PL242289B1

PL242289B1 - Zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru

Info

Publication number: PL242289B1
Application number: PL433554A
Authority: PL
Inventors: Bohdan Bogucki
Original assignee: Bohdan Bogucki
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2023-02-06
Also published as: PL433554A1; EP3896327A1

Abstract

Zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru, zawiera zbiornik wewnętrzny (1), w postaci połączonej ścianami bocznymi ściany górnej (2) i ściany dolnej (3). Ściany (2, 3) zbiornika wewnętrznego (1) mają kształt powierzchni złożonej z połączonych powtarzalnych fragmentów sferycznych, tak że w widoku z zewnątrz mają postać zbliżoną kształtem do powierzchni pikowanego materaca. W miejscach pikowania znajdują się elementy łączące dolną ścianę (3) i górną ścianę (2) tego zbiornika wewnętrznego. Elementy łączące stanowią szpiki (7) w postaci sworzni. Oba końce każdej szpilki (7) przenikają na zewnątrz przez otwory w przeciwległych ścianach (2, 3). Na każdym końcu szpilki (7) znajduje się element dociskowy w postaci nakrętki. Wzdłuż rzędów szpilek (7) znajdują się układy cięgien oplatających ściany (2, 3) zbiornika wewnętrznego (1). Jeden układ cięgien poprowadzony jest pomiędzy jedną parą, zaś drugi układ cięgien poprowadzony jest pomiędzy drugą parą przeciwległych ścian bocznych, po obu stronach zbiornika (1) tak, że wymienione układy cięgien krzyżują się, pod nakrętką każdej szpilki (7). Tkanina kompozytowa stanowi co najmniej jedną, pierwszą warstwę która oplata górną i dolną ścianę (2, 3) oraz pierwszą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika wewnętrznego (1). Druga warstwa tkaniny oplata górną i dolną ścianę (2, 3) oraz drugą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika (1). Trzecia warstwa tkaniny oplata krawędzie boczne (4) zbiornika wewnętrznego (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru.

Zbiornik przeznaczony jest do przechowywania i transportu płynu, w szczególności wodoru w stanie ciekłym, gazowym lub nadkrytycznym i może być wykorzystany jako zbiornik paliwa do urządzenia mobilnego, w tym napędu pojazdu samochodowego. Zbiornik może być umieszczony płasko pod podłogą pojazdu lądowego lub może być wykorzystany jako zbiornik paliwa do samolotu lub statku wodnego wykorzystujący kształt kadłuba. Zbiornik w zależności od wielkości i przeznaczenia może być przeznaczony do użytku w systemie napełniania opróżnionego zbiornika płynem w stacji paliw, lub w systemie wymiany zbiornika opróżnionego na zbiornik pełny.

Znane rozwiązanie pojemnika na płyny przedstawiono w dokumencie patentowym US 2341044. Według tego rozwiązania kompozytowy pojemnik na płyny składa się z wielu sferycznych segmentowych części, z których każda jest ograniczona co najmniej z jednej strony elementem w charakterze przegrody.

Przegroda tworzy wiele oddzielnych przedziałów i zawiera środki do wyrównywania ciśnienia w takich przedziałach. Zbiornik składa się ze ściętych kulistych sekcji, które są rozmieszczone tak, aby bryła zbliżona się do prostokątnej struktury.

Kolejne znane rozwiązanie zbiornika do ciekłego wodoru przedstawiono w opisie patentowym JP2000130690. W rozwiązaniu tym przedstawiono zb iornik zaprojektowany do przechowywania ciekłego wodoru dla pojazdu napędzanego ogniwem paliwowym. Zbiornik ma za zadanie utrzymać gwałtowny rozkład temperatury w zbiorniku, którego wnętrze jest podzielone na wiele przegród przez ścianki działowe ustawione pionowo, z wyjątkiem obszaru w górnej części, gdzie znajduje się odstęp pod pokrywą tego zbiornika. Jako materiał stanowiący ściankę działową zastosowano tu materiał termoizolacyjny o niskim współczynniku przenikania ciepła, korzystnie tworzywo sztuczne lub materiał kompozytowy. Indywidualne maksymalne szerokości wewnętrzne przegród w płaszczyźnie prostopadłej do ścianki działowej są ograniczone do 50 mm lub mniej. W konsekwencji ciekły wodór może być stabilnie przechowywany w warunkach schłodzenia w niski ej temperaturze.

Następne znane rozwiązanie zbiornika do gazu skroplonego przedstawiono w opisie zgłoszenia międzynarodowego WO 2017/194818 gdzie opisano zbiornik dwukomorowy lub wielokomorowy. Zbiornik przeznaczony jest do przechowywania skroplonego gazu ziemnego i zawiera co najmniej dwie sekcje w postaci cylindrycznych, połączonych bocznymi ścianami zbiorników. Każdy cylindryczny zbiornik ma zakrzywioną górną powierzchnię oraz zakrzywioną dolną powierzchnię. Sekcje zbiornika są połączone ze sobą tak, że zbiornik ma pofalowaną górną powierzchnię i pofalowaną dolną powierzchnię zaś styki bocznych ścian są wypłaszczone. Każdy zbiornik składowy jest połączony przepływowo z sąsiednim zbiornikiem co najmniej jednym kanałem przepływowym. Pozioma ścieżka przepływu jest utworzona między najniższymi punktami sąsiednich zbiorników.

