ES2974306T3 - Recipiente a presión reforzado con casquete - Google Patents

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Thomas Bäumer
Christian Middendorf
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Abstract

La invención se refiere a un recipiente a presión (1) que tiene tapas polares (22) reforzadas y a un método para producir dicho recipiente a presión (1), que comprende un recipiente interior (2) compuesto por una parte central cilíndrica (21) y dos casquetes polares (22) en forma de cúpula que cierran respectivamente la parte central (21) por ambos lados, y una capa exterior (3) que está enrollada sobre el recipiente interior (2) y destinada a reforzar el recipiente interior (2) contra la presión. carga, en donde la capa exterior (3) tiene al menos una capa de refuerzo de casquete polar (31) y una capa de refuerzo de recipiente a presión (32) de material compuesto de fibra (FCM), en donde la capa de refuerzo de casquete polar (31) en cubre al menos parcialmente los casquetes polares (22) y la capa de refuerzo del recipiente a presión (32) cubre los casquetes polares (22) y la parte central (21), y como capa polar está dispuesta una preforma (5) de contorno estable. capa de refuerzo (31) sobre al menos uno de los casquetes polares (22), preferiblemente en ambos casquetes polares (22). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Recipiente a presión reforzado con casquete
Campo de la invención
La invención se refiere a un recipiente a presión con casquetes reforzadas y a un procedimiento para fabricar dicho recipiente a presión.
Antecedentes de la invención
El mercado de los recipientes a presión reforzados con fibra y fabricados con material compuesto de fibra no deja de crecer. La creciente extracción de gas natural y de gas de fracturación hidráulica hace necesario el almacenamiento en recipientes a presión, sobre todo en países que carecen de la correspondiente red de gasoductos. A esto se añade el sector de la automoción, que está trabajando intensamente en el desarrollo de vehículos de pila de combustible en los que el combustible debe almacenarse en forma de hidrógeno gaseoso a alta presión en recipientes presurizados. Para transportar los contenedores presurizados se necesitan recipientes a presión ligeros, ya que el transporte de contenedores presurizados con un peso elevado consume una cantidad de energía innecesariamente grande y, por lo tanto, provoca costes de transporte excesivamente elevados.
Los recipientes a presión que se utilizan actualmente presentan una sección central cilíndrica con casquetes a ambos lados para sellar la sección central y se fabrican mediante un procedimiento de bobinado de fibra, por ejemplo. Se utiliza un revestimiento (contenedor interior del recipiente a presión) que, por un lado, actúa como núcleo de bobinado y, por otro, también garantiza la estanqueidad del recipiente. A continuación, este revestimiento se envuelve con material compuesto de fibras para reforzar el recipiente a presión y darle estabilidad al recipiente a presión resultante. Para los recipientes a presión de tipo 3, se utiliza una camisa metálica de aluminio o acero, mientras que, para los de tipo 4, se utiliza una camisa de plástico.
El denominado proceso de sobretrenzado, en el que se trenzan fibras secas o preimpregnadas (normalmente fibras de carbono) sobre la camisa, compite con el proceso de bobinado. El revestimiento se trenza de un lado a otro hasta conseguir el refuerzo de fibra necesario. La estructura del laminado difiere significativamente en los dos procesos de fabricación descritos.
Con el proceso de sobretrenzado, las posibilidades de variación con respecto al ángulo de la fibra son mucho más limitadas porque el número de bobinas de trenzado, y el grosor de la fibra utilizada dan como resultado un ángulo específico de la fibra que solo puede variarse dentro de unos límites pequeños. Las desventajas del proceso de sobretrenzado son la ondulación de la fibra y la diferente calidad del laminado en función de la dirección de deposición de la fibra, en particular la diferencia entre el trenzado de un diámetro pequeño a uno grande, o viceversa. La ondulación de las fibras se refiere a la desviación de las fibras dentro de los tejidos, por ejemplo, en los compuestos de fibras, en los que los haces de fibras están entrelazados y se mantienen unidos por un hilo de urdimbre. Esto puede dar lugar a una desviación de los haces de fibras causada por los hilos de urdimbre, lo que provoca una disminución de la resistencia del tejido paralela a las fibras. En el proceso de bobinado, se distingue entre bobinado circunferencial y bobinado axial.
Los bobinados circunferenciales tienen un ángulo de colocación de las fibras de 80-90° con respecto al eje del recipiente, las capas axiales presentan un ángulo de 10-70° con respecto al eje. Teóricamente, todos los devanados entre 0 y 90° pueden realizarse en la parte cilíndrica del recipiente a presión, pero esto no tiene sentido en la práctica porque las relaciones de esfuerzo dictan una estructura laminar especial. El punto débil de la estructura laminar del recipiente a presión bobinado es que el refuerzo en la dirección circunferencial no es posible en la zona del casquete porque el hilo bobinado en la dirección circunferencial resbala y solo se detiene en la sujeción de la camisa. Esta falta de refuerzo circunferencial debe compensarse con los correspondientes devanados axiales, ya que, de lo contrario, el recipiente falla prematuramente en la zona del casquete. La desventaja de esto es que los bobinados axiales necesarios en algunos casos solo son necesarios para la zona del casquete y son superfluos en la zona cilíndrica del recipiente a presión. Esto significa que se utiliza una cantidad innecesariamente grande de fibra, especialmente en recipientes largos, lo que aumenta el coste y el peso del recipiente.
