20 dispuestas con respecto al eje principal 14 del depósito con un ángulo medio a comprendido entre 80° y 90° (Fig. 4).
El depósito se fabrica utilizando preferiblemente el método de devanado de filamento con impregnación directa por vía húmeda.
Preferiblemente, el depósito tiene asimismo una capa helicoidal 21 de cierre y una capa circunferencial de protección fabricadas preferiblemente de fibras de vidrio y resina epoxi.
Como muestran las Figuras 5 y 6, la camisa 17 puede tener también dos aberturas 22, 23 para paso de gas que presenten radios de abertura polar distintos (Fig. 6), o bien una única abertura 24 para paso de gas, siendo el fondo 25 opuesto un fondo cerrado (Fig. 7). En estos dos casos, la camisa está definida por dos radios Rf1 y Rf2 de
abertura polar distintos. La capa 21 de tipo helicoidal de cierre está definida entonces por dos radios Rf1 y Rf2 de
abertura polar distintos, comprendidos entre Rf1 y Rf1 + W y entre Rf2 y Rf2 + W. El ángulo de devanado en
cuestión es el ángulo medio entre el ángulo de la napa al comienzo de la parte cilíndrica y el ángulo de la napa al
final de la parte cilíndrica.
La Figura 7 representa un depósito según un modo de realización particular de la presente invención. Solamente se describirá a continuación la estructura de la envoltura 26 de refuerzo mecánico que protege la camisa 27.
Comenzando desde la camisa 27 hacia el exterior del depósito, esta envoltura 26 de refuerzo mecánico comprende un primer devanado de filamento que tiene dos capas sobrepuestas de napas de fibras cuyo valor del ángulo ai
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formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de una capa dada y el eje longitudinal 28 definido por la camisa 26 está comprendido entre +/- 55° y +/- 85°. Este primer devanado representa veinte por ciento (20%) del grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en su parte central cilindrica.
Se observa que el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de la segunda capa de este primer devanado de filamento, es decir, setenta (70), es mayor que el de la primera capa, cincuenta y cinco (55).
Sobre este primer devanado de filamento se ha formado un segundo devanado de filamento que comprende un apilamiento de tres capas. La capa más externa, capa que lleva el número cinco (5), de este segundo devanado de filamento es una capa helicoidal de cierre cuyo ángulo aj formado entre la dirección longitudinal de cada una de sus fibras y el eje longitudinal 28 mide diez grados (10°). Las dos capas, numeradas tres (3) y cuatro (4), situadas bajo esta última capa son tales que:
- la capa base de este devanado, la capa que lleva el número 3, que está situada directamente sobre la capa más externa del primer devanado de filamento, presenta un ángulo cuyo valor absoluto (35) es menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo ai para el primer devanado, y
- la capa situada encima de esta capa base, es decir, la capa que lleva el número 4, presenta por su parte un ángulo de inclinación de las fibras con respecto al eje longitudinal 28 cuyo valor absoluto (85) es mayor que el valor absoluto máximo del ángulo ai para el primer devanado.
El conjunto formado por estos dos devanados de filamento, exceptuando la capa helicoidal de cierre, representa cuarenta por ciento (40%) del grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en su parte central cilindrica.
Sobre estos dos primeros devanados de filamento se sitúa una alternancia de capas circunferenciales que tienen fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal 28 en un ángulo ak=90° y capas helicoidales de cierre cuyo ángulo ak formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y el eje longitudinal 28 mide diez grados (10°).
El número total de capas que constituyen esta envoltura de refuerzo mecánico es de solo diez (10) capas.
Para demostrar las ventajas técnicas aportadas por la presente invención, se han realizado ensayos comparativos entre un depósito según un modo de puesta en práctica de la presente invención y depósitos comerciales. La tabla muestra los resultados obtenidos en estas pruebas, en las que al depósito según un modo de puesta en práctica de la presente invención se le denomina depósito 1, mientras que a los dos depósitos comerciales distintos se les denomina respectivamente depósito 2 y depósito 3.
Las capacidades de agua y las masas de estos depósitos son comparables. Por el contrario, la masa de gas almacenada es distinta al ser distinta la presión de servicio.