Inne znane rozwiązanie zbiornika gazu przedstawiono w dokumencie patentowym FR3079172. To znane rozwiązanie dotyczy zbiornika gazu przeznaczonego do produkcji energii elektrycznej w pojeździe silnikowym. Zbiornik zawiera obudowę ograniczającą co najmniej dwie komory magazynowe o kształcie kulistym. Strefa komunikacji między komorami, charakteryzuje się odstępem między środkiem dwóch kulistych komór, który jest mniejszy niż suma promieni wewnętrznych tych komór.

Kolejne znane rozwiązanie opisano w dokumencie patentowym EP 3056792. Przedstawiono tu zbiornik ciśnieniowy składający się z wielu połączonych ze sobą kulistych komór. Każda kulista komora jest obcięta częściowo z dwóch stron, zawierając co najmniej dwa otwory przelotowe, połączone z otworami przelotowymi sąsiednich kulistych komór. Tak połączone kuliste komory tworzą strukturę zbiornika.

Zbiornik do magazynowania płynu, zwłaszcza w postaci wodoru w stanie ciekłym i/lub gazowym lub w stanie nadkrytycznym, stanowiący ciśnieniowy zasobnik paliwa dla urządzenia mobilnego musi spełnić dwa wymagania. Wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne jest wymaganiem pierwszym i podstawowym. Spełnienie tego wymagania prowadzi do zaproponowania kształtu kulistego zbiornika, który ma najwyższą wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne ze wszystkich dostępnych kształtów. Mniej wytrzymały jest zbiornik cylindryczny. Oba te rozwiązania są jednak niekorzystne z uwagi na stopień wykorzystania dostępnej przestrzeni wewnątrz urządzenia mobilnego, na przykład pojazdu, dla umieszczenia tego zbiornika. Ta przestrzeń jest zazwyczaj jest zbliżona do kształtu prostopadłościanu. Jest oczywiście możliwe umieszczenie zbiornika kulistego lub cylindrycznego w przestrzeni zbliżonej do prostopadłościanu, lecz część takiej przestrzeni pozostanie nie wykorzystana. Drugim wymaganiem jest więc wymóg kształtu zbliżonego do płaskiego prostopadłościanu który pozwoli na wykorzystanie przeznaczonej dla zbiornika przestrzeni w konstrukcji pojazdu. Z punktu widzenia technicznego te dwa wymagania są ze sobą sprzeczne. Wynalazek rozwiązuje ten problem.

Według wynalazku, zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru, zawiera zbiornik wewnętrzny, stanowiący płaski zespół połączonej ścianami bocznymi ściany górnej i ściany dolnej, tak, że zmagazynowany w zbiorniku płyn swobodnie przepływa w całej objętości zbiornika wewnętrznego. Ściany zbiornika wewnętrznego mają kształt powierzchni złożonej z połączonych powtarzalnych fragmentów sferycznych, tak, że ściana górna i ściana dolna zbiornika wewnętrznego w widoku z zewnątrz ma postać zbliżoną kształtem do powierzchni pikowanego materaca, gdzie w miejscach pikowania znajdują się elementy łączące dolną i górną ścianę tego zbiornika wewnętrznego. Zbiornik wewnętrzny opasany jest co najmniej jedną kompozytową warstwą zewnętrzną, zaś elementy łączące stanowią szpilki w postaci sworzni, gdzie oba końce każdej szpilki przenikają na zewnątrz przez otwory w przeciwległych ścianach, górnej i dolnej zbiornika wewnętrzne go. Na obu końcach każdej szpilki znajduje się co najmniej jeden pierwszy element dociskowy.

Według wynalazku zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru charakteryzuje się tym, że wzdłuż rzędów szpilek znajdują się układy cięgien oplatających ściany zbiornika wewnętrznego, gdzie jeden układ cięgien poprowadzony jest pomiędzy jedną parą przeciwległych ścian bocznych, po obu stronach zbiornika, zaś drugi układ cięgien poprowadzony jest pomiędzy drugą parą przeciwległych ścian bocznych, po obu stronach zbiornika tak, że wymienione układy cięgien po każdej stronie zbiornika wewnętrznego krzyżują się, przy czym od zewnętrznej strony ściany górnej i od zewnętrznej strony ściany dolnej zbiornika wewnętrznego, pod elementem dociskowym każdej szpilki krzyżują się cięgna wymienionych układów krzyżujących się cięgien.

W korzystnej wersji rozwiązania według wynalazku, oba końce szpilek są nagwintowane, zaś elementy dociskowe stanowią nakrętki.

Według wynalazku, warstwa tkaniny kompozytowej zewnętrznej stanowić może co najmniej jedną, pierwszą warstwę tkaniny węglowej i może ona oplatać górną i dolną ścianę oraz pierwszą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika wewnętrznego.