Por lo tanto, sería deseable disponer de recipientes presurizados que pudieran fabricarse con poco aporte de material y tuvieran el menor peso posible.
El documento US 2744043 A describe un procedimiento para fabricar un recipiente a presión.
Síntesis de la invención
Por lo tanto, una de las tareas de la invención es proporcionar un recipiente a presión que pueda fabricarse en forma más rentable con las mismas propiedades de resistencia.
Este problema se resuelve mediante un recipiente a presión de acuerdo con la reivindicación 1.
Los recipientes a presión cilíndricos comprenden una parte cilíndrica, denominada aquí sección central, que presenta una sección transversal circular perpendicular al eje del cilindro. Para que el gas pueda almacenarse a presión en este recipiente a presión, las superficies cilíndricas de la sección central se cierran con superficies de cubierta en forma de cúpula. Estas consideraciones geométricas se aplican igualmente a los recipientes a presión formados por un recipiente interior y una capa exterior envuelta sobre el recipiente interior para reforzar el recipiente interior, por ejemplo, con un recipiente interior de plástico. Por una parte, tales recipientes presentan un peso muy reducido, lo que es importante para aplicaciones en medios de transporte, por ejemplo, y, por otra parte, gases como el hidrógeno pueden almacenarse a alta presión con escasas pérdidas, ya que el plástico presenta una permeabilidad al hidrógeno muy baja y la resistencia necesaria la proporciona la capa exterior de material compuesto de fibras. El recipiente a presión según la invención comprende así un recipiente interior con superficies de tapa en forma de cúpula, preferiblemente con una forma que se desvía de una semiesfera, que presenta una mayor curvatura en la zona del borde de la tapa adyacente a la parte central cilíndrica del recipiente interior en comparación con una superficie semiesférica, mientras que la zona central de la superficie de la tapa presenta una curvatura menor en comparación con una superficie semiesférica. Este tipo de superficie de la tapa en forma de cúpula también se conoce como isotensoide. Por isotensoide se entiende una forma que produce una tensión constante en las fibras en todos los puntos del recorrido de las fibras en una capa exterior de un material compuesto de fibras enrollado sobre ella. El término “revestimiento” se refiere a la aplicación de la capa de refuerzo del casquete y la capa de refuerzo del recipiente a presión desde el exterior hacia el interior del recipiente.
El material compuesto de fibras consta generalmente de dos componentes principales, en este caso fibras, embebidos en un material de matriz que crea la fuerte unión entre las fibras. El material compuesto de fibras puede estar enrollado y/o trenzado a partir de una fibra o de varias fibras, por lo que la fibra o fibras están enrolladas una al lado de la otra y/o trenzadas en contacto entre sí. De este modo, se crea una capa de fibras sobre la que se enrollan y/o trenzan las fibras en otras capas de fibras hasta que el material compuesto de fibras presenta el grosor deseado y forma una capa exterior correspondiente con este grosor. En una realización, la capa exterior comprende primeras y segundas fibras, por ejemplo, segundas fibras, en varias capas de fibras. El compuesto confiere al material compuesto de fibras propiedades de mayor calidad, como una alta resistencia, que las que podría proporcionar cualquiera de los dos componentes individuales implicados. El efecto de refuerzo de las fibras en la dirección de la fibra se produce cuando el módulo de elasticidad de la fibra en la dirección longitudinal es mayor que el módulo de elasticidad del material de la matriz, cuando el alargamiento a la rotura del material de la matriz es mayor que el alargamiento a la rotura de las fibras y cuando la resistencia a la rotura de las fibras es mayor que la resistencia a la rotura del material de la matriz. Como fibras pueden utilizarse fibras de todo tipo, por ejemplo, fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras cerámicas, fibras de acero, fibras naturales o fibras sintéticas. Como materiales de matriz, pueden utilizarse, por ejemplo, durómeros, elastómeros o termoplásticos. El experto conoce las propiedades materiales de las fibras y los materiales de matriz, de modo que puede seleccionar una combinación adecuada de fibras y materiales de matriz para producir el material compuesto de fibras para la aplicación correspondiente. En este caso, las capas individuales de fibras en la zona de material compuesto de fibras pueden comprender una sola fibra o varias fibras idénticas o diferentes.