Depósito
Tipo Diámetro mm Longitud mm Capacidad de agua Litros Peso en vacío kg Presión de servicio bares Coef. de seguridad Tipo de gas Masa de gas Masa de gas/masa del depósito
Depósito 1
4 545 1.030 143 77 525 3 H2 4,696 6,1%
Depósito 2
3 551 972 154 82 350 2,35 H2 3,73 4,5%
Depósito 3
4 403 1.820 156 79 350 2,35 H2 3,81 4,8%
Tabla 1: Comparación de prestaciones del depósito según un modo de puesta en práctica
frente a depósitos de prueba
Se constata que, aunque tiene a la vez una presión de servicio y un factor de seguridad (del orden de treinta por ciento (30%) superior) mayores que los de los depósitos comerciales 2 y 3, lo que requiere el fortalecimiento de la envoltura de refuerzo mecánico con respecto a los depósitos que trabajan a presiones más bajas, el depósito 1 según un modo de puesta en práctica de la presente invención asegura ventajosamente una mayor capacidad de almacenamiento, para una masa de depósito comparable.
Por otra parte, al ser menor el factor de seguridad aplicado a los depósitos comerciales 2 y 3, teóricamente se podría:
- o bien aumentar aún más la presión de servicio del depósito 1 obtenido según un modo de puesta en práctica de la invención, lo que induce un aumento en la masa de gas almacenada,
- o bien reducir aún más la cantidad de fibra utilizada, es decir, reducir la masa del depósito 1.
En ambos casos, se llegaría a un aumento de la proporción de masa de gas almacenada/masa del depósito.
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Claims (18)

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    REIVINDICACIONES
    1. Depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión, que comprende una carcasa interna (17) que define una cámara de almacenamiento y una envoltura de refuerzo mecánico que rodea al menos dicha carcasa interna (17), comprendiendo dicha carcasa interna (17) una abertura en al menos uno de sus extremos, una parte central (11) cilíndrica y dos partes (12, 13) de extremo, de las cuales al menos una está abombada hacia fuera, definiendo dicha carcasa interna (17) un eje longitudinal (14), caracterizado por que dicha envoltura de refuerzo mecánico comprende sucesivamente, comenzando desde la carcasa interna (17) hacia el exterior:
    - un primer devanado de filamento que comprende una capa o un apilamiento de capas, que tienen cada una fibras dispuestas de manera que el ángulo ai formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y dicho eje longitudinal (14) está comprendido entre +/- 45° y +/- 85°, siendo el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de cada capa sobrepuesta sobre otra capa de este apilamiento mayor que el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de la capa inmediatamente inferior en este apilamiento,
    - un segundo devanado de filamento que comprende una o varias capas denominadas intermedias, situadas bajo una única capa denominada capa más externa de dicho segundo devanado, estando dichas capas intermedias sobrepuestas definiendo un apilamiento, teniendo dicha capa o cada capa intermedia de este apilamiento fibras dispuestas de manera que el valor absoluto del ángulo aj formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de la capa intermedia correspondiente y dicho eje longitudinal (14) es:
    * o bien igual o mayor que el valor absoluto máximo del ángulo ai para el primer devanado, e igual o mayor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
    * o bien igual o menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo ai para dicho primer devanado, e igual o menor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
    siendo dicha capa más externa de dicho segundo devanado una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna (17), el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal (21) de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna (17) en cuestión,
    - al menos una capa circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo ak comprendido entre +/- 80° y +/- 90°, y/o al menos una capa helicoidal que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo ak comprendido entre +/-5° y +/-45° y/o al menos una capa helicoidal de cierre a fin de completar el número de capas del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, para formar el grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilíndrica.
  2. 2. Depósito según la reivindicación 1, caracterizado por que el grosor de dicho primer devanado de filamento representa entre 15 y 35% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilíndrica.
  3. 3. Depósito según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el grosor del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, exceptuando la mencionada capa helicoidal (21) de cierre, representa como máximo 45% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilíndrica.
  4. 4. Depósito según la reivindicación 3, caracterizado por que el grosor del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, exceptuando la mencionada capa helicoidal (21) de cierre, representa entre 23 y 45% del grosor de la carcasa de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilíndrica.
  5. 5. Depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la capa más externa de la envoltura de refuerzo mecánico es una capa de tipo circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo al comprendido entre +/- 80° y +/- 90°.
  6. 6. Depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 65% y 85%.
  7. 7. Depósito según la reivindicación 6, caracterizado por que la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 75% y 81%.