Zbiornik według wynalazku korzystnie zawiera co najmniej jedną, drugą warstwę tkaniny węglowej która oplata górną i dolną ścianę oraz drugą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika wewnętrznego.

Zbiornik według wynalazku może zawierać co najmniej jedną, trzecią warstwę tkaniny węglowej która oplata ściany boczne zbiornika wewnętrznego.

Zbiornik ciśnieniowy według wynalazku pozwala na zastosowanie systemu szpilek oraz ciągłych jednolitych cięgien w miejsce wymaganych membran lub pierścieni wzmacniających pomiędzy komorami zbiornika znanych ze stanu techniki. Jest to możliwe ze względu na zastoso wanie materiałów o znacznej wytrzymałości na rozciąganie. Cykl produkcyjny zbiornika ciśnieniowego według wynalazku może znacząco zostać skrócony, bo nie wymaga pracochłonnego przeplatania włókna węglowego przez tunele w objętości zbiornika, zastąpione wg wynalazku stałymi szpilkami. Nawijanie cięgien następuje gotowymi taśmami z włókna węglowego, a nawijanie warstw tkaniny zewnętrznej następuje pasami gotowej szerokiej izotropowej tkaniny z włókna węglowego w odróżnieniu od owijania włóknem znanym ze stanu techniki. Napinanie cięgien i powierzchni tkaniny węglowej następuje miejscowo, za pomocą elementów dociskowych, na przykład nakrętek na szpilkach, eliminując drugą czasochłonną czynność znaną ze stanu techniki oraz zapewniając równomierne rozłożenie tkaniny na powierzchni zbiornika wewnętrznego. Funkcja nakrętek dociskających cięgna i tkaninę w miejscach pikowania, pozwala uzyskać produkt w postaci zbiornika wstępnie sprężonego. Zamocowanie rur stalowych wewnątrz zbiornika powoduje stabilność mocowania zaworów oraz polepsza sztywność całej konstrukcji, wymaganej dla dynamicznej eksploatacji zbiornika wodoru urządzenia mobilnego, podlegającego znacznym przeciążeniom.

Przedmiot wynalazku pokazany został w przykładach wykonania na załączonym rysunku na którym poszczególne figury rysunku ilustrują:

Fig. 1 - widok perspektywiczny zbiornika wraz z zaworami i zaślepkami.

Fig. 2 - zbiornik w rzutach.

Fig. 3 - półprzekrój półwidok szpilki z nakrętkami.

Fig. 4 - nakrętka.

Fig. 5 - widok fragmentu zbiornika z prostymi cięgnami.

Fig. 6 - widok fragmentu zbiornika z cięgnami.

Fig. 7 - przekrój fragmentu zbiornika według fig. 6.

Fig. 8 - schemat owijania zbiornika tkaniną w jednym kierunku.

Fig. 9 - schemat owijania zbiornika tkaniną w drugim kierunku.

Fig. 10 - schemat owijania zbiornika tkaniną wokół krawędzi.

Fig. 11 - przekrój fragmentu zbiornika przed nałożeniem tkaniny.

Fig. 12 - przekrój fragmentu zbiornika po nałożeniu tkaniny.

Fig. 13 - przekrój fragmentu zbiornika po zaciśnięciu nakrętek.

Fig. 14 - przekrój strefy przejścia przez obudowę przewodu zasilania zbiornika.

Zbiornik ciśnieniowy płynu przedstawiono w przykładach wykonania na załączonych rysunkach, w wykonaniu do magazynowania i dystrybucji wodoru, w postaci zbiornika do zasilania wodorem urządzenia mobilnego w postaci pojazdu. Zbiornik został przedstawiony w wersji do zabudowy w pojeździe samochodowym.

Zbiornik zawiera zbiornik wewnętrzny 1, pokazany na rysunku fig. 1 oraz fig. 2 a także na kolejnych figurach rysunku. Zbiornik wewnętrzny 1 stanowi płaski zespół połączonej ścianami bocznymi 4 ściany górnej 2 i ściany dolnej 3. Zmagazynowany w zbiorniku wodór swobodnie przepływa w całej objętości zbiornika wewnętrznego.

Na rysunku fig. 1 pokazano zbiornik 1 w widoku perspektywicznym, gdzie zbiornik wygląda na zespół połączonych przestrzeni kulistych. Na tym rysunku pokazano także schematycznie rury zasilania 5 wraz z zaworami 6 zasilania i poboru wodoru do zbiornika i ze zbiornika 1 oraz z zaślepkami 21. Przykładowy zawór 6 oraz 5 zaślepkę 21 pokazano oddzielnie na rysunku fig. 1.