El hecho de que solo los casquetes incluyan una capa de refuerzo de los casquetes, que no se extiende por la parte central, y de que la resistencia del recipiente a presión en la parte central pueda conseguirse únicamente mediante la capa de refuerzo del recipiente a presión, que está formada por una capa de material compuesto de fibras optimizada para la geometría de la parte central cilíndrica (capas de fibras en la dirección circunferencial y en la dirección axial en una proporción de 2:1), permite evitar envolver la parte central con una capa de material compuesto de fibras optimizada para la geometría de los casquetes (capas de fibras adicionales alineadas axialmente).
Por lo tanto, el recipiente a presión según la invención requiere menos material compuesto de fibra para producir la capa exterior como envoltura del recipiente interior a fin de seguir teniendo la misma resistencia que otros recipientes a presión. Por lo tanto, el recipiente a presión según la invención puede fabricarse de modo más rentable manteniendo las mismas propiedades de resistencia.
Estas ventajas pueden lograrse, por ejemplo, mediante la tecnología de bobinado y utilizando una denominada preforma que se desliza sobre los casquetes.
En este caso, se dispone una preforma de contorno estable como capa de refuerzo del casquete en al menos uno de los casquetes, preferiblemente en ambos. La preforma representa una preforma de fibra textil que se aplica a los casquetes antes o durante el bobinado de la capa de refuerzo del recipiente a presión y los refuerza en la dirección circunferencial. La preforma puede fabricarse mediante un proceso de trenzado o el denominado “proceso de colocación de fibras” y aplicarse al casquete. El término “estable en el contorno” significa en la presente que la preforma presenta suficiente rigidez inherente para que no se desplace ni se comprima durante el rebobinado posterior.
De acuerdo con la invención, la preforma de contorno estable es una preforma de contorno estable trenzada a partir de material de fibra con un ángulo de trenzado del material de fibra en el borde del casquete de al menos 140°, preferiblemente de al menos 150°, de particular preferencia, de al menos 160°. El ángulo de trenzado se define aquí como el ángulo entre las fibras que se cruzan, cuya bisectriz es esencialmente paralela al eje cilíndrico de la parte cilíndrica central. El término “esencialmente” se refiere a desviaciones máximas de ±5° con respecto al valor especificado. El término “trenzado” (una preforma trenzada es una preforma formada por fibras que se cruzan en un ángulo de trenzado o trenza de fibras) se refiere al producto del entrelazado de al menos dos fibras de material flexible para formar una capa de trenzado. Sin embargo, la preforma como trenzado global también puede comprender varias capas de trenzado de este tipo. Un trenzado no puede hacerse con un solo hilo y, por lo tanto, es lo contrario de un cuerpo enrollado. En una capa de trenzado, las fibras (o hilos) se cruzan en un ángulo de trenzado, por lo que las fibras (hilos) que discurren unas junto a otras pasan alternativamente por debajo y por encima de las fibras (hilos) que se cruzan y el hilo vecino pasa por debajo y por encima en direcciones opuestas. El trenzado de material fibroso puede fabricarse con diferentes densidades, de modo que pueda haber un volumen de número y tamaño variables entre las fibras individuales que, posteriormente, puede rellenarse con material de matriz, por ejemplo. En una realización, el trenzado comprende varias capas de fibras que se cruzan en un ángulo de trenzado.
En una realización, uno o más hilos de refuerzo se tejen en la preforma trenzada con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico de la parte central cilíndrica. Los hilos de refuerzo son ventajosos para la resistencia a la flexión en la zona del casquete. Durante el trenzado de la preforma, los denominados hilos estacionarios de 0° pueden introducirse fácilmente como hilos de refuerzo, en los que el ángulo de 0° corresponde a una alineación paralela al eje del cilindro. El término “esencialmente” se refiere a desviaciones máximas de ±5° del valor especificado. Si se selecciona una disposición de la trenzadora que dé como resultado un ángulo de trenzado de aprox. 160° en la zona del borde del casquete, los hilos estacionarios de 0° producen un material compuesto de fibras casi óptimo en una proporción de 2:1 (radial:axial), que corresponde a la tensión según la fórmula de la caldera. En la zona del casquete en la dirección del centro del casquete, el ángulo de trenzado cambia en función de la distancia relativa al eje del cilindro, pero esto no es problemático con una tensión decreciente. La capa de refuerzo del casquete construida de este modo evita la ondulación de las fibras y la diferente calidad del laminado en función de la dirección en la que se depositan las fibras (diferencia entre el trenzado de diámetro pequeño a diámetro grande, o viceversa). Las fibras de carbono, por ejemplo, pueden utilizarse como fibras de refuerzo.
En una realización, la preforma de contorno estable consiste en un material de fibra bordado sobre un material de soporte drapeable, preferiblemente un velo no tejido. El término “drapeable” se refiere a la capacidad de adaptarse a una forma espacial. El bordado fija el material de fibra en la orientación deseada. En una realización, el material de fibra se borda en espiral sobre el material de soporte.