  8. 8. Depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las fibras se eligen del grupo que comprende las fibras de carbono, de vidrio, de aramida, las fibras orgánicas vegetales, las fibras orgánicas animales, las fibras minerales y combinaciones de estos elementos.
  9. 9. Método para fabricar un depósito destinado a almacenar medios líquidos o gaseosos bajo presión, comprendiendo dicho depósito una carcasa interna (17) que define una cámara de almacenamiento y una envoltura de refuerzo mecánico que rodea al menos dicha carcasa interna (17), comprendiendo dicha carcasa interna (17) una abertura en
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    al menos uno de sus extremos, una parte central (11) cilindrica y dos partes (12, 13) de extremo, de las cuales al menos una está abombada hacia fuera, definiendo dicha carcasa interna (17) un eje longitudinal (14), caracterizado por que se llevan a cabo los siguientes pasos para construir dicha envoltura de refuerzo mecánico:
    -formar primeramente un primer devanado de filamento que comprende una capa o un apilamiento de capas que tienen fibras dispuestas de manera que el ángulo ai formado entre la dirección longitudinal de cada fibra y dicho eje longitudinal (14) está comprendido entre +/-45° y +/-85°, siendo el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de cada capa sobrepuesta sobre otra capa de esta apilamiento mayor que el valor absoluto del ángulo ai formado por las fibras de la capa inmediatamente inferior en este apilamiento,
    - formar un segundo devanado de filamento que comprende una o varias capas denominadas intermedias, situadas bajo una única capa denominada capa más externa de dicho segundo devanado, estando dichas capas intermedias sobrepuestas definiendo un apilamiento, teniendo dicha capa o de cada capa intermedia de este apilamiento fibras dispuestas de manera que el valor absoluto del ángulo aj formado entre la dirección longitudinal de cada fibra de la capa intermedia correspondiente y dicho eje longitudinal (14) es:
    * o bien igual o mayor que el valor absoluto máximo del ángulo ai para el primer devanado, e igual o mayor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
    * o bien igual o menor que el valor absoluto más pequeño del ángulo ai para dicho primer devanado, e igual o menor que el valor absoluto del ángulo aj formado por las fibras de la capa intermedia inmediatamente inferior cuando dicha capa intermedia correspondiente está sobrepuesta sobre otra capa intermedia,
    siendo dicha capa más externa de dicho segundo devanado una capa helicoidal de cierre que tiene fibras dispuestas de manera que, para dicha o cada abertura de dicha carcasa interna (17), el diámetro de abertura polar de dicha capa helicoidal (21) de cierre es igual o sustancialmente igual al diámetro de la abertura de la carcasa interna (17) en cuestión,
    - completar después estos primer y segundo devanados de filamento con la aplicación como mínimo de al menos una capa circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo ak comprendido entre +/- 80° y +/- 90°, y/o al menos una capa helicoidal que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo ak comprendido entre +/- 5° y +/- 45°, y/o al menos una capa helicoidal de cierre, para formar el grosor total de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilindrica.
  10. 10. Método según la reivindicación 9, caracterizado por que la última capa aplicada, y que forma por ello la capa más externa de la envoltura de refuerzo mecánico es una capa de tipo circunferencial que tiene fibras dispuestas con respecto a dicho eje longitudinal (14) en un ángulo al comprendido entre +/- 80° y +/- 90°.
  11. 11. Método según la reivindicación 9 o 10, caracterizado por que se impregnan las fibras en una resina termoendurecible o termoplástica antes de ser devanadas sobre dicha carcasa.
  12. 12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que el grosor de dicho primer devanado de filamento representa entre 15 y 35% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilindrica.
  13. 13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado por que el grosor del conjunto formado por el primer y el segundo devanados de filamento, exceptuando dicha capa helicoidal (21) de cierre, representa entre 23 y 45% del grosor de la envoltura de refuerzo mecánico en dicha parte central (11) cilindrica.
  14. 14. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por que antes de aplicar el primer devanado de filamento, se trata la superficie externa de al menos una parte de la carcasa interna (17) para aumentar las propiedades adhesivas y de mojadura del material que constituye dicha carcasa interna (17).
  15. 15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado por que la envoltura de refuerzo mecánico presenta una fracción másica de fibras comprendida entre 65% y 85%.
  16. 16. Medio de transporte equipado con al menos un depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.
  17. 17. Uso del depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 como fuente de suministro de gas o de combustible.
  18. 18. Uso del depósito según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 como acumulador de energía.
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