Na rysunku fig. 2 pokazano kształt zbiornika według fig. 1 w trzech rzutach standardowych, to znaczy w widoku z góry na ścianę górną 2 oraz w widoku z jednej strony na krótszą krawędź i w widoku z drugiej strony na dłuższą krawędź. Zarówno na rysunku fig. 1 jak i na rysunku fig. 2 pokazano szpilki 7 łączące ścianę górną 2 ze ścianą dolną 3 zbiornika. Na rzutach bocznych z rysunku fig. 2 zbiornik 1 pokazany jest w przekroju, dla uwidocznienia funkcji szpilek 7 jako elementów łączących ścianę górną 2 ze ścianą dolną 3 wymienionego zbiornika 1. Dla jasności rysunku na rzutach bocznych pokazanych na rysunkach fig. 2, nie pokazano elementów dociskowych w postaci nakrętek na szpilkach, pokazanych na dalszych figurach rysunku. Zbiornik 1 jest wytworzony z poliamidu, w formie, w postaci ściany górnej 2 oraz ściany dolnej 3 które następnie są złożone razem i połączone poprzez spawanie lub poprzez klejenie. Zbiornik może też być wykonany jako monolityczny, składający się ze ścian 2, 3, 4 stanowiących jeden wspólny element składowy, wykonany w procesie rotomoldingu. Na rysunkach fig. 1 oraz fig. 2, a także na kolejnych rysunkach pokazano że zbiornik w widoku z zewnątrz przypomina formę pikowanego materaca, gdzie w miejscach pików łączących ściany 2 i 3 znajdują się szpilki 7.

Szpilka 7 pokazana została w półwidoku półprzekroju na rysunku fig. 3. Metalowa szpilka 7 wykonana w tym przykładzie, wykonania ze spiekanego węgliku wolframu ma postać trzpienia z gwintem na obu końcach. W tej postaci szpilka 7 jest przewleczona przez otwory przygotowane w ścianie górnej 2, i w ścianie dolnej 3 zbiornika, w miejscach pikowania. Te miejsca zostały uprzednio ukształtowane w procesie wytwarzania ścian 2, 3 zbiornika 1, które to ściany mają kształt połączonych wielu fragmentów powierzchni sferycznej, co szczególnie dobrze jest uwidocznione na rzutach bocznych na rysunku fig. 2. Na rysunku fig. 3 uwidoczniono także schematycznie nakrętki 8 na obu gwintach szpilki 7. Nakrętka 8 w przykładowym wykonaniu uwidoczniona została w dwóch przekrojach na rysunku fig. 4. Na rysunku fig. 3 pokazano że nakrętki 8 nakręcane na szpilkę 7 z obu stron, skierowane są stożkowymi powierzchniami 9 do siebie. Te stożkowe powierzchnie 9 współpracują w zbiorniku 1 ze strefami lokowania pików powierzchni górnej ściany 2 i powierzchni dolnej ściany 3 tego zbiornika 1.

Fragment zbiornika 1 przedstawiono na rysunku fig. 5. Pokazano tu widok na górną ścianę 2 tego fragmentu zbiornika. Widok na dolną ścianę 3 tego zbiornika 1, nie pokazany na tym rysunku, jest w tym przykładzie wykonania identyczny. Rysunek fig. 5 pokazuje pierwszy etap wzmacniania konstrukcji zbiornika, gdzie zbiornik zawiera taśmy oplotu w postaci cięgien 10. Cięgna 10 stanowią taśmy o szerokości 5 mm oplatające zbiornik 1 wzdłuż dłuższej jego krawędzi oraz wzdłuż krótszej krawędzi. Cięgna 10 na górnej ścianie 2 i na dolnej ścianie 3 krzyżują się w miejscach pikowania które na rysunku fig. 5 widoczne są jako szpilki 7 z nakrętkami 8. Miejsca skrzyżowania się prostopadłych do siebie cięgien 19 znajdują się pod nakrętkami 8, odkręconymi w okresie tworzenia oplotu z cięgien 10. Cięgna 10 oplotu pokazano na rysunku fig. 6. Pokazano tu górną powierzchnię 2 zbiornika 1. Cięgno 10 pokazane na tym rysunku linią ciągłą, poprowadzone jest w jednej linii na przemian z lewej strony jednej szpilki 7 i z prawej strony kolejnej szpilki 7. Kolejne cięgno 10 pokazane na tym rysunku linią przerywaną, między tymi samymi szpilkami 7, jest poprowadzone w jednej linii na przemian z prawej strony tej samej jednej szpilki 7 i z lewej strony tej samej kolejnej szpilki 7. Tak więc oplot dwóch cięgien 10 oparty jest na każdej jednej szpilce 7 z dwóch stron. Te same cięgna 10 opierają się na kolejnej szpilce 7 z dwóch przeciwn ych stron. Cięgna 10 górnej powierzchni 2 i dolnej powierzchni 3 zbiornika 1 są połączone ze sobą łącznikami 11 na bocznych krawędziach zbiornika 1. Łączniki 11 stanowią nierozłączny element składowy pojedynczego długiego ciągłego cięgna 10 owijanego wokół zbiornika 1 raz po jednej, potem po drugiej stronie. Dwa końce takiego cięgna po zakończeniu tworzenia sznura opasającego zbiornik 1 łączone są ze sobą łącznikami 11.