En otra realización, uno o más hilos de refuerzo se cosen al material de soporte con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico de la parte central cilíndrica. Para estos hilos de refuerzo, se aplica lo mismo que se ha descrito con anterioridad para los hilos de refuerzo de la preforma trenzada. Por ejemplo, los hilos de refuerzo también se cosen y refuerzan el casquete en dirección axial (paralela al eje del cilindro).
En otra realización, el material de soporte se adhiere directamente al casquete con una capa adhesiva. La capa adhesiva, por ejemplo, una capa de resina epoxi aplicada a la capa de soporte como una capa de pulverización, adhiere firmemente la capa de soporte con material de fibra bordada al casquete después de haber sido empujada sobre el casquete, evitando así que se deslice durante los pasos de fabricación posteriores.
En otra realización, la preforma se empuja sobre al menos parte del material compuesto de fibras aún húmedo de la capa de refuerzo del recipiente a presión enrollado sobre el casquete y fijado en la zona del casquete por el material de la matriz de la capa de refuerzo del recipiente a presión. El término “húmedo” se refiere a un material compuesto de fibras que todavía no se ha endurecido, en donde el material de la matriz todavía puede reticularse con la matriz aplicada externamente.
En este caso, en la capa de refuerzo del recipiente a presión, debe haber suficiente material de matriz, por ejemplo, resina, para que la preforma seca pueda impregnarse con suficiente material de matriz para la estabilidad del contorno y la reticulación de la preforma. Preferiblemente, la propia preforma ya está impregnada o impregnada con un material de matriz termoendurecible. En esta realización, la capa de refuerzo del casquete se incorpora a la capa de refuerzo del recipiente a presión como un compuesto conjunto.
En otra realización, la capa de refuerzo del recipiente a presión cubre la capa de refuerzo del casquete y la preforma se fija al casquete para crear estabilidad en el contorno. De este modo, se puede evitar la aplicación de una capa adhesiva adicional en la preforma. En una realización, la preforma se fabrica con una matriz termoplástica y se suelda al casquete hecho de un material plástico (por ejemplo, un material termoplástico) al menos en determinados puntos. Un material de matriz termoplástica permite la soldadura con material plástico.
En otra realización, la preforma es una preforma endurecida, en la que un contorno interior de la preforma está adaptado al casquete y un contorno exterior de la preforma está diseñado de tal manera que la capa de refuerzo del recipiente a presión puede depositarse sobre ella, en la que el contorno exterior está diseñado de tal manera que representa una extensión de la parte central del recipiente interior en la zona del borde del casquete, en donde la capa de refuerzo del recipiente a presión comprende, además, una capa interior enrollada radialmente que se enrolla como una capa continua sobre la parte central y directamente sobre el contorno exterior en la zona del borde para su posterior rebobinado con otras capas exteriores de la capa de refuerzo del recipiente a presión, preferiblemente la preforma comprende una nariz de tope como límite del contorno exterior rebobinado con la capa de refuerzo del recipiente a presión en la zona del borde del casquete. Las bobinas radiales son hileras de fibras con una dirección de las fibras en el material compuesto de fibras de casi 90° con respecto al eje cilíndrico de la parte central del recipiente a presión como ángulo de las fibras en la capa de refuerzo del recipiente a presión.
Los recipientes a presión según la invención pueden utilizarse, por ejemplo, como recipientes a presión para GNC, recipientes a presión para hidrógeno, botellas de aire respirable y otros recipientes a presión.
El recipiente a presión según la invención se produce mediante el proceso de acuerdo con la reivindicación 9.
En este caso, se dispone una preforma de contorno estable como capa de refuerzo del casquete en al menos uno de los casquetes, preferiblemente en ambos. La preforma representa una preforma de fibra textil que se aplica a los casquetes antes o durante el bobinado de la capa de refuerzo del recipiente a presión y los refuerza en la dirección circunferencial. La preforma puede fabricarse mediante un proceso de trenzado o el denominado “proceso de colocación de fibras” y aplicarse al casquete.
De acuerdo con la invención, se trenza una preforma de contorno estable como capa de refuerzo del casquete a partir de un material de fibra F1, en donde el ángulo de trenzado FLW de la preforma en el borde del casquete es de al menos 140°, preferiblemente de al menos 150°, de particular preferencia, de al menos 160°. En un paso adicional, pueden trenzarse uno o más hilos de refuerzo con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico de la parte central cilíndrica.
En una realización, el material de fibra puede bordarse sobre un material de soporte drapeable, preferiblemente un velo, para producir la preforma de contorno estable (la denominada colocación de fibra a medida, “Tailored fibre placement”, TFP). El material de fibra puede bordarse en espiral sobre el material de soporte. Además, uno o más hilos de refuerzo también pueden bordarse sobre el material de soporte con una orientación esencialmente paralela al eje del cilindro de la parte central cilíndrica. El proceso TFP también ofrece la posibilidad de combinar diferentes fibras, tales como fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras de kevlar entre sí, de manera que, por ejemplo, se aumente la absorción de energía en la zona del casquete, como la que se requiere cuando el recipiente choca contra una superficie sólida. El material de soporte puede fijarse directamente al casquete con una capa adhesiva. Como alternativa al encolado, la preforma también puede empujarse sobre al menos parte del material compuesto de fibras aún húmedo de la capa de refuerzo del recipiente a presión enrollado sobre el casquete y fijado en la zona del casquete por el material de matriz de la capa de refuerzo del recipiente a presión. Alternativamente, la capa de refuerzo del recipiente a presión puede aplicarse para cubrir la capa de refuerzo del casquete, por lo que la preforma se fija previamente al casquete para producir la estabilidad del contorno. Para ello, la preforma puede fabricarse con una matriz termoplástica y soldarse al casquete de material plástico al menos en determinados puntos.
Alternativamente, la preforma TFP o trenzada puede impregnarse con una resina termoendurecible y endurecerse en un molde en un proceso posterior, por ejemplo, mediante el denominado moldeo por transferencia de resina (RTM), antes de que la capa de refuerzo del casquete producida de este modo se aplique a la zona del casquete de la camisa (contenedor interior del recipiente a presión). El molde está diseñado de tal manera que el contorno interior de la capa de refuerzo del casquete corresponde al del casquete de la camisa (recipiente interior para el recipiente a presión) y el contorno exterior representa una superficie adecuada para el soporte de carga de los devanados axiales.
En otra realización, el contorno exterior de la capa de refuerzo del casquete puede diseñarse de tal manera que la zona cilíndrica de la parte central del recipiente a presión se continúe inicialmente en él como una zona extendida en una zona de borde del casquete, permitiendo así que las capas interiores de la capa de refuerzo del recipiente a presión se depositen en la zona del casquete en forma de devanados radiales.
En otra realización, esta preforma puede conectarse positivamente a la conexión de presión. Junto con la capa de refuerzo del recipiente a presión, que se enrolla sobre ella y forma una conexión con la preforma después del curado, esto permite introducir un par elevado desde la conexión a presión en el laminado sin tensar la conexión desde la conexión a presión hasta el recipiente interior.
Breve descripción de las Figuras
Estos y otros aspectos de la invención se muestran en detalle en las siguientes Figuras.
Fig. 1: muestra una realización de un recipiente a presión según la invención en sección lateral;
Fig. 2: muestra una realización de un recipiente a presión según la invención en la zona del casquete en sección lateral con una preforma hecha de material compuesto de fibra trenzada;
Fig. 3: muestra una realización de un recipiente a presión según la invención en la zona del casquete con una preforma hecha de material de fibra cosida a un material de soporte (a) en vista en planta del casquete y (b) en sección lateral a través de la preforma;
Fig. 4: muestra una forma de realización de un recipiente a presión según la invención en la zona del casquete en sección lateral con una preforma hecha de material de fibra bordada sobre un material de soporte, que se cubre sobre el casquete;
Fig. 5: muestra una realización de un recipiente a presión según la invención en la zona del casquete en sección lateral con una preforma;
Fig. 6: muestra una realización de un procedimiento según la invención para fabricar el recipiente a presión según la invención, y
Fig. 7: muestra otra realización de un procedimiento según la invención para fabricar el recipiente a presión según la invención.
Descripción detallada de las realizaciones
La Fig. 1 muestra una vista en sección lateral de una realización de un recipiente 1 a presión según la invención. El recipiente 1 a presión comprende un recipiente 2 interior formado por una parte 21 central cilíndrica y dos casquetes 22 en forma de cúpula que cierran la parte 21 central por ambos lados y una capa 3 exterior enrollada sobre el recipiente 2 interior para reforzar el recipiente 2 interior contra una carga de presión, en donde la capa 3 exterior comprende al menos una capa 31 de refuerzo del casquete y una capa 32 de refuerzo del recipiente a presión hechas de material compuesto de fibras FVM, en donde la capa 31 de refuerzo del casquete cubre al menos parcialmente los casquetes 22 y la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión cubre los casquetes 22 y la parte 21 central. El ángulo de fibra FW2 es un ángulo de casi 90° con respecto al eje cilíndrico Z de la parte central, preferiblemente FW2 es superior a 80°.
La Fig. 2 muestra una realización de un recipiente 1 a presión según la invención en la zona del casquete 22 en sección lateral con una preforma 5 de material compuesto de fibra trenzada FVM. Esta preforma 5 de contorno estable está dispuesta como capa 31 de refuerzo del casquete sobre al menos uno de los casquetes 22, preferiblemente sobre ambos casquetes 22. En este caso, la preforma 5 está concebida como preforma estable en el contorno 51 trenzada de material de fibra F1 con un ángulo de trenzado FLW del material de fibra F1 en el borde 25 del casquete de al menos 140°, preferiblemente de al menos 150°, de especial preferencia, de al menos 160°. El ángulo de trenzado FLW disminuye significativamente hacia el centro 26 del casquete. En esta realización, varios hilos 52 de refuerzo están trenzados en la preforma 51 trenzada con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico Z de la parte 21 central cilíndrica, por lo que solo se muestran dos hilos de refuerzo por razones de claridad. Lo mismo se aplica a las fibras que se entrecruzan, en las que igualmente solo se muestran unas pocas fibras como representantes de las demás fibras.