Schematycznie pokazano oplot cięgnami 10 zbiornika wewnętrznego 1 na rysunku fig. 7. Po wykonaniu tych obu krzyżujących się oplotów cięgien 10, w miejscach pikowania jest on dociągnięty do powierzchni zbiornika wewnętrznego 1, nie pokazanymi na tym rysunku nakrętkami 8. Na tym etapie uzyskuje się wstępne sprężenie zbiornika według wynalazku. Cięgna stanowią taśmy z włókien węglowych o szerokości 5 mm. W innych przykładach wykonania cięgien 10 w każdym oplocie może być więcej niż dwa i mogą one mieć inną szerokość lub kształt. W jeszcze innym wykonaniu na rysunku fig. 13 naprężenie cięgien 10 następuje później wspólnie z tkaniną 12 i 13 nakrętkami 8 na szpilkach 7.

Kolejnym wzmocnieniem zbiornika wewnętrznego 1 z oplotem cięgnami 10 jest w tym przykładzie wykonania płaszcz z tkaniny izotropowej z włókna węglowego.

Znane tego rodzaju tkaniny są tkane w trzech kierunkach o wzajemnym przebiegu przędzy pod kątem 60°. Tkanina taka pozwala na przetykanie szpilek 7 pomiędzy włóknami tkaniny bez ich uszkadzania.

Na rysunku fig. 8 pokazano wykonanie płaszcza pierwszą warstwą 12 tkaniny okrywającej zbiornik 1 z oplotem cięgnami 10 dociśniętym do powierzchni zbiornika 1 nakrętkami 7. Pierwsza warstwa 12 ułożona jest wokół zbiornika 1, tworząc rękaw o szerokości odpowiadającej długości dłuższych krawędzi 15 zbiornika 1. Kierunek 15 układania warstwy 12 tkanin y pokazano na tym rysunku strzałkami.

Na rysunku fig. 9 pokazano wykonanie drugiej warstwy 13 w postaci pasma tkaniny okrywającej zbiornik 1 z oplotem cięgnami 10. Pas drugiej warstwy 13 tkaniny płaszcza układa się wokół zbiornika 1 zawierającego warstwę wykonaną w kroku pokazanym na rysunku fig. 8. W tym kroku pokazanym na rysunku fig. 9 tworzy się rękaw o szerokości odpowiadającej długości krótszych krawędzi 16 zbiornika 1. Kierunek układania płaszcza drugiej warstwy 13 tkaniny pokazano na tym rysunku strzałkami.

Na rysunkach fig. 8 oraz fig. 9 pokazano dwie fazy układania pierwszej warstwy 12 i drugiej warstwy 13 tkaniny na zbiorniku wewnętrznym 1 wyposażonym w oplot cięgnami 10. Warstwy 12, 13 z tkaniny z włókna węglowego ułożono w dwóch kierunkach i na poszczególnych etapach nasycono znaną żywicą utwardzalną. Ponad powierzchnię płaszcza w postaci warstw 12, 13 przeprowadzono gwintowane końce szpilek 7. Tak przygotowany zbiornik 1 owija się wokół krawędzi 15, 16 pasmem płaszcza w postaci pasa trzeciej warstwy tkaniny 14 z włókna węglowego. Pokazano to na rysunku fig. 10.

Płaszcz warstw 12, 13 z tkaniny z włókna węglowego oraz oplotu z cięgien 10 dociska się do powierzchni zbiornika wewnętrznego 1 nakrętkami 8 na szpilkach 7 w miejscach pikowania. Nakrętkę 8 pokazano na rysunku fig. 3. W innym przykładzie wykonania każda szpilka 7 może zawierać z każdej strony drugi element dociskowy w postaci nakrętki, który dociska co najmniej jedną warstwę 12, 13 tkaniny kompozytowej do pierwszego elementu dociskowego w postaci nakrętki 8 i do powierzchni zbiornika wewnętrznego 1.

Na rysunkach fig. 11, fig. 12 i fig. 13 pokazano schematycznie kolejne etapy budowy zbiornika. Rysunek fig. 11 przedstawia schematycznie przebieg cięgien 10 pomiędzy punktami pikowania w których osadzone są szpilki 7. Rysunek fig. 12 ilustruje układ płaszcza na zbiorniku wewnętrznym 1 z oplotem cięgnami 10. Na rysunku fig. 13 pokazano nakrętki 8 dociągające oplot 10 wraz z płaszczem z tkaniny do powierzchni zbiornika wewnętrznego 1. Poprzez dokręcenie nakrętek 8 we wszystkich punktach pikowania nastąpiło wstępne sprężenie wyrobu w postaci płaskiego zbiornika na wodór.