La Fig. 3 muestra una realización de un recipiente 1 a presión según la invención en la zona del casquete 22 con una preforma 53 de material de fibra F1 bordada sobre un material 54 de soporte (a) en vista en planta del casquete y (b) en sección lateral a través de la preforma. La preforma 53 mostrada está dispuesta como capa de refuerzo del casquete 31 sobre al menos uno de los casquetes 22, preferiblemente sobre ambos casquetes 22. Aquí, el material de fibra F1 puede coserse sobre el material 54 de soporte en espiral. En esta realización, varios hilos 55 de refuerzo se bordan sobre el material 54 de soporte con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico Z de la parte 21 central cilíndrica. Como se muestra en la Fig. 4b, la preforma 53 comprende una capa 56 adhesiva además del material compuesto de fibras F1, FVM y la capa 54 de soporte. El material 54 de soporte está unido directamente al casquete con la capa 56 adhesiva. Esto permite el deslizamiento de los hilos 55 de refuerzo y, por lo tanto, el moldeado al contorno del casquete.
La Fig. 4 muestra una realización de un recipiente 1 a presión según la invención en la zona del casquete 22 en sección lateral con una preforma 53 hecha de material de fibra FVM bordada sobre un material 54 de soporte, que se cubre sobre el casquete 22.
Las capas 5, 51 y 53 de refuerzo del casquete de las Figuras 2-4 pueden empujarse sobre al menos una parte del material compuesto de fibra F2 aún húmedo de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión enrollada sobre el casquete 22 y fijarse en la zona del casquete 22 mediante el material de matriz de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión. Para ello, las capas 5, 51 y 53 de refuerzo del casquete comprenden un material termoendurecible como material de matriz, de modo que se pueda conseguir una buena reticulación con la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión.
Sin embargo, si las capas 5, 51 y 53 de refuerzo del casquete van a ser cubiertas por la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión y las capas 5, 51 y 53 de refuerzo del casquete van a ser fijadas al casquete 22 para producir estabilidad de contorno, las capas 5, 51 y 53 de refuerzo del casquete comprenden un material termoplástico como material de matriz, de modo que una buena soldadura al casquete 22 puede producirse preferiblemente a partir de un material termoplástico propio.
La Fig. 5 muestra otra realización del recipiente 1 a presión con la preforma 5 como componente de inserción para el casquete 22. La preforma TFP o trenzada 5 se impregnó con una resina termoendurecible y se endureció en un molde en un proceso posterior, por ejemplo, mediante el denominado moldeo por transferencia de resina (Resin-Transfer-Molding, RTM), antes de aplicarse a la zona del casquete 22 del recipiente 2 interior como capa 31 de refuerzo del casquete. La forma de la capa 31 de refuerzo del casquete proporcionada de esta manera está diseñada de tal modo que el contorno 5i interior de la preforma 5 corresponde al del casquete 22 y el contorno 5a exterior representa una superficie adecuada para el soporte de carga de los devanados axiales de fibra F2 de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión. Aquí, el contorno 5a exterior puede estar diseñado de tal manera que la parte 21 central del recipiente 2 interior se continúe inicialmente en él en una zona 25 de borde del casquete 22 como zona extendida, permitiendo así que las capas interiores F2i se depositen como devanados radiales de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión (devanado en la dirección circunferencial) hasta la nariz 57 de tope. Esta preforma 5 puede conectarse positivamente a la conexión 4 de presión. Junto con la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión, que se enrolla sobre ella y forma una conexión con la preforma 5 después del curado, esto permite introducir un par elevado desde la conexión 4 a presión en el laminado sin tensar la conexión entre la conexión 4 a presión y el recipiente 2 interior.
La Fig. 6 muestra una realización de un procedimiento 100 según la invención para fabricar el recipiente a presión mostrado en la Fig. 1 que comprende los pasos de producir 110 una preforma 5, 51, 53 estable en el contorno como la capa 31 de refuerzo del casquete para al menos uno de los casquetes 22, preferiblemente para ambos casquetes 22, mediante un procedimiento 112 de trenzado o mediante el bordado 116 de material de fibra sobre un material 54 de soporte drapeable; aplicar 120 la capa 31 de refuerzo del casquete a los casquetes 22 de modo que la capa 31 de refuerzo del casquete cubra al menos parcialmente los casquetes 22; y aplicar 130 la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión a los casquetes 22 y a la parte 21 central, en donde preferiblemente la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión se aplica a la capa de refuerzo del casquete 22 desde el exterior.
La Fig. 7 muestra otra realización de un procedimiento 100 según la invención para producir el recipiente a presión mostrado en la Fig. 1, que comprende los pasos de curado 140 de la preforma 5 con un contorno 5i interior adaptado al casquete 22 y un contorno 5a exterior, que está diseñado de tal manera que la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión puede depositarse sobre el mismo, estando el contorno 5a exterior diseñado de tal manera que representa una extensión de la parte 21 central del recipiente 2 interior en la zona borde del borde 25 del casquete 22; y devanado 150 de una capa F2i interior como devanado radial de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión sobre la parte 21 central y directamente sobre el contorno 5a exterior en la zona 25 del borde, preferiblemente hasta una nariz de tope 57 de la preforma 5 como límite del contorno 5a exterior que se va a devanar con la capa 22 de refuerzo del recipiente a presión en la zona 25 del borde del casquete 22; seguido del devanado 130 de una o más capas exteriores F2a de la capa 32 de refuerzo del recipiente a presión sobre toda la preforma 5.
Las realizaciones aquí mostradas son solo ejemplos de la presente invención y, por lo tanto, no deben entenderse como limitativas. Las realizaciones alternativas contempladas por el experto están igualmente cubiertas por el ámbito de protección de la presente invención, siempre que no se desvíen del objeto de las reivindicaciones.
Listado de referencias
1 Recipiente a presión
2 Recipiente interior
21 Parte central cilíndrica del recipiente interno
22 Casquete del recipiente interior en forma de cúpula
25 Zona del borde del casquete o zona extendida
26 Centro del casquete
3 Capa exterior de material compuesto de fibras
31 Capa de refuerzo del casquete de la capa exterior
32 Capa de refuerzo del recipiente a presión de la capa exterior
4 Válvula / conexión de presión
5 Preforma de contorno estable como capa de refuerzo del casquete
5a Contorno exterior de la preforma
5i Contorno interior de la preforma
51 Preforma estable al contorno trenzada de material fibroso
52 Hilos de refuerzo para el trenzado
53 Preforma estable en el contorno de material de fibra cosida a un material de soporte
54 Material de soporte
55 Hilos de refuerzo para la preforma
56 Capa adhesiva
57 Nariz de tope para la capa de refuerzo del recipiente a presión
100 De un recipiente a presión según la invención
110 Fabricación de una preforma de contorno estable
112 Fabricación mediante un procedimiento de trenzado
114 Trenzado adicional de uno o más hilos de refuerzo
116 Fabricación mediante bordado
118 Soldadura por puntos de la preforma al casquete
120 Aplicación de la capa de refuerzo del casquete a los casquetes
130 Aplicación de la capa de refuerzo del recipiente a presión a los casquetes
140 Curado de la preforma con un contorno interior adaptado al casquete
150 Enrollado de una capa interior de la capa de refuerzo del recipiente a presión directamente sobre el contorno exterior de la preforma en la zona del borde
F1 Fibra o material de fibra de la capa de refuerzo del casquete
F2 Fibra o material de fibra de la capa de refuerzo del recipiente a presión
F2i Capas interiores de la capa de refuerzo del recipiente a presión
F2a Capas exteriores de la capa de refuerzo del recipiente a presión
FW1 Ángulo de la fibra en la capa de refuerzo del casquete
FLW Ángulo de trenzado en la capa de refuerzo del casquete
FW2 Ángulo de la fibra en la capa de refuerzo del recipiente a presión
FVM Material compuesto de fibras de la capa exterior, la capa de refuerzo del casquete y/o la capa de refuerzo del recipiente a presión
Z Eje cilíndrico de la sección central cilíndrica

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Recipiente (1) a presión que comprende un recipiente (2) interior formado por una parte (21) central cilindrica y dos casquetes (22) en forma de cúpula que cierran la parte (21) central por ambos lados y una capa (3) exterior enrollada sobre el recipiente (2) interior para reforzar el recipiente (2) interior contra una carga de presión, en donde la capa (3) exterior comprende al menos una capa (31) de refuerzo de los casquetes y una capa (32) de refuerzo del recipiente a presión hechas de material compuesto de fibras (FVM), en donde la capa (31) de refuerzo de los casquetes cubre al menos parcialmente los casquetes (22) y la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión cubre los casquetes (22) y la parte (21) central y una preforma (5, 51, 53) estable en su contorno está dispuesta como capa (31) de refuerzo del casquete sobre al menos uno de los casquetes (22), preferiblemente sobre ambos casquetes (22), caracterizado porque
la preforma (5, 51) estable en el contorno es una preforma (51) estable en el contorno trenzada a partir de material de fibra (F1) con un ángulo de trenzado (FLW) del material de fibra (F1) en el borde (25) del casquete de al menos 140°, preferiblemente de al menos 150°, de particular preferencia, de al menos 160°, en donde el ángulo de trenzado (FLW) denota el ángulo entre las fibras de intersección, cuya bisectriz está alineada esencialmente paralela al eje cilíndrico de la parte (21) central cilíndrica.