Na rysunku fig. 14 pokazano przekrój strefy przejścia przez obudowę zbiornika wewnętrznego 1, przewodu 5 zasilania zbiornika. Przewód 5 służy zarówno do napełniania zbiornika 1 jak i do odbioru wodoru celem zasilania zespołu napędowego pojazdu. Przewód zasilania 5 w tym przykładzie wykonania zakończony jest gwintowaną tuleją 17 połączoną ze ścianą zbiornika wewnętrznego 1 oraz z warstwami 12, 13 tkaniny wzmocnienia. Na tulei 17 znajduje się nakrętka wewnętrzna 18 i nakrętka zewnętrzna 19 pomiędzy którymi w tym przykładzie wykonania zaciśnięta jest ściana zbiornika wewnętrznego 1 wraz z warstwami wzmocnienia strukturalnego 12, 13. Do gwintowanego otworu tulei 17 w tym przykładzie wykonania wkręcony jest króciec zaworu 6 regulacyjnego i wentylującego, służącego do napełniania zbiornika wodorem i/lub pobierania wodoru ze zbiornika oraz kontroli nadciśnienia wywołanego zmianami temperatury wodoru. Przewód 5 stanowi rura metalowa z otworami 20, która jest w tym przykładzie wykonania wyposażona we wspomniane zawory 6 napełniania i/lub pobierania wodoru. W przykładzie wykonania na rysunku fig. 1 zbiornik zawiera dwa przewody 5, których dwa końce zaopatrzone są w zawory 6, a dwa pozostałe końce zaopatrzone są w zaślepki 21. W innym wykonaniu zbiornik posiada jeden lub więcej niż dwa przewody 5, przeznaczone również do mocowania zbiorni ka do konstrukcji pojazdu za pomocą uchwytów nie pokazanych na rysunku, wkręcanych z miejsce zaworów 6 lub zaślepek 21. Przewody 5 mogą jednocześnie służyć jako miejsce poboru wodoru i jako miejsce mocowania zbiornika.

Zbiornik ciśnieniowy według wynalazku składa się co do zasady z czterech elementów, których wykonanie następuje w określonej kolejności po sobie. Są to następujące elementy: zbiornik wewnętrzny 1, szpilki metalowe 7 spinające przeciwległe powierzchnie zbiornika wewnętrznego w miejscach pików, cięgna 10 wzmacniające miejsca połączeń elementów zbiornika wewnętrznego oraz płaszcz zewnętrznej tkaniny strukturalnej w postaci warstw 12, 13, 14. Określenie piki użyto dla jasnego określenia miejsca w powierzchni górnej 2 i dolnej 3 zbiornika, które wygląda tak jak miejsce przepikowania materaca pikowanego. Pik zbiornika stanowi więc każde miejsce, gdzie pomiędzy górną ścianą 2 a dolną ścianą 3 przeprowadzono szpilkę 7 łączącą te ściany 2, 3.

Zbiornik wewnętrzny 1 stanowi element nadający zbiornikowi pożądany kształt prostopadłościanu. Składa się z wielu nachodzących na siebie sfer leżących na jednej płaszczyźnie, z których każda na ścianie górnej 2 i na ścianie dolnej 3 ograniczona jest czterema szpilkami 7. Zbiornik wewnętrzny wykonany jest z materiału nieprzepuszczalnego dla wodoru i może zostać wykonany ze stopu aluminium AA7075 lub w innych przykładach wykonania, ze stali nierdzewnej 316L albo z tworzywa sztucznego. Wykonanie zbiornika wewnętrznego polega na odlaniu ciśnieniowym w metalowej formie odlewniczej kształtu wielokomorowej przestrzeni zamkniętej, na podobieństwo dmuchanego materaca. Można to wykonać odlewając dwie identyczne połówki w postaci ściany górnej 2 i ściany dolnej 3 w formie płaskiego odlewu ciśnieniowego i łącząc te ściany 2, 3. Innym sposobem wykonania zbiornika wewnętrznego jest odlew monolitycznego zbiornika o docelowym kształcie w procesie rotacyjnego modelowania i podgrzewania aż do stopienia granulatu termoplastycznego, wykonanego z poliamidu lub polietylenu. W pierwszym wypa dku może to być granulat PA-6, np. Tarnamid T-27 GF20 GB10, wypełniony włóknem szklanym i mikro-kulkami szklanymi dla zwiększenia wytrzymałości i sztywności zbiornika. Drugi rodzaj tworzywa termoplastycznego może stanowić UHMWPE, czyli odmiana ciężka polietylenu, o długim łańcuchu molekularnym, wielocząsteczkowa. W takim wykonaniu elementy szpilek 7 zatopione są w punktach węzłowych zbiornika wewnętrznego na stałe, zalane tworzywem i umocowane za pomocą wypustów występujących na długości każdej szpilki.

Zbiornik wewnętrzny 1 z komorami sferycznymi po połączeniu połówek, staje się zamkniętą strukturą posiadającą w tym przykładzie wykonania jedynie cztery otwory na zawory ciśnieniowe lub zaślepki oraz szereg szpilek zatopionych lub umocowanych na sztywno w pun ktach pikowania. Wymaga to połączenia dwóch symetrycznych ściany górnej 2 i ściany dolnej 3 zbiornika wewnętrznego 1, z uwzględnieniem umieszczenia szpilek 7 łączących obie połowy. Szpilki 7 służą do szczelnego połączenia poprzez nakręcanie nakrętek po obu stronach dwóch niezależnych połówek zbiornika 1. W zależności od wykonania, pomiędzy dwoma odlewami lub wytłoczkami umieszcza się uszczelkę lub skleja się za pomocą kleju do powierzchni gładkich, lub zgrzewa się obie połówki punktowo.