2. Recipiente (1) a presión de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque
uno o más hilos (52) de refuerzo están entretejidos en la preforma (51) trenzada con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico (Z) de la parte (21) central cilíndrica.
3. Recipiente (1) a presión de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque
la preforma (5, 53) estable en su contorno consiste en material de fibra (F1) bordado sobre un material (54) de soporte drapeable, preferiblemente el material de fibra (F1) está bordado sobre el material (54) de soporte en espiral.
4. Recipiente (1) a presión de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque
uno o más hilos (55) de refuerzo están cosidos sobre el material (54) de soporte con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico (Z) de la parte (21) central cilíndrica.
5. Recipiente (1) a presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 o 4,
caracterizado porque
el material (54) de soporte está unido directamente al casquete con una capa (56) adhesiva.
6. Recipiente (1) a presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
la preforma (5, 51, 53) se empuja sobre al menos una parte del material compuesto de fibras (F2) aún húmedo de la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión enrollada sobre el casquete (22) y se fija en la zona del casquete (22) mediante el material de matriz de la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión.
7. Recipiente (1) a presión de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión cubre la capa (31) de refuerzo del casquete y la preforma (5, 51, 53) se fija al casquete (22) para producir la estabilidad del contorno, preferiblemente la preforma (5, 51, 53) se produce con una matriz termoplástica y se suelda al casquete (22) de un material plástico al menos en determinados puntos.
8. Recipiente (1) a presión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
la preforma (5) es una preforma endurecida para apoyarse en la casquete, en donde un contorno (5i) interior de la preforma (5) está adaptado al casquete (22) y un contorno (5a) exterior de la preforma (5) está diseñado de tal manera que la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión pueda depositarse encima, en donde el contorno (5a) exterior está diseñado de manera que represente una prolongación de la parte (21) central del recipiente (2) interior en la zona (25) del borde del casquete (22), en donde la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión comprende, además, una capa interior enrollada radialmente (F2i) que se enrolla como una capa continua sobre la parte (21) central y directamente sobre el contorno (5a) exterior en la zona (25) del borde para el posterior rebobinado de toda la preforma (5) con una o más capas exteriores (F2a) de la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión, preferiblemente, la preforma (5) comprende una nariz (57) de tope como límite del contorno (5a) exterior rebobinado con la capa (22) de refuerzo del recipiente a presión en la zona (25) del borde del casquete (22).
9. Procedimiento (100) para fabricar un recipiente (1) a presión de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende los pasos de
Fabricar (110) una preforma (5, 51, 53) de contorno estable como capa (31) de refuerzo del casquete para al menos uno de los casquetes (22), preferiblemente para ambos casquetes (22), mediante un procedimiento de trenzado (112) o mediante el bordado (116) de material de fibra sobre un material (54) de soporte drapeable;
Aplicar (120) la capa (31) de refuerzo del casquete a los casquetes (22) de modo que la capa (31) de refuerzo del casquete cubra al menos parcialmente los casquetes (22);
Aplicar (130) la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión a los casquetes (22) y a la parte (21) central, aplicándose preferiblemente la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión a la capa de refuerzo del casquete (22) desde el exterior.
10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el trenzado comprende el paso adicional de trenzar (114) adicionalmente uno o más hilos (52) de refuerzo con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico (Z) de la parte (21) central cilíndrica.
11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el paso de producción (110) de la preforma (5, 53) estable en su contorno mediante bordado (116) comprende un bordado en espiral del material de fibra sobre el material (54) de soporte, preferiblemente uno o más hilos (55) de refuerzo también se bordan sobre el material (54) de soporte con una orientación esencialmente paralela al eje cilíndrico (Z) de la parte (21) central cilíndrica.
12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende el paso adicional de al menos soldar por puntos (118) la preforma (5, 51, 53) producida con una matriz termoplástica al casquete (22) para fijar la preforma (5, 51, 53) al casquete (22).
13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, que comprende los pasos adicionales de
Curado (140) de la preforma (5) con un contorno (5i) interior adaptado al casquete (22) y un contorno (5a) exterior diseñado de manera que la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión pueda depositarse sobre el mismo, en donde el contorno (5a) exterior está diseñado de manera que represente una prolongación de la parte (21) central del recipiente (2) interior en la zona (25) del borde del casquete (22);
Bobinado (150) de una capa interior (F2i) como devanado radial de la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión sobre la parte (21) central y directamente sobre el contorno (5a) exterior en la zona (25) del borde, preferiblemente hasta una nariz (57) de tope de la preforma (5) como límite del contorno (5a) exterior que se va a bobinar con la capa (22) de refuerzo del recipiente a presión en la zona (25) del borde del casquete (22);
bobinado (130) posterior de una o más capas exteriores (F2a) de la capa (32) de refuerzo del recipiente a presión sobre toda la preforma (5).
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