Szpilka 7 wykonana jest ze stali o podwyższonej wytrzymałości, np. 316L w gatunku 1.4410 albo z tytanu o podwyższonej wytrzymałości ze stopu Ti Beta 3 albo ze spieku węglika wolframu i jest wstępnie gwintowana na obu końcach gwintem drobnozwojowym. Szpilki 7 mogą być umieszczane w jednej z połówek ściany górnej 2 i ściany dolnej 3 odlewu ciśnieniowego i zatapiane podczas odlewania w pozycji sztywnej, wyróżniając w ten sposób odlew połówki dolnej, gdzie połówka ściany górnej 2 w tym m iejscu posiada jedynie dopasowany otwór na szpilkę 7 zamocowaną w połówce ściany dolnej 3, przewidzianą na czas montażu i zaślepioną później ciasno dopasowaną szpilką 7, mocowaną na wcisk.

Cięgna 10 oplotu wykonane są z włókna węglowego, w postaci szerokiej i cienkiej, jednokierunkowej taśmy, złożonej z wiązki włókien jednokierunkowych i stanowią zamkniętą obręcz wzmacniającą. Taśmą podlega nawijaniu na powierzchni zbiornika na obliczoną szerokość pierścienia i składa się z wielu warstw włókna węglowego, o przykładowej szerokości 10 mm i grubości 0,21 mm, nawijanych kolejno wzdłuż jednej ze ścieżek dolin pomiędzy wypukłymi komorami ciśnieniowymi zbiornika wewnętrznego 1. Każda taka ścieżka jest równoległa do jednej z osi X lub osi Y zbiornika i przebiega przez wszystkie punkty pikowania zbiornika 1 le żące na tej prostej, omijając w tych punktach szpilki 7 wokół nich, raz z jednej, raz z drugiej strony kolejnych szpilek 7. Na obu końcach zbiornika wewnętrznego 1 taśma w postaci cięgna 10, przechodzi ścieżką pomiędzy dwoma sferami ciśnieniowymi z jednej powierzchni zbiornika na drugą, przeciwległą i kontynuuje swój przebieg pomiędzy punktami pikowania aż do drugiego końca zbiornika, gdzie czynność ta powtarza się tyle razy na danej ścieżce, ile wymaga tego, aby osiągnąć obliczoną wcześniej ilość zwojów zapewniającą postanie odpowiedniej grubości sznura oplotu. Owijanie zbiornika taśmami następuje w automatycznej maszynie nawijającej CNC, w której zbiornik mocowany jest w sposób umożliwiający jego obrót w każdej wybranej osi X lub Y. Kolejność nawijania cięgien 10 może być inna, a w szczególności rozłożona pomiędzy wszystkie pierścienie wzmocnienia strukturalnego jednocześnie lub w częściach.

Dalsze wzmacnianie zbiornika prowadzi się w tym przykładzie wykonania tkaniną plecioną z włókna węglowego 3-osiowego, pod kątem wątków tkaniny 60° wobec siebie. Tkanina taka posiada quasi-symetryczne właściwości reakcji na siły rozciągające w każdym kierunku i doskonale nadaje się na pokrycie powierzchni zbiornika wewnętrznego. Ze względu na kształt dostarczanej tkaniny, a jest to materiał płaski w postaci beli, uwzględniono ten kształt w sposobie nakładania kolejnych warstw materiału na powierzchnie zbiornika w ten sposób, że tkanina nawijana jest po kolei lub naprzemiennie w trzech płaszczyznach zbiornika na maszynie nawijającej. Jest to ta sama maszyna, która przedtem służyła do nawijania wzmocnienia pierścieni z taśmy jednokierunkowej, pozwalająca na obrót zbiornika wokół każdej z osi X, Y i Z.

Przed nawijaniem zewnętrznych warstw tkaniny w 8 narożnikach zbiornika 1 umieszcza się elementy wzmacniające nie pokazane na rysunkach, wewnątrz w kształcie odcinka sfery, za zewnątrz w kształcie narożnika prostopadłościanu.

Nawijanie w jednej z płaszczyzn ścian zbiornika 1 oznacza tylokrotny przebieg warstw 12 tkaniny wokół jednej z osi prostopadłościanu, którym jest w przybliżeniu zbiornik wewnętrzny, aby uzyskać połowę obliczonej wcześniej w kalkulacji wytrzymałościowej grubości warstwy strukturalnej. Po zmianie osi oplotu, kolejny raz nawijana jest ta sama ilość zwojów tkaniny w postaci warstw 13, tak aby na dwóch przeciwległych ścianach 2, 3 uzyskać docelową grubość oplotu. Po kolejnej zmianie osi obrotu zbiornika wewnętrznego następuje nawijanie kolejnego oplotu tkaniny na pozostałych ścianach, w ten sposób uzyskując równomierne rozłożenie grubości na wszystkich bokach prostopadłościanu o zadanej obliczeniami grubości. W tym przykładzie wykonania, tkanina oplotu 12, 13, 14 wstępnie nasączana jest żywicą termoutwardzalną.

Kolejnym etapem mocowania oplotu wzmocnienia strukturalnego jest naciąganie go w punktach pikowania. W trakcie nakładania poszczególnych warstw tkaniny, zakończonymi ostro szpilkami 7 przebija się warstwy 12, 13 tkaniny i nakręca się nakrętki 8. W ten sposób tkanina 12, 13 i cały zbiornik ulega naprężeniu, jednocześnie wypełniając wolną przestrzeń w punktach pikowania, pomiędzy sferycznymi strefami powierzchni 2, 3 zbiornika.

Zbiornik po wykonaniu mechanicznego naprężania tkaniny oplotu podlega wygrzewaniu w autoklawie, przybierając na stałe kształt płaskiego zbiornika ciśnieniowego i zawiera wstępne naprężenia wewnętrzne.

Ze względów estetycznych zbiornik na koniec procesu produkcji może zostać otoczony warstwą włókna szklanego, aramidowego lub żel kotu, w celu zasłonięcia końcówek szpilek 7 i nakrętek 8, stanowiąc jednocześnie zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi zbiornika w trakcie eksploatacji.

Wykaz oznaczeń na rysunku

1. Zbiornik wewnętrzny

2. Ściana górna

3. Ściana dolna

4. Krawędź boczna

5. Przewód zasilania

6. Zawór

7. Szpilka

8. Nakrętka

9. Stożkowa powierzchnia nakrętki

10. Cięgno

11. Łącznik cięgien

12. Pierwsza warstwa tkaniny

13. Druga warstwa tkaniny

14. Trzecia warstwa tkaniny

15. Dłuższa krawędź zbiornika

16. Krótsza krawędź zbiornika

17. Tuleja gwintowana

18. Nakrętka wewnętrzna

19. Nakrętka zewnętrzna

20. Otwór

21. Zaślepka

Claims

1. Zbiornik ciśnieniowy płynu, zwłaszcza wodoru, zawierający zbiornik wewnętrzny, stanowiący płaski zespół połączonej ścianami bocznymi ściany górnej i ściany dolnej, tak, że zmagazynowany w zbiorniku płyn swobodnie przepływa w całej objętości zbiornika wewnętrznego, przy czym ściany zbiornika wewnętrznego mają kształt powierzchni złożonej z połączonych powtarzalnych fragmentów sferycznych, tak, że ściana górna i ściana dolna zbiornika wewnętrznego w widoku z zewnątrz ma postać zbliżoną kształtem do powierzchni pikowanego materaca, gdzie w miejscach pikowania znajdują się elementy łączące dolną ścianę i górną ścianę tego zbiornika wewnętrznego, przy czym zbiornik wewnętrzny opasany jest co najmniej jedną kompozytową warstwą zewnętrzną, a elementy łączące stanowią szpilki w postaci sworzni, gdzie oba końce każdej szpilki przenikają na zewnątrz przez otwory w przeciwległych ścianach, górnej i dolnej zbiornika wewnętrznego, i na obu końcach każdej szpilki znajduje się co najmniej jeden pierwszy element dociskowy, znamienny tym, że wzdłuż rzędów szpilek (7) znajdują się układy cięgien (10) oplatających ściany (2, 3) zbiornika wewnętrznego (1), gdzie jeden układ cięgien (10) poprowadzony jest pomiędzy jedną parą przeciwległych ścian bocznych, po obu stronach zbiornika (1), zaś drugi układ cięgien (10) poprowadzony jest pomiędzy drugą parą przeciwległych ścian bocznych, po obu stronach zbiornika tak, że wymienione układy cięgien (10) po każdej stronie zbiornika wewnętrznego (1) krzyżują się, przy czym od zewnętrznej strony ściany górnej (2) i od zewnętrznej strony ściany dolnej (3) zbiornika wewnętrznego (1), pod elementem dociskowym każdej szpilki (7) krzyżują się cięgna (10) wymienionych układów cięgien (10).

2. Zbiornik ciśnieniowy według zastrz. 1, znamienny tym, że oba końce szpilek (7) są nagwintowane, zaś elementy dociskowe stanowią nakrętki (8).

3. Zbiornik ciśnieniowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa tkaniny kompozytowej zewnętrznej stanowi co najmniej jedną, pierwszą warstwę (12) tkaniny węglowej która oplata górną i dolną ścianę (2, 3) oraz pierwszą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika wewnętrznego (1).

4. Zbiornik według zastrz. 3, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną, drugą warstwę (13) tkaniny węglowej która oplata górną i dolną ścianę (2, 3) oraz drugą parę przeciwległych ścian bocznych zbiornika wewnętrznego (1).

5. Zbiornik według zastrz. 4, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną, trzecią warstwę (14) tkaniny węglowej która oplata krawędzie boczne (4) zbiornika wewnętrznego (1).